A vida toma forma com o movimento de uma única célula. Em resposta a sinais de certas proteínas e enzimas, uma célula pode começar a se mover e tremer, levando a contrações que a fazem apertar, beliscar e, eventualmente, se dividir. À medida que as células-filhas seguem o exemplo ao longo da linha geracional, elas crescem, se diferenciam e, finalmente, se organizam em um organismo totalmente formado.

Agora, cientistas do MIT usaram luz para controlar como uma única célula balança e se move durante seu estágio inicial de desenvolvimento. A equipe estudou o movimento de óvulos produzidos por estrelas-do-mar — um organismo que os cientistas usam há muito tempo como um modelo clássico para entender o crescimento e o desenvolvimento celular.

Os pesquisadores se concentraram em uma enzima-chave que desencadeia uma cascata de movimento dentro de uma célula-ovo de estrela-do-mar. Eles projetaram geneticamente uma versão sensível à luz da mesma enzima, que injetaram em células-ovo e, então, estimularam as células com diferentes padrões de luz.

Eles descobriram que a luz acionou com sucesso a enzima, o que por sua vez levou as células a tremerem e se moverem em padrões previsíveis. Por exemplo, os cientistas puderam estimular as células a exibirem pequenas pinças ou contrações amplas, dependendo do padrão de luz que induziram. Eles puderam até mesmo lançar luz em pontos específicos ao redor de uma célula para esticar sua forma de um círculo para um quadrado.

Seus resultados, que aparecem hoje no periódico Nature Physics , fornecem aos cientistas uma nova ferramenta óptica para controlar o formato das células em seus estágios iniciais de desenvolvimento. Tal ferramenta, eles imaginam, poderia orientar o design de células sintéticas, como células terapêuticas "patch" que se contraem em resposta a sinais de luz para ajudar a fechar feridas, ou células "transportadoras" de entrega de medicamentos que liberam seus conteúdos apenas quando iluminadas em locais específicos do corpo. No geral, os pesquisadores veem suas descobertas como uma nova maneira de sondar como a vida toma forma a partir de uma única célula.

“Ao revelar como um interruptor ativado por luz pode remodelar células em tempo real, estamos descobrindo princípios básicos de design para como os sistemas vivos se auto-organizam e evoluem”, diz a autora sênior do estudo, Nikta Fakhri, professora associada de física no MIT. “O poder dessas ferramentas é que elas estão nos guiando para decodificar todos esses processos de crescimento e desenvolvimento, para nos ajudar a entender como a natureza faz isso.”

Os autores do estudo no MIT incluem o primeiro autor Jinghui Liu, Yu-Chen Chao e Tzer Han Tan; juntamente com Tom Burkart, Alexander Ziepke e Erwin Frey da Universidade Ludwig Maximilian de Munique; John Reinhard da Universidade Saarland; e S. Zachary Swartz do Instituto Whitehead de Pesquisa Biomédica.

O grupo de Fakhri no MIT estuda a dinâmica física que impulsiona o crescimento e o desenvolvimento das células. Ela está particularmente interessada em simetria e nos processos que governam como as células seguem ou quebram a simetria à medida que crescem e se dividem. A estrela-do-mar de cinco membros, ela diz, é um organismo ideal para explorar tais questões de crescimento, simetria e desenvolvimento inicial.

Cientistas estudam há muito tempo a estrela-do-mar e seus vários estágios de desenvolvimento. Entre muitas revelações, pesquisadores descobriram um "circuito" chave dentro de uma célula-ovo de estrela-do-mar que controla seu movimento e forma. Esse circuito envolve uma enzima, GEF, que circula naturalmente no citoplasma de uma célula. Quando essa enzima é ativada, ela induz uma mudança em uma proteína, chamada Rho, que é conhecida por ser essencial para regular a mecânica celular.

Quando a enzima GEF estimula Rho, ela faz com que a proteína mude de um estado essencialmente flutuante para um estado que liga a proteína à membrana da célula. Nesse estado ligado à membrana, a proteína então desencadeia o crescimento de fibras microscópicas, semelhantes a músculos, que se estendem pela membrana e subsequentemente se contraem, permitindo que a célula se contraia e se mova. 

Em trabalhos anteriores, o grupo de Fakhri mostrou que os movimentos de uma célula podem ser manipulados pela variação das concentrações da enzima GEF na célula: quanto mais enzima eles introduziam em uma célula, mais contrações a célula apresentava.

“Toda essa ideia nos fez pensar se seria possível hackear esse circuito, não apenas para mudar o padrão de movimentos de uma célula, mas também para obter uma resposta mecânica desejada”, diz Fakhri.

Para manipular com precisão os movimentos de uma célula, a equipe recorreu à optogenética — uma abordagem que envolve a engenharia genética de células e componentes celulares, como proteínas e enzimas, para que sejam ativados em resposta à luz.

Usando técnicas optogenéticas estabelecidas, os pesquisadores desenvolveram uma versão sensível à luz da enzima GEF. A partir dessa enzima projetada, eles isolaram seu mRNA — essencialmente, o projeto genético para construir a enzima. Eles então injetaram esse projeto em óvulos que a equipe coletou de um único ovário de estrela-do-mar, que pode conter milhões de células não fertilizadas. As células, infundidas com o novo mRNA, então começaram a produzir enzimas GEF sensíveis à luz por conta própria.

Em experimentos, os pesquisadores então colocaram cada célula-ovo infundida com enzima sob um microscópio e lançaram luz sobre a célula em diferentes padrões e de diferentes pontos ao longo da periferia da célula. Eles fizeram vídeos dos movimentos da célula em resposta.

Eles descobriram que quando miravam a luz em pontos específicos, a enzima GEF era ativada e recrutava a proteína Rho para os locais alvos da luz. Lá, a proteína então disparava sua cascata característica de fibras musculares que puxavam ou beliscavam a célula nos mesmos pontos estimulados pela luz. Assim como puxar as cordas de uma marionete, eles conseguiam controlar os movimentos da célula, por exemplo, direcionando-a para se transformar em várias formas, incluindo um quadrado.

Surpreendentemente, eles também descobriram que podiam estimular a célula a passar por contrações radicais ao iluminar um único ponto com uma luz, excedendo um certo limite de concentração de enzimas.

“Percebemos que esse circuito Rho-GEF é um sistema excitável, onde um estímulo pequeno e bem cronometrado pode desencadear uma grande resposta do tipo tudo ou nada”, diz Fakhri. “Então podemos iluminar a célula inteira, ou apenas um pequeno lugar na célula, de modo que enzima suficiente seja recrutada para essa região para que o sistema seja estimulado a se contrair ou beliscar por conta própria.”

Os pesquisadores compilaram suas observações e derivaram uma estrutura teórica para prever como o formato de uma célula mudará, dado como ela é estimulada com luz. A estrutura, diz Fakhri, abre uma janela para “a 'excitabilidade' no coração da remodelação celular, que é um processo fundamental no desenvolvimento embrionário e na cicatrização de feridas.”

Ela acrescenta: “Este trabalho fornece um modelo para projetar células sintéticas 'programáveis', permitindo que os pesquisadores orquestrem mudanças de forma à vontade para futuras aplicações biomédicas.”

Este trabalho foi apoiado, em parte, pela Fundação Sloan e pela Fundação Nacional de Ciências.