Nova estrutura matemática lança luz sobre como as células se comunicam para formar o embrião
Os processos biológicos dependem da união e interação de peças do quebra-cabeça. Sob condições específicas, estas interações podem criar algo novo sem contribuição externa. Isso é chamado de auto-organização, como visto em um cardume de peixes ou em um bando de pássaros. Curiosamente, o embrião dos mamíferos desenvolve-se de forma semelhante. Em PNASDavid Brückner e Ga¨per Tkacik do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA) apresentam uma estrutura matemática que analisa a auto-organização de uma única célula a um organismo multicelular.
Quando um embrião se desenvolve, muitos tipos de células com funções diferentes precisam ser gerados. Por exemplo, algumas células farão parte do olho e registrarão estímulos visuais, enquanto outras farão parte do intestino e ajudarão a digerir os alimentos. Para determinar suas funções, as células se comunicam constantemente umas com as outras por meio de sinais químicos.
Graças a esta comunicação, durante o desenvolvimento, tudo fica bem sincronizado e coordenado, mas ainda não existe um controle central responsável por isso. O coletivo celular é auto-organizado e orquestrado pelas interações entre os indivíduos. Cada célula reage aos sinais de seus vizinhos. Com base nessa auto-organização, o embrião mamífero se desenvolve a partir de um único óvulo fertilizado em um organismo multicelular.
David Brückner e Ga¨per Tkacik do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA) estabeleceram agora uma estrutura matemática que ajuda a analisar este processo e prever os seus parâmetros ideais. Publicado em PNAS, esta abordagem representa uma linguagem matemática unificadora para descrever a auto-organização biológica no desenvolvimento embrionário e além.
O embrião que se automonta
Na natureza, a auto-organização está ao nosso redor: podemos observá-la em cardumes de peixes, bandos de pássaros ou coletivos de insetos, e até mesmo em processos microscópicos regulados por células. O bolsista NOMIS e pós-doutorado no ISTA David Brückner está interessado em obter uma melhor compreensão desses processos do ponto de vista teórico. Seu foco está no desenvolvimento embrionário – um processo complexo governado pela genética e pelas células que se comunicam entre si.
Durante o desenvolvimento embrionário, uma única célula fertilizada se transforma em um embrião multicelular contendo órgãos com muitas características diferentes. “Durante muitas etapas deste processo de desenvolvimento, o sistema não possui nenhum sinal extrínseco que o oriente sobre o que fazer. Existe uma propriedade intrínseca do sistema que lhe permite estabelecer padrões e estruturas”, diz Brückner. “A propriedade intrínseca é conhecida como auto-organização.” Mesmo com fatores imprevisíveis – que os físicos chamam de “ruído” – os padrões embrionários são formados de forma confiável e consistente. Nos últimos anos, os cientistas obtiveram uma compreensão mais profunda dos detalhes moleculares que impulsionam este processo complexo. Faltava, no entanto, um quadro matemático para analisar e quantificar o seu desempenho. A linguagem da teoria da informação fornece respostas.
Unindo experiência
“A teoria da informação é uma linguagem universal para quantificar a estrutura e a regularidade em conjuntos estatísticos, que são uma coleção de réplicas do mesmo processo. O desenvolvimento embrionário pode ser visto como um processo que gera de forma reprodutível organismos funcionais que são muito semelhantes, mas não idênticos, ” diz Ga¨per Tkacik, professor do ISTA e especialista na área. Há muito tempo, Tkacik estuda como a informação é processada em sistemas biológicos, por exemplo, no embrião da mosca. “No embrião inicial da mosca, os padrões não são auto-organizados”, continua ele. “A mosca-mãe coloca substâncias químicas no óvulo que instruem as células sobre quais ações tomar”. Como o grupo Tkacik já tinha desenvolvido uma estrutura para este sistema, Brückner procurou desenvolver uma também para o embrião de mamíferos. “Com a experiência de Ga¨per em teoria da informação, conseguimos juntar tudo”, acrescenta Brückner com entusiasmo.
Além do desenvolvimento embrionário?
Durante o desenvolvimento embrionário, as células trocam sinais e estão constantemente sujeitas a flutuações aleatórias e imprevisíveis (ruído). Portanto, as interações celulares devem ser robustas. A nova estrutura mede como essas interações são possivelmente otimizadas para resistir ao ruído. Usando simulações computacionais de células em interação, os cientistas exploraram as condições sob as quais um sistema ainda pode ter um resultado final estável, apesar da introdução de flutuações.
Embora a estrutura tenha provado ser bem-sucedida em três modelos de desenvolvimento diferentes, todos baseados em sinalização química e mecânica, será necessário trabalho adicional para aplicá-la a gravações experimentais de sistemas de desenvolvimento. “No futuro, queremos estudar modelos mais complexos, com mais parâmetros e dimensões”, diz Tkacik. “Ao quantificar modelos mais complexos, poderíamos também aplicar a nossa estrutura a padrões de sinais químicos medidos experimentalmente em embriões em desenvolvimento”, acrescenta Brückner. Para tanto, os dois cientistas teóricos se unirão a experimentalistas.
Publicação:
David Brückner e Ga¨per Tkacik. 2024. Conteúdo de informação e otimização de sistemas de desenvolvimento auto-organizados. PNAS. DOI: 10.1073/pnas.2322326121