Usando princípios da física para entender como as células se autoclassificam no desenvolvimento

A ex-aluna de física Erin McCarthy '23, à direita, foi a autora principal de um estudo publicado na Physical Review Letters que descobriu mecanismos que fazem com que as partículas se classifiquem espontaneamente em diferentes grupos. A professora M. Lisa Manning, à esquerda, foi coautora. Crédito:Universidade de Syracuse

Erin McCarthy '23, física summa cum laude, é uma raridade entre os jovens cientistas. Como pesquisadora de graduação no Departamento de Física da Faculdade de Artes e Ciências da Syracuse University, ela orientou um estudo que apareceu em março de 2024 em Physical Review Letters . É o periódico de letras de física mais citado e o oitavo periódico mais citado na ciência em geral.

McCarthy e os associados de pós-doutorado Raj Kumar Manna e Ojan Damavandi desenvolveram um modelo que identificou um comportamento coletivo inesperado entre partículas computacionais com implicações para futuras pesquisas médicas básicas e bioengenharia.

"É muito difícil colocar um artigo em Cartas de Revisão Física ", disse M. Lisa Manning, coautora e professor de física William R. Kenan, Jr., bem como diretor fundador do BioInspired Institute da Syracuse University. "Seus colegas científicos devem julgá-lo como excepcional."

McCarthy, natural de Nova Jersey, escolheu Syracuse por causa de sua “tremenda energia”, disse ela. "O lado educacional e de pesquisa das coisas foi incrível. Vim planejando me formar em física e cursando medicina. Eu adorava física e biologia e queria me envolver com saúde e medicina. E tive sorte porque conheci Dr. Manning como caloura, e ela me apresentou à biofísica computacional. Comecei a pesquisar durante meu primeiro ano, o que é extremamente incomum.

“Erin aprendeu codificação do zero e depois fez horas e horas de simulações, o que exigiu muita perseverança”, disse Manning. “É simplesmente uma prova fantástica de sua ética de trabalho e brilhantismo que este artigo tenha aparecido em uma revista de tão prestígio.”

A equipe de pesquisa usou modelagem de física computacional para descobrir os mecanismos subjacentes que fazem com que as partículas se classifiquem espontaneamente em diferentes grupos.

Aprender como as partículas se comportam em modelos físicos poderia fornecer informações sobre como as partículas biológicas vivas – células, proteínas e enzimas – se misturam no desenvolvimento.

Nos estágios iniciais de um embrião, por exemplo, as células começam em misturas heterogêneas. As células devem se auto-classificar em diferentes compartimentos para formar tecidos homogêneos distintos. Este é um dos principais comportamentos celulares coletivos em ação durante o desenvolvimento de tecidos e órgãos e a regeneração de órgãos.

“As células precisam ser capazes de se organizar adequadamente, segregando-se para realizar o seu trabalho”, disse McCarthy. “Queríamos entender, se você remover a química e olhar estritamente para a física, quais são os mecanismos pelos quais essa reorganização pode acontecer espontaneamente?”

Investigações físicas anteriores descobriram que as partículas se separam quando algumas recebem um choque de temperatura mais elevada. À medida que uma população de partículas é injetada com energia em pequena escala, ela se torna ativa – ou “quente” – enquanto a outra população fica inativa, ou “fria”. Essa diferença de calor provoca uma reorganização entre as duas populações. Esses modelos são versões simplificadas de sistemas biológicos, usando a temperatura para aproximar a energia e o movimento celular.

“As partículas quentes empurram as partículas frias para o lado para que possam ocupar um espaço maior”, disse o co-autor Manna. "Mas isso só acontece quando existe uma lacuna entre as partículas."

A modelagem anterior identificou o comportamento de partículas auto-classificadas em densidades intermediárias menos compactadas.

Mas a equipe de Syracuse encontrou algo surpreendente. Depois de injetar energia em uma população de partículas de alta densidade, as partículas quentes não expulsaram as frias. As partículas quentes não tinham espaço para isso.

Isto é importante porque as partículas biológicas – proteínas nas células e células nos tecidos – normalmente vivem em espaços apertados e lotados.

“Sua pele, por exemplo, é um ambiente muito denso”, disse McCarthy. "As células estão tão próximas umas das outras que não há espaço entre elas. Se quisermos aplicar essas descobertas da física à biologia, devemos olhar para altas densidades para que nossos modelos sejam aplicáveis. Mas em densidades muito altas, a diferença na atividade entre dois populações não faz com que elas sejam classificadas."

Deve haver algum outro mecanismo de autoclassificação em ação na biologia. “A temperatura ou a injeção ativa de energia nem sempre separa as coisas, então você não pode usar isso em biologia”, disse Manning. "Você deve procurar algum outro mecanismo."

Para Manning, este estudo ilustra os pontos fortes da Syracuse University. "O fato de um estudante de graduação ter liderado esta pesquisa mostra a incrível qualidade dos alunos que temos na Syracuse University, que são tão bons quanto os de qualquer lugar do mundo, e da excepcionalidade da própria Erin", disse Manning.

Manna, mentor de pós-doutorado da última parte do projeto de McCarthy, foi essencial para conduzi-lo à conclusão. “O estudo não teria acontecido sem ele”, disse Manning. "Isso demonstra que somos capazes de recrutar excelentes associados de pós-doutorado para Syracuse porque somos uma universidade de pesquisa excelente." Manna é agora pós-doutorado no Departamento de Física da Northeastern University.

McCarthy, tecnólogo pesquisador em um laboratório biológico da Faculdade de Medicina da Universidade Northwestern, planeja começar a se inscrever na pós-graduação.

"Em Syracuse", disse McCarthy, "aprendi o quanto adoro a pesquisa e quero que ela faça parte do meu futuro."

Mais informações: Erin McCarthy et al, Demixing in Binary Mixtures with Differential Diffusivity at High Density, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.098301
Informações do diário: Cartas de revisão física

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