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Uma questão-chave que permanece na biologia e biofísica é como as formas tridimensionais dos tecidos emergem durante o desenvolvimento animal. Equipes de pesquisa do Instituto Max Planck de Biologia Celular Molecular e Genética (MPI-CBG) em Dresden, Alemanha, o Excellence Cluster Physics of Life (PoL) na TU Dresden e o Center for Systems Biology Dresden (CSBD) agora encontraram um mecanismo pelo qual os tecidos podem ser “programados” para fazer a transição de um estado plano para uma forma tridimensional. Para conseguir isso, os pesquisadores observaram o desenvolvimento da mosca-das-frutas Drosophila e sua bolsa de disco de asa, que faz a transição de uma forma de domo raso para uma dobra curva e depois se torna a asa de uma mosca adulta.
Os pesquisadores desenvolveram um método para medir mudanças de forma tridimensionais e analisar como as células se comportam durante esse processo. Usando um modelo físico baseado em programação de forma, eles descobriram que os movimentos e rearranjos das células desempenham um papel fundamental na modelagem do tecido. Este estudo, publicado em Avanços da Ciênciamostra que o método de programação de formas pode ser uma maneira comum de mostrar como os tecidos se formam em animais.
Tecidos epiteliais são camadas de células firmemente conectadas e constituem a estrutura básica de muitos órgãos. Para criar órgãos funcionais, os tecidos mudam sua forma em três dimensões. Embora alguns mecanismos para formas tridimensionais tenham sido explorados, eles não são suficientes para explicar a diversidade de formas de tecidos animais. Por exemplo, durante um processo no desenvolvimento de uma mosca da fruta chamado eversão do disco da asa, a asa transita de uma única camada de células para uma camada dupla. Não se sabe como a bolsa do disco da asa sofre essa mudança de forma de uma cúpula radialmente simétrica para uma forma de dobra curva.
Os grupos de pesquisa de Carl Modes, líder do grupo no MPI-CBG e no CSBD, e Natalie Dye, líder do grupo no PoL e anteriormente afiliada ao MPI-CBG, queriam descobrir como essa mudança de forma ocorre. “Para explicar esse processo, nos inspiramos em folhas de materiais inanimados “programáveis em forma”, como hidrogéis finos, que podem se transformar em formas tridimensionais por meio de tensões internas quando estimulados”, explica Natalie Dye, e continua: “Esses materiais podem mudar sua estrutura interna na folha de forma controlada para criar formas tridimensionais específicas. Esse conceito já nos ajudou a entender como as plantas crescem. Os tecidos animais, no entanto, são mais dinâmicos, com células que mudam de forma, tamanho e posição.”
Para ver se a programação de forma poderia ser um mecanismo para entender o desenvolvimento animal, os pesquisadores mediram as mudanças na forma do tecido e os comportamentos celulares durante a eversão do disco da asa da Drosophila, quando o formato da cúpula se transforma em uma forma de dobra curva. “Usando um modelo físico, mostramos que os comportamentos celulares coletivos e programados são suficientes para criar as mudanças de forma vistas na bolsa do disco da asa. Isso significa que forças externas dos tecidos circundantes não são necessárias, e os rearranjos celulares são o principal impulsionador da mudança na forma da bolsa”, diz Jana Fuhrmann, uma bolsista de pós-doutorado no grupo de pesquisa de Natalie Dye. Para confirmar que as células rearranjadas são a principal razão para a eversão da bolsa, os pesquisadores testaram isso reduzindo o movimento celular, o que por sua vez causou problemas com o processo de modelagem do tecido.
Abhijeet Krishna, um estudante de doutorado no grupo de Carl Modes na época do estudo, explica: “Os novos modelos para programabilidade de formas que desenvolvemos estão conectados a diferentes tipos de comportamentos celulares. Esses modelos incluem efeitos uniformes e dependentes de direção. Embora houvesse modelos anteriores para programabilidade de formas, eles só olhavam para um tipo de efeito por vez. Nossos modelos combinam ambos os tipos de efeitos e os vinculam diretamente aos comportamentos celulares.”
Natalie Dye e Carl Modes concluem: “Descobrimos que o estresse interno causado por comportamentos celulares ativos é o que molda a bolsa do disco da asa da Drosophila durante a eversão. Usando nosso novo método e uma estrutura teórica derivada de materiais programáveis por forma, fomos capazes de medir padrões celulares em qualquer superfície de tecido. Essas ferramentas nos ajudam a entender como o tecido animal transforma sua forma e tamanho em três dimensões. No geral, nosso trabalho sugere que os primeiros sinais mecânicos ajudam a organizar como as células se comportam, o que mais tarde leva a mudanças na forma do tecido. Nosso trabalho ilustra princípios que podem ser usados mais amplamente para entender melhor outros processos de modelagem de tecidos.”
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