O fluxo citoplasmático é o movimento em grande escala do citoplasma (ou seja, líquido gelatinoso dentro das células) dentro de uma célula viva. Este fluxo, conhecido por regular vários processos intracelulares, pode variar muito entre diferentes tipos de células em diferentes estágios do desenvolvimento de uma célula. Examinar e modelar os diferentes tipos de fluxos citoplasmáticos pode nos ajudar a entender como eles surgem em tipos específicos de células.

Estudos anteriores examinaram principalmente fluxos citoplasmáticos em células grandes onde, muitas vezes se argumenta, a difusão é muito lenta para permitir processos biológicos que os organismos precisam realizar (por exemplo, desenvolvimento de um óvulo ou de um embrião, ou em grandes células vegetais).

Como resultado desta difusão lenta, o fluxo permite uma distribuição mais rápida dos componentes celulares. Nos primeiros oócitos de mosca (isto é, óvulos em desenvolvimento), por exemplo, o fluxo citoplasmático parece aleatório, enquanto em estágios posteriores de desenvolvimento, onde o oócito é maior, eles podem aparecer em grande escala e rotacionais.

Pesquisadores do Flatiron Institute, com base em trabalhos anteriores, introduziram recentemente uma estratégia de modelagem versátil que pode ser usada para estudar o fluxo citoplasmático auto-organizado em sistemas compostos por fibras deformáveis acopladas hidrodinamicamente.

Este modelo, introduzido na Nature Physics e em colaboração com cientistas das universidades de Princeton e Northwestern, foi combinado com dados coletados em experimentos no oócito de Drosophila (isto é, mosca da fruta) para reunir insights sobre o fluxo citoplasmático auto-organizado.

“Há algum tempo venho trabalhando nas áreas gerais de matéria biologicamente ativa, mecânica intracelular e fluidos complexos”, disse Michael J. Shelley, coautor do artigo, ao Phys.org. “O problema abordado em nosso artigo recente combina todas essas áreas, cada uma das quais eu realmente gosto.

"Aprendi sobre esse problema específico de fluxos em oócitos com meu amigo Ray Goldstein e percebi que um trabalho anterior com meu colega da Flatiron, David Stein, poderia ser adaptado para entender algo sobre o problema dos oócitos. Foi o que aconteceu, e David e eu trabalhamos juntos com Ray e seus colegas em Cambridge em um primeiro modelo 2D muito simplificado ." Esse trabalho foi publicado na Physical Review Letters em 2021.

Pesquisadores do Flatiron Institute já haviam desenvolvido várias ferramentas para estudar a hidrodinâmica dos microtúbulos em movimento, biopolímeros rígidos que são um elemento central do citoesqueleto da célula. Shelley, Stein e seus colegas Reza Farhadifar, Sayantan Dutta e Stas Shvartsman planejaram usar essas ferramentas numéricas para estudar o início de fluxos citoplasmáticos auto-organizados em células 3D.

“O objetivo principal do nosso estudo recente foi fornecer um modelo mínimo, mas não mínimo, invocando apenas microtúbulos, motores moleculares e citoplasma que pudesse explicar observações experimentais e ajudar a fazer previsões”, explicou Shelley.

O recente estudo realizado por Shelley e seus colegas combina teorias físicas e matemáticas com resultados experimentais. Os pesquisadores começaram criando um modelo que poderiam então usar para simular o fluxo citoplasmático auto-organizado no oócito de Drosophila.

"Escrevemos um modelo matemático para as tensões que os motores moleculares criam ao se moverem sobre um microtúbulo", disse Shelley. "Este modelo deve permitir que o microtúbulo se dobre sob cargas e que sua curvatura mova o citoplasma, o que afeta a curvatura de outros microtúbulos. Em seguida, usei um software de alta qualidade - aqui chamado SkellySim - que permite simular alguns milhares de tais microtúbulos interagindo empurrando coletivamente o fluido à medida que se dobram coletivamente."

Depois de desenvolver seu modelo e executar simulações, Shelley e seus colegas realizaram experimentos em oócitos de Drosophila. Primeiramente, eles usaram microscopia de luz para examinar os movimentos citoplasmáticos nos óvulos em desenvolvimento e, em seguida, analisaram os dados coletados usando velocimetria de imagem de partículas para reconstruir os campos de velocidade citoplasmática.

"Nosso artigo fornece um exemplo claro de como, com poucos ingredientes, como um sistema de transporte em grande escala (ou seja, o fluxo de fluxo ) poderia emergir na célula a partir das interações de apenas alguns componentes (ou seja, microtúbulos, motores). e citoplasma)", disse Shelley. “A beleza está na sua robustez, já que em grande parte do espaço de parâmetros que controla o modelo, o sistema só quer formar um twister. Este é um grande exemplo, penso eu, de auto-organização biológica para realizar uma tarefa.”

Notavelmente, usando o seu modelo, os investigadores também foram capazes de prever o efeito da forma da célula na orientação dos twisters. Suas previsões sugerem que, embora a dinâmica do fluxo citoplasmático em oócitos de Drosophila possa ser incrivelmente complexa, eles resultam em um estado final simples (ou seja, um twister).

As descobertas reunidas por Shelley e seus colaboradores poderão em breve abrir caminho para novas explorações do fluxo citoplasmático, concentrando-se especificamente neste simples estado de twister. Isto poderia levar a novas descobertas interessantes sobre a física que sustenta os processos vitais nas células biológicas.

“Este trabalho demonstrou o poder que a computação de alto desempenho e os algoritmos modernos podem trazer para a compreensão dos fenômenos biofísicos”, acrescentou Shelley. “Em nossos próximos estudos, planejamos explorar como esses fluxos twister misturam componentes através da célula ou permitem sua entrega de um ponto a outro.

"Existem outros sistemas de transporte dentro dos oócitos, como os canais em anel, que são muito interessantes. Geralmente estou interessado nas diversas maneiras pelas quais o citoesqueleto celular se organiza para realizar as tarefas celulares."