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Trabalhando com centenas de milhares de imagens de alta resolução, a equipe do Allen Institute for Cell Science, uma divisão do Allen Institute, colocou números sobre a organização interna das células humanas – um conceito biológico que até hoje se mostrou excepcionalmente difícil de entender. quantificar.
Por meio desse trabalho, os cientistas também capturaram detalhes sobre a rica variação na forma das células, mesmo entre células geneticamente idênticas cultivadas em condições idênticas. A equipe descreveu seu trabalho em um artigo publicado na revista Natureza hoje.
“A forma como as células são organizadas nos diz algo sobre seu comportamento e identidade”, disse Susanne Rafelski, Ph.D., vice-diretora do Allen Institute for Cell Science, que liderou o estudo junto com o cientista sênior Matheus Viana, Ph.D. “O que está faltando no campo, enquanto todos tentamos entender como as células mudam na saúde e na doença, é uma maneira rigorosa de lidar com esse tipo de organização. Ainda não exploramos essa informação.”
Este estudo fornece um roteiro para os biólogos entenderem a organização de diferentes tipos de células de maneira mensurável e quantitativa, disse Rafelski. Ele também revela alguns princípios organizacionais fundamentais das células que a equipe do Allen Institute estuda, conhecidas como células-tronco pluripotentes induzidas por humanos.
Compreender como as células se organizam em condições saudáveis - e toda a gama de variabilidade contida no “normal” – pode ajudar os cientistas a entender melhor o que está errado na doença. O conjunto de dados de imagem, as células-tronco geneticamente modificadas e o código que entrou neste estudo estão disponíveis publicamente para uso de outros cientistas da comunidade.
“Parte do que faz a biologia celular parecer intratável é o fato de que cada célula parece diferente, mesmo quando são do mesmo tipo de célula. Este estudo do Allen Institute mostra que essa mesma variabilidade que há muito atormenta o campo é, de fato, uma oportunidade de estudar as regras pelas quais uma célula é formada”, disse Wallace Marshall, Ph.D., professor de bioquímica e biofísica na Universidade da Califórnia, San Francisco, e membro do Allen Institute for Cell Science’s Scientific Advisory Placa. “Esta abordagem é generalizável para praticamente qualquer célula, e espero que muitas outras adotem a mesma metodologia.”
Calculando a pearidade de nossas células
Em um corpo de trabalho lançado há mais de sete anos, a equipe do Allen Institute construiu pela primeira vez uma coleção de células-tronco geneticamente modificadas para iluminar diferentes estruturas internas sob um microscópio fluorescente. Com linhas de células em mãos que rotulam 25 estruturas individuais, os cientistas capturaram imagens 3D de alta resolução de mais de 200.000 células diferentes.
Tudo isso para fazer uma pergunta aparentemente direta: como nossas células organizam seu interior?
Descobriu-se que chegar à resposta é realmente complexo. Imagine montar seu escritório com centenas de móveis diferentes, todos os quais precisam ser facilmente acessados e muitos dos quais precisam se mover livremente ou interagir dependendo de sua tarefa. Agora imagine que seu escritório é um saco de líquido envolto por uma fina membrana, e muitas dessas centenas de móveis são sacos de líquido ainda menores. Fale sobre um pesadelo de design de interiores.
Os cientistas queriam saber: como todas essas minúsculas estruturas celulares se organizam em comparação umas com as outras? A “estrutura A” está sempre no mesmo lugar ou é aleatória?
A equipe enfrentou um desafio comparando a mesma estrutura entre duas células diferentes. Embora as células em estudo fossem geneticamente idênticas e criadas no mesmo ambiente de laboratório, suas formas variavam substancialmente. Os cientistas perceberam que seria impossível comparar a posição da estrutura A em duas células diferentes se uma célula fosse curta e blobby e a outra fosse longa e em forma de pêra. Então eles colocaram números nessas bolhas curtas e peras alongadas.
Usando análises computacionais, a equipe desenvolveu o que eles chamam de “espaço de forma” que descreve objetivamente a forma externa de cada célula-tronco. Esse espaço de forma inclui oito dimensões diferentes de variação de forma, coisas como altura, volume, alongamento e o apropriadamente descrito “pera” e “feijão”. Os cientistas puderam então comparar maçãs com maçãs (ou feijões com feijões), observando a organização das estruturas celulares dentro de todas as células de formato semelhante.
“Sabemos que em biologia, forma e função estão inter-relacionadas, e entender a forma da célula é importante para entender como as células funcionam”, disse Viana. “Criamos uma estrutura que nos permite medir a forma de uma célula e, no momento em que você faz isso, pode encontrar células com formas semelhantes e, para essas células, pode olhar para dentro e ver como tudo está organizado”.
organização estrita
Quando eles olharam para a posição das 25 estruturas destacadas, comparando essas estruturas em grupos de células com formas semelhantes, eles descobriram que todas as células se organizavam de maneiras notavelmente semelhantes. Apesar das enormes variações na forma das células, sua organização interna era surpreendentemente consistente.
Se você está olhando como milhares de trabalhadores de colarinho branco organizam seus móveis em um prédio de escritórios alto, é como se cada trabalhador colocasse sua mesa bem no meio de seu escritório e seu arquivo precisamente no canto esquerdo , não importa o tamanho ou a forma do escritório. Agora, digamos que você encontrou um escritório com um arquivo jogado no chão e papéis espalhados por toda parte – isso pode lhe dizer algo sobre o estado daquele escritório em particular e seu ocupante.
O mesmo vale para as células. Encontrar desvios do estado normal das coisas pode fornecer aos cientistas informações importantes sobre como as células mudam quando passam de estacionárias para móveis, estão se preparando para se dividir ou sobre o que está errado no nível microscópico na doença. Os pesquisadores analisaram duas variações em seu conjunto de dados – células nas bordas de colônias de células e células que estavam passando por divisão para criar novas células-filhas, um processo conhecido como mitose. Nesses dois estados, os cientistas conseguiram encontrar mudanças na organização interna correlacionadas com os diferentes ambientes ou atividades das células.
“Este estudo reúne tudo o que temos feito no Allen Institute for Cell Science desde que o instituto foi lançado”, disse Ru Gunawardane, Ph.D., diretor executivo do Allen Institute for Cell Science. “Construímos tudo isso do zero, incluindo as métricas para medir e comparar diferentes aspectos de como as células são organizadas. O que realmente me entusiasma é como nós e outras pessoas da comunidade podemos agora desenvolver isso e fazer perguntas sobre biologia celular que nunca poderíamos pedir antes.”
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