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Em trabalho conduzido tanto na UC Santa Barbara quanto no Physics of Life Excellence Cluster da TU Dresden, o biofísico Otger Campàs e seu grupo de pesquisa descobriram que os núcleos celulares controlam a arquitetura e a mecânica dos tecidos oculares e cerebrais durante o desenvolvimento embrionário. Esses resultados acrescentam um novo papel para o núcleo da célula na organização do tecido, muito além de seu papel estabelecido na regulação genética.
“Estávamos medindo a rigidez do tecido na retina do peixe-zebra e percebemos que ela dependia do empacotamento dos núcleos. Isso foi totalmente inesperado porque acredita-se que a mecânica do tecido depende das interações da superfície celular, mas não das organelas dentro das células”, disse Campàs, agora professor e presidente de dinâmica de tecidos no Cluster of Excellence Physics of Life na TU Dresden, onde também atua como diretor administrativo. Esta pesquisa, publicada no periódico Materiais da Natureza, representa um caminho inexplorado para entender como as células orquestram o desenvolvimento embrionário.
O Arquiteto Oculto
Dentro de cada célula, estruturas individuais conhecidas como organelas desempenham funções-chave, mas não se sabe como essas organelas contribuem para a formação de tecidos e órgãos. Como fábricas ou estradas em cidades, inúmeras organelas desempenham tarefas dentro das células para que elas funcionem adequadamente. Por estarem confinadas dentro das células, não se acreditava que as organelas desempenhassem um papel direto na construção de órgãos durante a embriogênese. Até agora.
O núcleo da célula é uma organela conhecida por processar informações nas células, com genes ligando e desligando dependendo dos sinais recebidos. No entanto, o núcleo também é a maior e mais rígida organela nas células e pode afetar a estrutura física do tecido, além de processar informações. Fascinado com a forma como o núcleo pode desempenhar um papel na formação do tecido, Campàs decidiu estudar o papel dos núcleos na formação de órgãos.
Trabalhos pioneiros anteriores de seu grupo descobriram que os coletivos de células agiam como uma espuma durante o desenvolvimento, que poderia ser comprimida para “congelar” a arquitetura do tecido e definir sua forma, ou “derretida” para permitir que os tecidos fluíssem e os moldassem.
“Ao estender o Modelo de Espuma Ativa, identificamos um novo modo de transição de sólido para fluido, governado pelos tamanhos relativos do núcleo e das células”, disse o coautor principal Sangwoo Kim.
Quando os autores investigaram o tamanho do núcleo em comparação com o das células nos tecidos do olho e do cérebro em cenários experimentais e teóricos, eles descobriram que se o núcleo estivesse ocupando muito do espaço da célula, então a rigidez do tecido era controlada diretamente pelo núcleo. Além disso, eles também descobriram que quando os núcleos se compactavam tão fortemente, eles ordenavam as células em conjuntos quase cristalinos.
“Quando os núcleos começam a interagir mecanicamente, tanto a mecânica do tecido quanto a ordenação celular não são ditadas pela superfície da célula, mas sim controladas pelo próprio núcleo”, disse Campàs. “Esta é uma organela que determina a rigidez de todo o tecido.” O estudo deles desafia o status quo, revelando um novo papel para os núcleos no controle da organização e mecânica do tecido.
Para explorar como o tamanho do núcleo da célula afeta a formação de órgãos, os pesquisadores empregaram o peixe-zebra. Esses vertebrados são um modelo inestimável para explorar questões de desenvolvimento, pois são totalmente transparentes durante seus estágios embrionários e amadurecem rapidamente, permitindo a visualização da formação de órgãos em 3D.
“Portanto, conduzimos medições estruturais e quantificações de movimento celular, com foco no desenvolvimento da retina e do cérebro do peixe-zebra”, disse a coautora principal Rana Amini.
Com essas medições, os autores demonstraram que mudanças nos tamanhos das células e dos núcleos durante os principais estágios do desenvolvimento “bloqueiam” os núcleos no lugar, à medida que eles se tornam firmemente cercados por seus vizinhos. Durante essa transição, os núcleos se encaixam perfeitamente, como grãos de café em uma jarra, e essa organização pode ser importante para o funcionamento do olho. Em nossos olhos, o empacotamento das células parece muito estruturado, frequentemente exibindo uma ordem “cristalina” muito regular, necessária para processar pistas visuais. No peixe-zebra não é diferente, e a ordem cristalina das células parece ser resultado do emperramento dos núcleos à medida que o olho se desenvolve.
Além do olho, a equipe também descobriu que os tecidos cerebrais ficam nuclearmente bloqueados, revelando um novo papel para o núcleo no controle da arquitetura de vários tecidos neurais. Este trabalho também destaca um papel potencial para defeitos no nível nuclear para causar doenças associadas à arquitetura prejudicada do tecido. Esta nova peça do quebra-cabeça nos coloca um passo mais perto de entender como as células constroem órgãos durante o desenvolvimento embrionário.
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