Amrinder Nain é professor associado do Departamento de Engenharia Mecânica, mas não constrói carros ou robôs. A mecânica que ele defende são os pequenos blocos de construção da vida e como eles se comportam e se movem.
A pesquisa em dinâmica celular estuda as células vivas e sua vida, morte, divisão e multiplicação. Nos últimos anos, Nain fez muitas viagens pelas estradas microscópicas onde as células vivem. Seu trabalho anterior analisou como as células se movem e até incluiu projetos com colegas para medir as forças celulares e as formas dos núcleos e para eletrificar as células e observar como elas se curam.
Uma célula dividida é como estamos
Sua última colaboração investiga como as células se dividem, particularmente no ambiente fibroso do tecido vivo. As células são normalmente estudadas em um ambiente plano, e a diferença entre paisagens planas e fibrosas abre novas janelas para o comportamento das células e as doenças que as afetam. As descobertas foram publicadas no Anais da Academia Nacional de Ciências em 27 de fevereiro. O trabalho recebeu financiamento da National Science Foundation e apoio do Virginia Tech Institute for Critical Technology and Applied Science e do Virginia Tech Macromolecules Innovation Institute.
A divisão celular, chamada mitose, é essencial para o desenvolvimento, reparo e biologia da doença. Uma célula, em seu nível mais fundamental, duplica seus cromossomos, que são então separados e distribuídos igualmente entre duas células-filhas, cada uma com seu próprio conjunto completo de informações genéticas. À medida que novas células desempenham a mesma função repetidamente, elas formam órgãos, curam feridas e substituem células mortas, sustentando o ciclo de tecidos e órgãos saudáveis.
Mas a divisão celular nem sempre acontece tão suavemente. Às vezes, as células se dividem de maneira desigual ou os cromossomos podem se dividir de maneira desigual. Quando essas falhas ocorrem, a célula resultante continuará a duplicar cópias de seu eu defeituoso, criando defeitos genéticos que podem causar problemas generalizados em um corpo vivo. Essas anormalidades são responsáveis por muitos defeitos congênitos pré-natais e podem contribuir para a origem do câncer.
Uma melhor compreensão da mitose celular aumenta nossas chances de diagnosticar, tratar e prevenir esses defeitos mitóticos. A descoberta de Nain coloca informações valiosas nas mãos dos pesquisadores, pintando um quadro completo do que está acontecendo no nível celular dentro do ambiente fibroso do corpo.
Movimento, multiplicação e divisão
No nível microscópico, as células se movem por meio de uma matriz extracelular (ECM), uma estrutura tridimensional de material orgânico que fornece a estrutura para as células formarem órgãos, sustentando uma base sólida que os mantém unidos.
A pesquisa fundamental de Nain se concentra em recriar e estudar essa estrutura, e os estudos anteriores de sua equipe sobre movimento celular mostraram como as células viajam ao longo dela. Para uma única fibra, uma célula se puxa em cada extremidade, andando na fibra como uma corda bamba. Duas fibras paralelas permitem que a célula duplique essas conexões.
Uma célula em divisão também faz uso das fibras ao seu redor. Para uma única fibra, cada extremidade da célula adere e puxa para criar a divisão. Se uma célula estiver em um ambiente com várias fibras, provavelmente também se conectará a elas. O ECM pode cruzar acima e abaixo da célula, fornecendo uma teia tridimensional na qual as células se conectam.
O número de fibras disponíveis para as células se ligarem afeta o tempo da divisão celular e os tipos de defeitos que uma célula pode produzir. As células demoram mais para se dividir em fibras individuais e os erros mitóticos mudam com mais anexos, criando uma imagem complexa das inúmeras maneiras pelas quais uma célula pode falhar.
Esta descoberta afeta pesquisas futuras porque a visão complexa dos erros de divisão celular não foi previamente investigada em ambientes fibrosos.
