Uma equipa de investigadores usou a luz para controlar a forma como uma única célula se agita e se move durante a sua fase inicial de desenvolvimento. A investigação pode permitir a conceção de células sintéticas ativadas pela luz para a cicatrização de feridas ou a administração de medicamentos.
A vida toma forma com o movimento de uma única célula. Em resposta a sinais de certas proteínas e enzimas, uma célula pode começar a mover-se e a agitar-se, levando a contrações que a fazem apertar-se, apertar-se e, eventualmente, dividir-se.
À medida que as células filhas se sucedem na linha geracional, crescem, diferenciam-se e, por fim, organizam-se num organismo completamente formado.
Agora, uma equipa de investigadores do MIT usou a luz para controlar a forma como uma única célula se agita e se move durante a sua fase inicial de desenvolvimento.
A equipa estudou o movimento dos óvulos produzidos pela estrela-do-mar, um organismo que os cientistas há muito utilizam como modelo clássico para compreender o crescimento e o desenvolvimento celular.
Os investigadores concentraram-se numa enzima chave que desencadeia uma cascata de movimentos dentro de um óvulo de estrela-do-mar. Conceberam geneticamente uma versão sensível à luz da mesma enzima, que injetaram nos óvulos, e depois estimularam as células com diferentes padrões de luz.
Descobriram que a luz conseguia ativar a enzima, o que, por sua vez, levava as células a agitarem-se e a moverem-se em padrões previsíveis.
Por exemplo, os cientistas conseguiram estimular as células a exibir pequenos beliscões ou contrações amplas, dependendo do padrão de luz que induziram, e até iluminar pontos específicos à volta de uma célula para esticar a sua forma de um círculo para um quadrado.
Os resultados do estudo, publicados a semana passada na Nature Physics, fornecem aos cientistas um novo instrumento ótico para controlar a forma das células nas suas primeiras fases de desenvolvimento.
Esta ferramenta poderá orientar a conceção de células sintéticas, tais como células terapêuticas que se contraem em resposta a sinais luminosos para ajudar a fechar feridas ou células “portadoras” de medicamentos que só libertam o seu conteúdo quando iluminadas em locais específicos do corpo.
Os resultados deste estudo podem também ajudar os cientistas a investigar como a vida toma forma a partir de uma única célula.
“Ao revelar a forma como um interrutor ativado pela luz pode remodelar as células em tempo real, estamos a descobrir os princípios básicos de conceção da forma como os sistemas vivos se auto-organizam e evoluem”, afirma Nikta Fakhri, professora de Física do MIT e autora principal do estudo, em comunicado da universidade.
“O poder destas ferramentas é o facto de nos guiarem na descodificação de todos estes processos de crescimento e desenvolvimento, para nos ajudar a compreender como a natureza o faz“, acrescenta a investigadora.
A equipa de Fakhri no MIT está particularmente interessada nos processos que regem a forma como as células seguem ou quebram a simetria à medida que crescem e se dividem. A estrela-do-mar de cinco membros, explica, é um organismo ideal para explorar estas questões de crescimento, simetria e desenvolvimento inicial.
“A estrela-do-mar é um sistema fascinante: começa com uma célula simétrica e torna-se numa larva bilateralmente simétrica nas fases iniciais, desenvolvendo depois uma simetria pentameral no adulto”, diz Fakhri.
“Portanto, há todos estes processos de sinalização que acontecem ao longo do caminho para dizer à célula como se deve organizar“, acrescenta.
Um circuito chave
Há muito que os cientistas estudam a estrela-do-mar e as suas várias fases de desenvolvimento. Entre muitas revelações, os investigadores descobriram um “circuito” chave dentro de uma célula embrionária da estrela-do-mar que controla o seu movimento e forma.
Este circuito envolve uma enzima, a GEF, que circula naturalmente no citoplasma de uma célula. Quando esta enzima é ativada, induz uma alteração numa proteína, chamada Rho, que é conhecida por ser essencial para regular a mecânica celular.
Quando a enzima GEF estimula a Rho, faz com que a proteína passe de um estado essencialmente de flutuação livre para um estado que a liga à membrana da célula.
Neste estado de ligação à membrana, a proteína desencadeia então o crescimento de fibras microscópicas, semelhantes a músculos, que se estendem através da membrana e subsequentemente se contraem, permitindo que a célula se contraia e se mova.
Em trabalhos anteriores, o grupo de Fakhri mostrou que os movimentos de uma célula podem ser manipulados variando as concentrações de enzima GEF na célula: quanto mais enzima introduzissem numa célula, mais contrações esta apresentaria.
“Toda esta ideia fez-nos pensar se é possível piratear este circuito, não só para alterar o padrão de movimentos de uma célula, mas também para obter uma resposta mecânica desejada”, explica a investigadora irano-americana.
1400 Degrees
Nikta Fakhri, professora de Física do Massachusetts Institute of Technology
Para manipular com precisão os movimentos de uma célula, a equipa recorreu à optogenética, uma abordagem que envolve a engenharia genética de células e componentes celulares, como proteínas e enzimas, de modo a que sejam activados em resposta à luz.
Utilizando técnicas optogenéticas estabelecidas, os investigadores desenvolveram então uma versão sensível à luz da enzima GEF.
A partir desta enzima modificada, isolaram o seu ARNm — essencialmente, o projeto genético para a construção da enzima. Em seguida, injectaram este projeto em óvulos que a equipa colheu de um único ovário de estrela-do-mar, que pode conter milhões de células não fertilizadas.
As células, infundidas com o novo mRNA, começaram então a produzir enzimas GEF sensíveis à luz por si próprias.
Os investigadores colocaram cada óvulo infundido com a enzima sob um microscópio e fizeram incidir luz sobre a célula em diferentes padrões e a partir de diferentes pontos ao longo da periferia da célula. Em resposta, registaram em vídeo os movimentos da célula.
Descobriram que, quando apontavam a luz para pontos específicos, a enzima GEF era ativada e recrutava a proteína Rho para os locais visados pela luz.
Então, a proteína despoletava a sua cascata caraterística de fibras semelhantes a músculos que puxavam ou beliscavam a célula nos mesmos pontos estimulados pela luz
Tal como se estivessem a puxar os cordelinhos de uma marioneta, os investigadores conseguiram controlar os movimentos da célula, por exemplo, fazendo-a transformar-se em várias formas, incluindo um quadrado.
Surpreendentemente, descobriram também que podiam estimular a célula a sofrer contrações radicais fazendo incidir uma luz num único ponto, ultrapassando um determinado limiar de concentração de enzimas.
“Apercebemo-nos de que este circuito Rho-GEF é um sistema excitável, em que um estímulo pequeno e oportuno pode desencadear uma resposta grande, do tipo tudo ou nada”, diz Fakhri.
“Por isso, podemos iluminar toda a célula ou apenas um pequeno local da célula, de modo a que seja recrutada uma quantidade suficiente de enzimas para essa região, para que o sistema seja iniciado para se contrair ou comprimir por si próprio.”
Os investigadores compilaram as suas observações e criaram uma estrutura teórica para prever como a forma de uma célula se altera, tendo em conta a forma como é estimulada pela luz.
A estrutura, diz Fakhri, abre uma janela para “a ‘excitabilidade’ no coração da remodelação celular, que é um processo fundamental no desenvolvimento embrionário e na cicatrização de feridas”.
“O estudo oferece um modelo para a criação de células sintéticas ‘programáveis’, que podem permitir aos investigadores orquestrar alterações de forma à vontade para futuras aplicações biomédicas”, conclui a investigadora.
