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Em muitos casos, as células são muito ativas em seus movimentos e servem como geradoras de energia. A capacidade das células de produzir forças físicas é uma das funções básicas do corpo. Ao correr, por exemplo, as forças geradas nas células fazem com que os músculos se contraiam e a respiração funcione. Foi possível medir até mesmo as forças experimentadas por proteínas individuais por sensores de força desenvolvidos no passado, mas as forças intracelulares e tensões mecânicas anteriores não podiam ser medidas.
Juntamente com os cientistas da Ohio State University OSU, pesquisadores de biologia celular da Universidade de Tampere desenvolveram um sensor de força que pode ser anexado ao lado de uma proteína de resposta mecânica, permitindo que ela detecte forças e tensão na proteína dentro da célula.
O desenvolvimento do sensor de tamanho micro começou em uma viagem de conferência em dezembro de 2019.
“A parte do sensor de força é como um elástico que muda de cor quando esticado. Essa parte está ligada aos anticorpos em ambas as extremidades do elástico, que se ligam à proteína alvo celular em estudo. A força ou alongamento da proteína estudada pode então ser detectado sob um microscópio seguindo o alongamento do elástico, ou seja, a cor que ele produz”, diz Teemu Ihalainen, pesquisador sênior da BioMediTech na Universidade de Tampere.
De acordo com Ihalainen, o sensor de força, que tem apenas cerca de vinte nanômetros de tamanho, pode ser facilmente generalizado para uma ampla gama de pesquisas em biologia celular e várias proteínas-alvo. Com a ajuda do biossensor de proteínas, as forças podem ser medidas, por exemplo, na membrana nuclear, entre diferentes proteínas ou geralmente no citoesqueleto da célula. Ele permite que a mecânica da célula seja transformada em forma visível pela primeira vez. Já houve grande interesse por essa tecnologia em vários laboratórios no Japão, Índia, Noruega e Estados Unidos.
As forças internas da célula fornecem informações sobre a mecânica do câncer
As células estão sujeitas a forças o tempo todo, tanto nas funções corporais normais quanto nas doenças.
À medida que uma célula cancerosa cresce e se move, por exemplo, as células são submetidas a forças mecânicas. À medida que o câncer se espalha, por exemplo, quando entra nos vasos sanguíneos ou linfáticos, a célula cancerosa precisa se espremer através de lacunas estreitas em seu microambiente. Assim, as células cancerígenas são submetidas a poderosas forças de compressão e alongamento que podem quebrar algumas das células. Danos ao núcleo podem alterar a estrutura do genoma, o que em algumas situações pode até ser benéfico para o desenvolvimento do câncer.
“Com a ajuda de sensores, a mecânica do câncer e processos relacionados podem ser monitorados de uma perspectiva completamente nova”, menciona Ihalainen.
O estudo Estados de tensão da lâmina nuclear revelados por biossensor de força intermolecular foi publicado no Natureza Comunicações Diário.
Mesmo os menores detalhes podem ser vistos com microscopia de super-resolução
Outro estudo recente refinou a microscopia de expansão combinando biologia celular e experiência em processamento de sinal. Além de pesquisadores de biologia celular, especialistas em imagem da Faculdade de Engenharia e Ciências Naturais da Universidade de Tampere e virologistas da Universidade de Jyväskylä participaram do estudo.
A resolução da microscopia de luz é limitada, pois os detalhes de pequenas estruturas na amostra são borrados devido às interações lente-luz. No entanto, diferentes técnicas de microscopia de super-resolução permitem a separação de detalhes muito pequenos. Uma dessas técnicas é a chamada microscopia de expansão, cujo princípio é ampliar fisicamente um objeto, por exemplo, uma célula, e assim observar as pequenas coisas dentro dela. Na prática, a amostra é moldada em um gel macio, que pode ser expandido quatro vezes ou mais, e também amplia todos os detalhes da amostra.
“No entanto, o problema é que quanto menores os detalhes da célula são examinados, menos moléculas são visíveis. Isso significa que menos sinal, ou seja, informações, foram adquiridos da amostra e, geralmente, há muito ruído, um pouco como a neve na tela da TV”, diz Ihalainen.
O grupo de pesquisa descobriu que a solução para o problema poderia ser a rotulagem fluorescente repetida das células. Eles tiveram a ideia de rotular as proteínas-alvo várias vezes para fazê-las parecer mais brilhantes e fornecer mais informações.
“Na prática, o que fizemos foi bombear mais moléculas fluorescentes para as proteínas-alvo como se estivéssemos adicionando refletores. O método simples e fácil melhorou muito a resolução e o contraste da imagem. O ruído também foi removido computacionalmente das imagens, o que aumentou a nitidez da imagem”, comenta.
Ao contrário de muitas técnicas de microscopia de super-resolução, a microscopia de expansão não requer instrumentos caros e é fácil de implementar. A técnica desenvolvida pelos pesquisadores é particularmente útil para estudar detalhes realmente pequenos. Observar a estrutura do vírus Herpes de 120 nanômetros, por exemplo, é agora possível mesmo com um microscópio de luz. Com a microscopia de luz tradicional, os vírus são visíveis apenas como pontos únicos.
O estudo, “A imunocoloração iterativa combinada com microscopia de expansão e processamento de imagem revela a organização da rede nanoscópica da lâmina nuclear”, foi publicado na revista Biologia molecular da célula.
“Ambos os estudos são pesquisas básicas. Buscamos entender como as células basicamente funcionam. Portanto, o financiamento de pesquisa recebido do Conselho de Pesquisa da Finlândia e a oportunidade de trabalhar no Tampere Institute for Advanced Study (IAS) foram fatores extremamente importantes nesses projetos”, observa Ihalainen.
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