Uma nova dimensão para a pesquisa
“A biologia celular tem sido predominantemente estudada em uma placa de Petri, que é uma superfície plana e bidimensional”, disse Nain. “Flat 2D é limitado na produção fisiológica porque há muito poucos lugares no corpo onde o ambiente pode ser considerado bidimensional.”
A equipe descobriu que a observação de células no ambiente 3D de um ECM produziu novos resultados além da capacidade das placas de Petri 2D. Neste trabalho, a equipe fez uma pergunta central: como o formato de uma célula afeta seu comportamento de divisão?
A forma da célula depende de como uma célula adere aos substratos subjacentes. Por exemplo, em uma placa de Petri plana e bidimensional, uma célula se assemelha a uma panqueca. Em um ambiente fibroso como um ECM, as formas variam de aerofólios alongados a pipas, dependendo do número de fibras e sua arquitetura. Enquanto uma célula pode aderir acima e abaixo do plano da fibra em fibras suspensas, uma superfície plana faz com que a célula se achate e forme conexões externas. Esse achatamento faz com que a célula se comporte de maneira diferente quando se enrola e se divide.
Esquema de um corpo celular arredondado ligado a uma única fibra e mantido por cabos de fibra de retração de actina (vermelho) conectando grupos de adesão (verde) com o córtex celular (azul). Imagem cortesia de Amrinder Nain.
À medida que um corpo celular arredondado se divide, ele é mantido no lugar por cabos orgânicos que prendem o corpo celular, ou córtex, às fibras. Em fibras simples, os corpos celulares esféricos quase perfeitos são mantidos no lugar por dois conjuntos de cabos, dando liberdade máxima para o corpo arredondado da célula se mover em 3D. À medida que o número de fibras na rede aumenta, também aumenta o número de locais aos quais uma célula pode aderir. Isso resulta em múltiplos complexos de cabos que limitam o movimento 3D do corpo arredondado da célula.
Este simples efeito mecânico destaca a diferença significativa entre a placa de Petri e o ECM. Em uma placa de Petri, os defeitos monopolares do fuso, que representam a separação incompleta dos polos do fuso (ou centrossoma), não ocorrem com frequência. No entanto, quando uma célula está em um ambiente de fibra única com dois locais de fixação de cabos, os defeitos do fuso monopolar aumentam.
Esses resultados viram o estudo celular literalmente de cabeça para baixo: no ambiente de uma placa de Petri, alguns defeitos que ocorrem durante a mitose celular não podem acontecer da mesma forma que em um corpo vivo.
“Enquanto a divisão bipolar, o modo de divisão mais comum e sem erros, domina os resultados da divisão em ambientes fibrosos, nosso trabalho mostra uma mudança nos defeitos monopolares e multipolares, alterando o número de fibras às quais as células se ligam”, disse Nain. “Ele oferece um vislumbre de como a divisão celular pode ocorrer em tecidos vivos reais.”
Nain espera que a nova perspectiva fornecida por este trabalho experimental-computacional fundamental produza insights sobre como tratar doenças e distúrbios genéticos.
“Com as redes de fibra, fornecemos mais detalhes sobre uma imagem in vivo abrangente, preenchendo algumas informações que faltam e, usando nossa abordagem multidisciplinar, gostaríamos de fazer algumas perguntas precisas sobre a biologia mitótica à medida que avançamos”, disse ele.
A equipe multidisciplinar reunida para este projeto compreende os principais especialistas, incluindo a bióloga da divisão celular Jennifer DeLuca, professora da Colorado State University; o teórico e biofísico Nir Gov, professor do Weizmann Institute of Science, em Israel; e o teórico e especialista em computação Raja Paul, professor da Associação Indiana para o Cultivo da Ciência (IACS), Índia. A primeira autora da publicação foi Aniket Jana, agora pós-doutoranda na Universidade de Maryland, College Park. Outros alunos envolvidos neste estudo incluem Hoanan Zhang e Atharva Agashe, do Departamento de Engenharia Mecânica da Virginia Tech, Ji Wang, do Departamento de Engenharia Biomédica e Mecânica da Virginia Tech, e Apurba Sarkar, da IACS, Índia.