Uma equipe da Universidade de Genebra descobriu as propriedades físicas que geram as ranhuras encontradas no nariz de muitos mamíferos.
Os narizes de muitos mamíferos, como cães, furões e vacas, apresentam sulcos formando uma infinidade de polígonos. Uma equipe da Universidade de Genebra analisou detalhadamente como esses padrões se formam no embrião, usando técnicas de imagem 3D e simulações computacionais. Os pesquisadores descobriram que o crescimento diferencial das camadas de tecido da pele leva à formação de cúpulas, que são suportadas mecanicamente pelos vasos sanguíneos subjacentes. Este trabalho descreve pela primeira vez este processo morfogenético, o que poderá ajudar a explicar a formação de outras estruturas biológicas associadas aos vasos sanguíneos. Essas descobertas são publicadas na revista Current Biology.
O mundo vivo está cheio de formas notáveis, algumas das quais podem ser identificadas pelos seus padrões de coloração ou motivos 3D. Zebras e chitas, por exemplo, podem ser reconhecidas pelas listras ou manchas na pele, enquanto as pinhas são caracterizadas pela organização em espiral. Estes padrões fascinantes são gerados por vários processos morfogenéticos, ou seja, a geração de formas durante o desenvolvimento embrionário.
Por um lado, a morfogênese auto-organizacional pode ser mediada por reações químicas, conforme descrito pelo modelo de reação-difusão de Alan Turing, onde as substâncias químicas se difundem e interagem para criar padrões relativamente regulares, como listras ou manchas na pele dos mamíferos e répteis. Por outro lado, algumas formas são o resultado de restrições mecânicas. As circunvoluções do cérebro humano, por exemplo, são produzidas por um processo de crescimento diferencial: o córtex forma dobras porque cresce mais rápido do que a camada mais profunda à qual está ligado.
A diversidade da vida
O grupo de Michel Milinkovitch, professor do Departamento de Genética e Evolução da Faculdade de Ciências da Universidade de Genebra, investiga a evolução dos mecanismos de desenvolvimento que produzem a complexidade e a diversidade da vida. “É fácil encontrar exemplos específicos de belos padrões em organismos vivos. Tudo o que precisamos fazer é olhar ao nosso redor! Nosso último estudo concentra-se nos narizes de cães, furões e vacas, que exibem uma rede singular de estruturas poligonais”, explica Michel Milinkovitch.
Na verdade, a pele nua do rinário (nariz) de muitas espécies de mamíferos apresenta uma rede de polígonos formados por sulcos na pele. Ao reter a umidade, essas ranhuras mantêm o nariz úmido e, entre outras funções, facilitam a coleta de feromônios e moléculas odoríferas. A equipe sediada em Genebra colaborou com a Université Paris-Saclay, a École Nationale Vétérinaire d’Alfort (EnvA) e o Instituto de Neurociências de San Juan de Alicante para a coleta de amostras de rinário de embriões de cães, vacas e furões.
Visualização 3D do nariz
Essas amostras foram observadas por meio de “microscopia de fluorescência light sheet”, técnica que permite a visualização de estruturas biológicas em três dimensões. Nas três espécies de mamíferos, os pesquisadores descobriram que redes poligonais de dobras na epiderme – a camada externa da pele – aparecem durante a embriogênese e são sistematicamente e exatamente sobrepostos a uma rede subjacente de vasos sanguíneos rígidos localizados na derme – a camada mais profunda da pele. Eles também observaram que as células epidérmicas proliferam mais rapidamente do que as células dérmicas.
Os núcleos das células em cinza destacam a camada basal da epiderme, enquanto a autofluorescência em verde destaca a superfície epidérmica e os vasos sanguíneos. ©Dagenais, Milinkovitch
Os vasos sanguíneos formam “pilares arquitetônicos”
Usando esses dados, os cientistas desenvolveram um modelo matemático e realizaram simulações computacionais do crescimento dos tecidos. Este modelo leva em consideração a diferença nas taxas de crescimento entre a derme e a epiderme, suas respectivas rigidez e, mais importante, a presença de vasos sanguíneos na derme. ”Nossas simulações numéricas mostram que o estresse mecânico gerado pelo crescimento epidérmico excessivo está concentrado nas posições dos vasos subjacentes, que formam pontos de suporte rígidos. As camadas epidérmicas são então empurradas para fora, formando cúpulas – semelhantes a arcos que se erguem contra pilares rígidos”, explica Paule Dagenais, pós-doutorado no Departamento de Genética e Evolução da Faculdade de Ciências da Universidade de Genebra, e primeiro autor do estudar.
Estes resultados mostram que, no caso da rinária, a posição das estruturas poligonais da epiderme é imposta pela posição dos vasos sanguíneos rígidos da derme, que exercem restrições locais durante o crescimento epidérmico, levando à formação de sulcos e cúpulas em locais precisos. ”Esta é a primeira vez que este mecanismo, que chamamos de ‘informação posicional mecânica’, foi descrito para explicar a formação de estruturas durante o desenvolvimento embrionário. Mas estamos confiantes de que ajudará a explicar a formação de outras estruturas biológicas associadas à presença de vasos sanguíneos”, conclui Michel Milinkovitch.