As células, os blocos de construção fundamentais da vida, são constantemente submetidas a uma variedade de forças mecânicas dentro de nossos corpos. Essas forças, que podem surgir de fontes internas e externas, desempenham papéis cruciais na regulação de processos celulares, como migração, diferenciação e desenvolvimento de tecidos.

Como uma equipe de pesquisa cativada pelo funcionamento intrincado das células, sempre fomos movidos pela questão fundamental de como as células percebem e respondem a esses estímulos mecânicos. Em um estudo publicado na Nature Communications , nossa equipe colaborativa da University of North Carolina em Chapel Hill, Duke University e Penn State College of Medicine revela um progresso significativo feito na revelação dos mecanismos moleculares que permitem que as células interpretem e reajam às forças mecânicas que encontram.

Imagine uma célula como uma cidade movimentada, com proteínas servindo como trabalhadoras que mantêm a cidade funcionando. Assim como uma cidade deve se adaptar às forças da natureza, como vento e chuva, as células devem se adaptar às forças mecânicas que elas experimentam dentro de nossos corpos. Essas forças podem vir de várias direções e desempenham papéis cruciais em processos como migração celular, desenvolvimento de tecidos e cicatrização de feridas.

Nosso estudo se concentrou em uma proteína chamada vinculina, que atua como um conector-chave entre o esqueleto interno da célula (citoesqueleto) e seu ambiente externo. Usamos uma combinação poderosa de modelagem computacional, engenharia de proteínas e técnicas avançadas de imagem para investigar como a vinculina detecta e responde a forças direcionais.

Para entender melhor o papel da vinculina na detecção de força direcional , considere um mecanismo de trava-fechadura de doca usando um modelo de mola. Imagine um barco (representando a actina) se aproximando de uma doca (representando a vinculina) com uma trava com mola. Conforme o barco se aproxima de uma direção, ele comprime a mola, permitindo que a trava se encaixe e prenda o barco. No entanto, se o barco se aproximar da direção oposta, a mola não se comprime da maneira correta e a trava não se encaixa.

Similarmente, a vinculina age como esse mecanismo de trava direcional. Quando forças são aplicadas em uma direção específica, a vinculina forma ligações mais fortes com filamentos de actina, muito parecido com a trava que prende o barco. Entretanto, quando forças vêm de outras direções, essas interações fortalecidas não ocorrem, similar a como a trava não se encaixaria se o barco se aproximasse da direção errada.

Essa capacidade de detecção de força direcional da vinculina permite que as células distingam e respondam a forças mecânicas vindas de diferentes direções, o que é crucial para processos como migração celular e desenvolvimento de tecidos.

Por meio de nossa abordagem inovadora, descobrimos resíduos de aminoácidos específicos na vinculina que formam interações de fortalecimento de força assimétricas direcionais (DAFS) com filamentos de actina, o principal componente estrutural do citoesqueleto. Esses resíduos de DAFS agem como pequenos sensores, permitindo que a vinculina detecte e responda a forças aplicadas em diferentes direções.

Para testar nossas descobertas, criamos variantes de vinculina sem esses resíduos DAFS e estudamos seus efeitos no comportamento celular. Notavelmente, células expressando essas vinculinas modificadas exibiram coordenação prejudicada entre adesões focais (os pontos de ancoragem da célula) e o citoesqueleto de actina, levando a defeitos na distribuição de cargas mecânicas e na capacidade das células de migrar de forma direcionada.

As implicações do nosso trabalho vão além da ciência básica. Ao entender como as células sentem e respondem a forças direcionais no nível molecular, podemos obter insights valiosos sobre processos como engenharia de tecidos, onde o controle preciso sobre o comportamento celular é crucial. Além disso, nossas descobertas podem lançar luz sobre os mecanismos por trás de doenças como o câncer, onde forças mecânicas desempenham um papel na progressão do tumor e na metástase.

À medida que continuamos a explorar o complexo mundo da mecanotransdução celular, estamos animados com as potenciais aplicações de nossa pesquisa. Ao aproveitar o poder da modelagem computacional e da biologia experimental , podemos desenvolver novas abordagens para manipular o comportamento celular e criar terapias inovadoras para uma ampla gama de doenças.

Nossa pesquisa forneceu novos insights sobre a base molecular da detecção de força direcional em células, destacando o papel crítico da vinculina e seus resíduos DAFS. À medida que continuamos a expandir os limites do nosso conhecimento, estamos otimistas de que nossas descobertas contribuirão para o desenvolvimento de novas estratégias para controlar o comportamento celular e, finalmente, melhorar a saúde humana.

Este estudo é apenas o começo de nossa jornada para desvendar os segredos de como as células interagem com seu ambiente mecânico. Estou ansioso por mais colaborações com meus colegas na área enquanto trabalhamos em direção a uma compreensão mais profunda desses processos biológicos fundamentais.