A pesquisa pode permitir o projeto de células sintéticas e ativadas pela luz para cicatrização de feridas ou 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 se mover e sacudir, levando a contrações que o fazem se espremer, apertar e eventualmente dividir. À medida que as células filhas seguem o exemplo da linha geracional, elas crescem, diferenciam e finalmente se organizam em um organismo totalmente formado.
Agora, os cientistas do MIT usaram a luz para controlar como uma única célula se transfer e se transfer durante seu primeiro estágio de desenvolvimento. A equipe estudou o movimento das células de ovos produzidas pelo Starfish – um organismo que os cientistas há muito usam como um modelo clássico para entender o crescimento e o desenvolvimento celular.
Os pesquisadores se concentraram em uma enzima chave que desencadeia uma cascata de movimento dentro de uma célula de ovo estrelais. Eles projetaram geneticamente uma versão sensível à luz da mesma enzima, que injetaram em células de ovos, e depois estimularam as células com diferentes padrões de luz.
Eles descobriram que a luz desencadeou com sucesso a enzima, que por sua vez levou as células a agitar e se mover em padrões previsíveis. Por exemplo, os cientistas poderiam estimular as células a exibir pequenas pitadas ou contrações abrangentes, dependendo do padrão de luz que induziam. Eles podiam até iluminar os pontos específicos em torno de uma célula para esticar sua forma de um círculo a um quadrado.
Seus resultados, aparecendo hoje no diário Nature PhysicsForneça aos cientistas uma nova ferramenta óptica para controlar a forma das células em seus primeiros estágios de desenvolvimento. Essa ferramenta, eles imaginam, poderiam orientar o design de células sintéticas, como células terapêuticas de “patch” que se contraem em resposta a sinais de luz para ajudar a fechar as feridas ou as células “transportadoras” que liberam seu conteúdo somente quando iluminadas em locais específicos do corpo. No geral, os pesquisadores veem suas descobertas como uma nova maneira de investigar como a vida toma forma de uma única célula.
“Ao revelar como um interruptor ativado pela luz pode remodelar as células em tempo actual, estamos descobrindo os princípios básicos de design sobre como os sistemas vivos se auto-organizam e evoluam”, diz o autor sênior do estudo, Nikta FakhriProfessor Associado de Física no MIT. “O poder dessas ferramentas é que elas estão nos guiando para decodificar todos esses processos de crescimento e desenvolvimento, para nos ajudar a entender como a natureza o faz.”
Os autores do MIT do estudo incluem o primeiro autor Jinghui Liu, Yu-chen chaoe Tzer Han Tan; Junto com Tom Burkart, Alexander Ziepke e Erwin Frey, da Universidade Maximiliana de Ludwig de Munique; John Reinhard, da Universidade Saarland; e S. Zachary Swartz, do Instituto Whitehead de Pesquisa Biomédica.
Circuito celular
Grupo de Fakhri Na MIT, estuda a dinâmica física que impulsiona o crescimento e o desenvolvimento celular. Ela está particularmente interessada em simetria e nos processos que governam como as células seguem ou quebram a simetria à medida que crescem e se dividem. A estrela do mar de cinco membros, diz ela, é um organismo best para explorar essas questões de crescimento, simetria e desenvolvimento inicial.
“Uma estrela do mar é um sistema fascinante porque começa com uma célula simétrica e se torna uma larva bilateralmente simétrica nos estágios iniciais e depois se desenvolve em simetria adulta pentameral”, diz Fakhri. “Portanto, há todos esses processos de sinalização que acontecem ao longo do caminho para dizer à célula como ela precisa se organizar”.
Os cientistas há muito estudam a estrela do mar e seus vários estágios de desenvolvimento. Entre muitas revelações, os pesquisadores descobriram um “circuito” importante dentro de uma célula de ovo estrelais que controla seu movimento e forma. Esse circuito envolve uma enzima, GEF, que circula naturalmente no citoplasma de uma célula. Quando essa enzima é ativada, ela induz uma alteração em uma proteína, chamada Rho, que é conhecida por ser essencial para common a mecânica celular.
Quando a enzima GEF estimula Rho, ela faz com que a proteína mude de um estado de flutuação essencialmente livre para um estado que liga a proteína à membrana da célula. Neste estado ligado à membrana, a proteína desencadeia o crescimento de fibras microscópicas e musculares que se afastam da membrana e posteriormente se contorcem, permitindo que a célula se contraia e se mova.
No trabalho anterior, o grupo de Fakhri mostrou que os movimentos de uma célula podem ser manipulados variando as concentrações de enzima GEF da célula: quanto mais enzima eles introduziam em uma célula, mais contrações a célula exibiria.
“Toda essa idéia nos fez pensar se é possível invadir esse circuito, não apenas alterar o padrão de movimentos de uma célula, mas obter uma resposta mecânica desejada”, diz Fakhri.
Luzes e ação
Para manipular com precisão os movimentos de uma célula, a equipe procurou optogenética – uma abordagem que envolve células geneticamente engenharia e componentes celulares, como proteínas e enzimas, de modo que elas se ativam em resposta à luz.
Usando técnicas optogenéticas estabelecidas, os pesquisadores desenvolveram uma versão sensível à luz da enzima GEF. A partir desta enzima projetada, eles isolaram seu mRNA – essencialmente, o plano genético para a construção da enzima. Eles então injetaram esse plano em células de ovo que a equipe colhia de um único ovário de estrela do mar, que pode conter milhões de células não fertilizadas. As células, infundidas com o novo mRNA, começaram a produzir enzimas GEF sensíveis à luz por conta própria.
Em experimentos, os pesquisadores colocaram cada célula de ovo com infusão de enzimas sob um microscópio e enfiaram luz na célula em diferentes padrões e em diferentes pontos ao longo da periferia da célula. Eles levaram vídeos dos movimentos da célula em resposta.
Eles descobriram que, quando apontavam a luz em pontos específicos, a enzima GEF ficou ativada e recrutou a proteína Rho para os locais direcionados à luz. Lá, a proteína desencadeou sua característica cascata de fibras musculares que puxaram ou apertaram a célula nos mesmos pontos estimulados pela luz. Assim como puxar as cordas de uma marionete, eles foram capazes de controlar os movimentos da célula, por exemplo, direcionando -a para se transformar em várias formas, incluindo um quadrado.
Surpreendentemente, eles também descobriram que poderiam estimular a célula a sofrer contrações abrangentes, iluminando uma luz em um único ponto, excedendo um certo limiar de concentração de enzimas.
“Percebemos que esse circuito de Rho-Gef é um sistema excitável, onde um estímulo pequeno e com o tempo pode desencadear uma resposta grande, tudo ou nada”, diz Fakhri. “Assim, podemos iluminar a célula inteira, ou apenas um lugar minúsculo na célula, de modo que a enzima suficiente seja recrutada para essa região para que o sistema seja iniciado para contratar ou beliscar por conta própria”.
Os pesquisadores compilaram suas observações e derivaram uma estrutura teórica para prever como a forma de uma célula mudará, dado que ela é estimulada com luz. A estrutura, diz Fakhri, abre uma janela para “a” excitabilidade “no coração da remodelação celular, que é um processo basic no desenvolvimento de embriões e na cicatrização de feridas”.
Ela acrescenta: “Este trabalho fornece um plano para projetar células sintéticas ‘programáveis’, permitindo que os pesquisadores orquestrem mudanças de forma à vontade para futuras aplicações biomédicas”.
Este trabalho foi apoiado, em parte, pela Sloan Basis e pela Nationwide Science Basis.
