A presença massiva de desordem e variabilidade desafia a metáfora tradicional do processo de desenvolvimento como um programa perfeitamente executado que conduz a mecanismos precisos em todos os níveis (1,2). No entanto, o resultado remaining — o organismo — permanece surpreendentemente complexo e notavelmente reprodutível. Este paradoxo despertou o interesse de Dimitri Fabrèges e Takashi Hiiragi. Naquela época, por volta de 2017, Takashi period líder do grupo de pesquisa no EMBL Heidelberg, e Dimitri period pós-doutorado em seu grupo. Começaram a explorar a ideia de desordem e variabilidade a partir de um ponto de vista provocador: em vez de minar a precisão do processo de desenvolvimento, a aleatoriedade e a variabilidade poderiam, na verdade, actuar como forças motrizes que asseguram a precisão e a reprodutibilidade.
Motivados por esta hipótese, os investigadores concentraram-se nas fases iniciais do desenvolvimento dos mamíferos; particularmente, no processo de clivagem inicial do embrião de camundongo, coelho e macaco, abrangendo as primeiras divisões celulares pós-fertilização até o estágio de 16 células. Uma primeira análise mostrou que os tempos de divisão de diferentes células no mesmo embrião estavam sendo progressivamente dessincronizados. Um momento essential nesta sequência é o Estágio de 8 células —ou seja, após 3 rodadas de divisão—, momento em que as células já se dividiam de forma bastante desorganizada. Devido a esta alta variabilidade, os pesquisadores descobriram que o início desta etapa foi caracterizado por um conjunto altamente heterogêneo de configurações de empacotamento celular. No entanto, essa variabilidade inicial é reduzida de forma suave, mas constante, ao longo do chamado processo de compactação, levando a uma estrutura esférica aparentemente comum no remaining do estágio. Tal estrutura garante que, na próxima rodada de divisões —ou seja, no estágio de 16 células—, haverá uma proporção adequada de células internas e externas. Alcançar esta proporção correta é essencial: as células internas darão origem ao próprio organismo, enquanto as células externas formarão a placenta e o materials extra-embrionário. Esta observação levantou uma questão desafiadora, nomeadamente, como se pode apoiar a afirmação intuitiva de que os embriões começam altamente heterogêneos, mas tornam-se notavelmente semelhantes com uma base mais rigorosa.
Este foi o desafio perfeito para Virginie Uhlmann, especialista em processamento de imagens biológicas que, na altura, acabava de começar como líder do grupo de investigação no EMBL-EBI, em Cambridge. Ela abordou esta questão desenvolvendo uma estrutura computacional avançada capaz de analisar e rastrear as mudanças geométricas na forma embrionária em grande detalhe. Esta abordagem conceituou o caminho de desenvolvimento de um embrião como uma trajetória dentro de um espaço de alta dimensão cujas coordenadas capturaram propriedades geométricas relevantes (3). O principal resultado foi que, de fato, as trajetórias exibiram disparidade inicial significativa, mas convergiram surpreendentemente ao remaining do processo de compactação em uma região explicit do espaço abstrato que caracterizou a geometria do embrião.
Qual estrutura estava representada nesta região? Porque é que esta estrutura específica parecia funcionar como o “alvo” do desenvolvimento? No início do inverno de 2018, o grupo de investigação de Takashi organizou um retiro na cidade costeira catalã de Sitges, reunindo vários grupos da ISTA. Entre os participantes estavam Edouard Hannezo, que acaba de abrir seu grupo de pesquisa como PI, e seu primeiro pós-doutorado, Bernat Corominas-Murtra —ambos físicos que trabalham com problemas biológicos. A noite estava ventosa e tempestuosa, e um pequeno café period o refúgio onde eles discutiram amplamente com Dimitri e Takashi sobre o desafio de identificar e explicar a estrutura emergente. Embora não tenha surgido uma solução imediata, Edouard e Bernat concluíram que period necessária uma caracterização estrutural mais profunda e simples – isto é, complementar a geométrico análise com um topológico um, eliminando todos os detalhes, exceto a estrutura bruta. Semanas depois, eles se depararam com uma publicação relativamente recente mostrando uma descoberta matemática importante: existem exatamente 13 maneiras diferentes de empacotar 8 esferas de modo que nenhuma delas exiba movimento independente. Este resultado forneceu a chave para definir um esquema de classificação: ou os embriões obedecem aproximadamente a uma destas 13 configurações de empacotamento, ou são disqueteo que significa que algumas células retêm movimento independente (4). Ao estabelecer uma noção adequada de “distância” entre os empacotamentos esféricos, os pesquisadores puderam classificar os embriões em vários momentos de desenvolvimento. A sua análise revelou que, embora a variabilidade fosse muito elevada no início da fase de 8 células, à medida que o processo de compactação progredia, os embriões convergiram consistentemente para estas estruturas de empacotamento semelhantes ao longo de caminhos de desenvolvimento semelhantes. Nesse ponto, a estrutura alvo foi identificada: o Embalagem D2d de 8 esferasna notação Schoenflies.
