Uma força invisível começa a vida

Os cientistas estudam como as forças de atrito impulsionam a evolução nos organismos marinhos.

Quando um oleiro trabalha em uma roca, a fricção entre suas mãos e a argila macia o ajuda a moldá-la em todos os tipos de formas e criações. Num paralelo fascinante, os oócitos marinhos (óvulos imaturos) exploram a fricção dentro de diferentes compartimentos dentro de si para sofrer alterações de desenvolvimento após a concepção. Um estudo conduzido pelo grupo de Heisenberg no Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA), publicado em Física da naturezaagora descreve como isso funciona.

Ascídias presas aos recifes de coral. O organismo marinho é um excelente modelo para estudar os processos de desenvolvimento dos vertebrados.

Vida marinha diversificada: o mundo das ascídias

O mar está cheio de formas de vida maravilhosas. De algas e peixes coloridos a caracóis marinhos e ascídias, um mundo completamente diferente se revela debaixo d’água. As ascídias, ou tigelas em particular, são muito incomuns: após o estágio larval de movimento livre, a larva se instala e se fixa em superfícies duras, como rochas ou corais, desenvolvendo tubos (sifões), que são sua característica distintiva. Embora pareçam bolhas de borracha quando adultos, são os parentes invertebrados mais próximos dos humanos. Especialmente em seus estágios larvais, as ascídias são surpreendentemente semelhantes a nós.

Portanto, os ascetas são frequentemente usados ​​como organismos modelo para estudar o desenvolvimento embrionário inicial. Vertebrados Ao qual pertencem os humanos. “Embora as ascídias exibam características morfológicas e de desenvolvimento básicas dos vertebrados, elas também têm a simplicidade celular e genômica típica dos vertebrados.” Invertebrados“A larva ascídia, em particular, é um modelo ideal para a compreensão do desenvolvimento inicial dos vertebrados”, explica Carl Philipp Heisenberg, professor do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA).

Os pesquisadores rotularam a proteína actina no córtex da actomiosina (esquerda, coloração verde) e no mioplasma (direita, coloração azul) para visualizar seu movimento após a fertilização do óvulo. Quando a casca da actomiosina na região inferior do ovo se move, ela interage mecanicamente com o mioplasma, fazendo com que ele se deforme. As fivelas eventualmente se dissolvem no pólo de contração. Crédito: © Caballero-Mancebo et al./Nature Physics

O trabalho mais recente de seu grupo de pesquisa, publicado em Física da natureza, agora fornece novos insights sobre seu desenvolvimento. Os resultados indicam que quando os ovos ascéticos são fertilizados, as forças de fricção desempenham um papel crucial na remodelação e reorganização dos seus interiores, anunciando os próximos passos na sua cascata de desenvolvimento.

Decifrando a metamorfose do ovo

Os óvulos são células germinativas femininas envolvidas na reprodução. Após a fertilização bem-sucedida pelo espermatozoide masculino, os óvulos animais normalmente sofrem reorganização citoplasmática, alterando seu conteúdo e componentes celulares. Este processo estabelece um modelo para o desenvolvimento posterior do feto. Por exemplo, no caso dos ascetas, essa modificação leva à formação de uma protuberância em forma de sino – pequena protuberância ou formato nasal – conhecida como pólo de contração (CP), onde se acumulam substâncias essenciais que facilitam a maturação fetal. Mas o mecanismo subjacente que conduz este processo é desconhecido.

Formação de um pólo de contração. Lapso de tempo microscópico das mudanças na forma celular em oócitos xenoenxertados após a fertilização: do ovo não fertilizado ao início do pólo de contração, à formação do pólo de contração e à reabsorção do pólo de contração. Crédito: ©Caballero-Mancebo et al./Nature Physics

Um grupo de cientistas da ISTA, da Universidade da Cidade de Paris, do CNRS, do King's College London e da Sorbonne decidiu desvendar este mistério. Para este empreendimento, o Grupo Heisenberg importou ascídias adultas do Terminal Marítimo de Roscoff, em França. Quase todas as ascídias são hermafroditas, pois produzem células germinativas masculinas e femininas. “No laboratório, nós os mantemos em tanques de água salgada em um Classificar“Uma maneira conveniente de obter óvulos e espermatozoides para estudar seu desenvolvimento embrionário inicial”, diz Silvia Caballero Mancebo, primeira autora deste estudo e ex-aluna de doutorado no laboratório de Heisenberg.

