Quando uma célula-ovo de praticamente qualquer tipo de espécie de reprodução sexuada é fertilizada, ela dispara uma cadeia de ondas que se propagam pela área da superfície do ovo. Essas ondas são criadas por bilhões de proteínas ativadas que sobem através da camada da membrana do ovo como fluxos de pequenas sentinelas, indicando que o ovo começa a se dividir, dobrar e se separar novamente para formar as sementes celulares iniciais de um organismo.

Agora, os pesquisadores do MIT obtiveram uma visão detalhada do padrão dessas ondas geradas na superfície dos ovos de estrelas do mar. Esses ovos são grandes e também, por essa razão, fáceis de observar, e os cientistas consideram os ovos de estrelas do mar representativos dos ovos de inúmeras outras espécies animais.

Em cada ovo, o grupo introduziu uma proteína para emular o início da fertilização e registrou o padrão de ondas que ondulam na sua superfície em resposta. Eles observaram que cada onda surgia em um padrão espiral e que várias espirais giravam sobre a superfície de um ovo de cada vez. Algumas espirais apareceram automaticamente e giraram em direções opostas, enquanto outras colidiram de frente e desapareceram instantaneamente.

Os pesquisadores entenderam que o comportamento dessas ondas giratórias se assemelha às ondas produzidas em outros sistemas aparentemente não relacionados, como os vórtices nos líquidos quânticos, as circulações na atmosfera, nos oceanos e os sinais elétricos que viajam pelo coração e cérebro.

“Muito pouco se aprendeu sobre a dinâmica dessas ondas de superfície em ovos e, depois que começamos a avaliar e modelar essas ondas, descobrimos que esses mesmos padrões aparecem em todos esses outros sistemas”, afirma o físico Nikta Fakhri, o Thomas D. e Virginia W. Cabot Professora Assistente do MIT. “É uma exibição desse padrão de onda universal.”

“Isso abre um ponto de vista inteiramente novo”, inclui Jörn Dunkel, professor associado de matemática no MIT. “Você pode adotar muitas técnicas que as pessoas desenvolveram para examinar padrões semelhantes em vários outros sistemas, para descobrir algo sobre a biologia.”

Na revista Nature Physics, Fakhri e Dunkel publicaram os seus resultados em 7 de março. Os seus co-autores são Tzer Han Tan, Jinghui Liu, Pearson Miller e Melis Tekant do MIT.

Encontrando o seu centro

Pesquisas anteriores revelaram que fertilizar um óvulo ativa Rho-GTP imediatamente, uma proteína no óvulo que normalmente circula pelo citoplasma da célula num estado inativo. Quando ativadas, bilhões de proteínas sobem do pântano do citoplasma para se afixar na camada da membrana do ovo, torcendo-se ao longo da parede em ondas.

“Visualize se você tem um aquário sujo, e quando um peixe nada perto do vidro, você pode vê-lo”, Dunkel comenta. “Da mesma forma, as proteínas estão em algum lugar na célula, assim como quando são ativadas, elas se fixam na membrana e você começa a vê-las se moverem”.

Fakhri diz que as ondas de proteínas que cruzam a membrana do ovo servem, em parte, para organizar a divisão celular em torno do núcleo da célula.

“O ovo é uma célula grande e essas proteínas precisam colaborar para encontrar o seu centro, para garantir que a célula saiba onde se dividir e se dobrar, muitas vezes, para formar um organismo”, afirma Fakhri. “Sem essas proteínas criando ondas, a divisão celular não ocorreria.”

A sua pesquisa concentrou-se no tipo ativo de Rho-GTP e no padrão de ondas geradas na área da superfície de um ovo quando eles mudaram a concentração da proteína.

Para as suas experiências, eles obtiveram cerca de dez óvulos de ovários de estrelas do mar com cirurgia minimamente invasiva. Eles administraram uma hormona para estimular a maturação e infundiram marcadores fluorescentes para se ligarem a qualquer tipo ativo de Rho-GTP que aumentasse em resposta. Eles então observaram cada ovo através de uma lente microscópica confocal. Eles observaram bilhões de proteínas ativadas e onduladas por toda a superfície do ovo em resposta a diferentes concentrações da proteína da hormona artificial.

“Desta forma, desenvolvemos um caleidoscópio de diferentes padrões e observamos as suas características resultantes”, diz Fakhri.

Pista de furacão

Os cientistas primeiro montaram vídeos em preto e branco de cada ovo, mostrando as ondas brilhantes que atravessaram a sua superfície. Quanto mais brilhante for uma região numa onda, maior será a concentração de Rho-GTP nessa região específica. Para cada videoclipe, eles compararam o brilho ou a concentração de proteína de píxel a píxel e utilizaram essas comparações para produzir uma animação dos mesmos padrões de onda.

O grupo observou que as ondas pareciam oscilar para fora como minúsculas espirais como furacões no seu vídeo. Os cientistas traçaram a origem de cada onda até o núcleo de cada espiral, que eles chamam “defeito topológico”. Por curiosidade, eles próprios acompanharam o movimento desses defeitos. Eles fizeram algumas avaliações estatísticas para estabelecer precisamente a velocidade com que defeitos específicos cruzavam a área da superfície de um ovo, bem como com que frequência e em quais configurações as espirais surgiam, colidiam e desapareciam.

Numa reviravolta inesperada, eles descobriram que os seus resultados estatísticos e o comportamento das ondas na superfície de um ovo eram iguais ao comportamento das ondas em outros sistemas maiores e relativamente não relacionados.

“Quando você vê as estatísticas desses problemas, é basicamente como os mesmos vórtices num fluido, ou ondas no cérebro, ou sistemas numa escala maior”, diz Dunkel. “É o mesmo fenómeno universal, apenas reduzido ao nível de uma célula.”

Os cientistas estão especialmente interessados ​​na semelhança das ondas com os conceitos da computação quântica. Assim como o padrão de ondas num ovo transmite sinais específicos, nessa situação de divisão celular, o computador quântico é um campo que pretende manipular átomos num fluido em padrões precisos para converter informações e realizar cálculos.

“Talvez agora possamos pegar emprestado ideias de fluidos quânticos para desenvolver minicomputadores a partir de células biológicas”, afirma Fakhri. “Esperamos algumas distinções, mas certamente tentaremos explorar [as ondas de sinalização biológica] ainda mais como uma ferramenta de computação”.

Este estudo foi apoiado, em parte, pela James S. McDonnell Structure, a Alfred P. Sloan Foundation e a National Science Foundation.

Originalmente publicado no MIT NEWS . Leia o artigo original.