Como é que o embrião, sem qualquer ajuda externa, resolve este tipo de Cubo de Rubikou seja, transição de uma configuração celular arbitrária para uma configuração perfect específica por meio de sucessivos rearranjos celulares? Olhando para os dados empíricos, um observável destacou-se acima do outro devido à sua tendência clara: a adesão foi aumentando ao longo da compactação. Edouard sugeriu desafiar a hipótese simples de saber se esta ligeira mudança na adesão celular period suficiente para desencadear todos os rearranjos topológicos. A hipótese tem consequências profundas. Isto implica que um aumento na adesão celular poderia não apenas desencadear deformações dentro das células (ou seja, aumentar a superfície de contato, por exemplo), mas também reorganizações qualitativas de toda a massa celular embrionária de forma reprodutível. Simulações de computador mostraram que esse ligeiro aumento geneticamente codificado na adesão celular, juntamente com flutuações aleatórias significativas nas posições celulares —desordem—, estava paradoxalmente facilitando a transição de qualquer empacotamento arbitrário de células para a configuração única perfect. Esta hipótese destaca-se por ser a mais simples e, no caso do rato, permitiu até reproduzir in-silico as trajetórias de desenvolvimento de embriões reais. No caso do coelho e do macaco, o papel de outros agentes, como o zona pelúcida —uma membrana externa que pode exercer uma força de compressão no empacotamento celular— não poderia ser totalmente descartada.
Neste ponto, o enigma da convergência para uma configuração embrionária comum e adequada foi resolvido. No entanto, o papel da variabilidade temporal, que foi observada experimentalmente no início de todo o projeto e inspirou tudo, ainda não foi compreendido. Usando várias perturbações genéticas, os resultados concluíram surpreendentemente que a variabilidade inicial period na verdade obrigatório para alcançar uma convergência precisa. Em explicit, os embriões nos quais as divisões celulares ocorreram de forma mais sincronizada do que os do tipo selvagem apresentaram uma convergência mais fraca no remaining do processo de compactação, dificultando assim o desenvolvimento posterior do embrião. A provocadora hipótese de Takashi e Dimitri sobre o papel da estocasticidade provou-se assim totalmente consistente.
O caminho pesquisado não foi fácil: grande parte do projeto foi desenvolvida durante a pandemia da COVID-19. Por sua vez, durante o projeto, Dimitri e Takashi mudaram-se para Utrecht, para o Instituto Hubrecht, Virginie para a Universidade de Zurique e Bernat para a Universidade de Graz. Pesquisadores de diversas instituições1 forneceram seus conhecimentos nos múltiplos desafios que pavimentaram o alcance dos resultados e, como nos organismos vivos, a soma de diferentes expertises —biologia, física, matemática e ciência da computação— resultou em algo que foi muito mais do que a soma de suas partes. Como em qualquer pesquisa interdisciplinar aventureira, momentos de alegria e preocupação se alternavam, às vezes sem pausa entre eles… Em suma, esta pesquisa fornece uma interpretação nova e construtiva da impressionante quantidade de desordem observada ao longo dos estágios de desenvolvimento: quando associada às mudanças nas células mecânica, a interação entre eles pode levar a eventos de reorganização significativos e precisos dentro dos embriões, abrindo caminho para uma nova compreensão de como geometrias complexas e, em geral, padrões de organização surgem nos seres vivos. A desordem, portanto, longe de ser um problema com o qual o sistema tem de lidar, pode ser uma das principais forças que impulsionam a precisão do desenvolvimento do organismo.
Publicação:
Dimitri Fabrèges et al.A variabilidade temporal e a mecânica celular controlam a robustez na embriogênese de mamíferos. Ciência 386eadh1145 (2024)
Referências:
(1) M. Carlson, W. Reeves, M. Veeman, Estocástica e estereotipia na notocorda Ciona.Dev. Biol. 397248–256 (2015).
(2) R. Dumollard, N. Minc, G. Salez, SB Aicha, F. Bekkouche, C. Hebras, L. Besnardeau, A. McDougall, O padrão de clivagem invariante exibido pelos embriões de ascídias depende do posicionamento do fuso ao longo do maior eixo da célula no plano apical e depende de divisões celulares assíncronas. e-Vida 61–23 (2017).
(3) R. Delgado-Gonzalo, N. Chenouard, M. Unser, Elipsóides deformantes baseados em Spline para segmentação interativa de bioimagem 3D.IEEE Trans. Processo de imagem. 223926–3940 (2013).
(4) N. Arkus, VN Manoharan, deputado Brenner, Aglomerados de energia mínima de esferas duras com atrações de curto alcance.Física. Rev. 103118303 (2009).
1Outras instituições envolvidas:
Instituto de Estudos Avançados de Biologia Humana (WPI-ASHBi), Universidade de Kyoto, Kyoto, Japão.
Departamento de Biologia do Desenvolvimento, Escola de Pós-Graduação em Medicina, Universidade de Kyoto, Kyoto, Japão.
Centro de Pesquisa para Ciências da Vida Animal, Universidade de Ciências Médicas de Shiga, Shiga, Japão.
INRAE, BREED, Universidade Paris-Saclay, Jouy-en-Josas, França.
École Nationale Vétérinaire d’Alfort, BREED, Maisons-Alfort, França.
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