Formação de um pólo de contração. Lapso de tempo microscópico de mudanças na forma celular em oócitos ascéticos após a fertilização: de um óvulo não fertilizado (primeira imagem da esquerda) até o início do pólo de contração (segunda e terceira imagens da esquerda) e formação do pólo de contração (quarta imagem da esquerda). Crédito: © Caballero-Mancebo et al./Física da natureza

Os cientistas analisaram microscopicamente os óvulos ascéticos fertilizados e perceberam que eles estavam seguindo mudanças altamente reprodutíveis na forma das células que levaram à formação do pólo contrátil. A primeira investigação dos investigadores centrou-se no córtex (célula) da actomiosina, uma estrutura dinâmica encontrada abaixo da membrana celular nas células animais. Consiste em filamentos de actina e proteínas motoras e geralmente atua como um motor para mudanças de forma nas células.

“Descobrimos que quando as células são fertilizadas, o aumento da tensão no córtex da actomiosina faz com que elas se contraiam, desencadeando o seu movimento (fluxo), levando às mudanças iniciais na forma das células”, continua Caballero-Mancebo. No entanto, o fluxo de actomiosina cessou durante a expansão do pólo de contração, sugerindo que existem atores adicionais responsáveis ​​pela protrusão.

Silvia Caballero Mancebo. O graduado do ISTA tem grande prazer em resolver os mistérios da natureza e transformá-los em romances. Crédito da imagem: © Nadine Boncione/ISTA

Forças de fricção afetam a remodelação celular

Os cientistas examinaram mais de perto outros componentes celulares que podem desempenhar um papel na expansão do pólo de contração. Ao fazer isso, eles encontraram o mioplasma, uma camada composta de organelas e moléculas intracelulares (formas relacionadas encontradas em muitos ovos de vertebrados e invertebrados), centralizada na região inferior do óvulo ascético. “Essa camada específica se comporta como um material sólido e extensível, muda de forma com o óvulo durante a fertilização”, explica Caballero-Mancebo.

Carl Philipp Heisenberg no Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA). O grupo de pesquisa de biólogos celulares do ISTA estuda ascídias e peixes-zebra e tenta entender como grupos desorganizados de células se transformam em formas elaboradas à medida que se desenvolvem. Crédito da imagem: © Nadine Boncione/ISTA

Durante o fluxo da casca da actomiosina, o mioplasma dobra-se e forma numerosas fivelas devido às forças de atrito existentes entre os dois componentes. À medida que o movimento da actomiosina para, as forças de atrito também desaparecem. “Essa parada eventualmente leva à expansão do pólo de contração à medida que múltiplas fivelas mioplásmicas se dissolvem em uma saliência bem definida em forma de sino”, acrescenta Caballero-Mancebo.

O estudo fornece uma nova visão sobre como as forças mecânicas determinam a forma das células e do organismo. Mostra que as forças de atrito têm um papel fundamental na formação e formação de um organismo em desenvolvimento. No entanto, os cientistas estão apenas começando a compreender o papel específico da fricção no desenvolvimento embrionário. “O mioplasma também é interessante, porque também está envolvido em outros processos embrionários em ascetos, “acrescenta Heisenberg.” Explorar suas propriedades físicas incomuns e compreender como ele desempenha um papel na formação de ascídias será muito interessante. “

Referência: “As forças de fricção determinam a reorganização citoplasmática e as mudanças de forma dos oócitos após a fertilização” por Sylvia Caballero-Mancebo, Rushikesh Shinde, Madison Bolger-Munroe, Matilda Perozzo, Gregory Zipp, Irene Stikari, David LaBrosse-Arias, Vanessa Zaiden, Jack Mirren, Andrew Callan Jones, Rafael Voitoris e Carl Philipp Heisenberg, 9 de janeiro de 2024, Física da natureza.
doi: 10.1038/s41567-023-02302-1