Biofísicos Descobrem Poderosas Simetrias em Tecido Vivo
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Luca Giomi, um biólogo físico da Universidade de Leiden, guarda com clareza a lembrança dos seus primeiros anos como estudante de pós-graduação, quando se encantou ao assistir dois filmes mostrando gotículas sendo expelidas de uma impressora a jato de tinta. Um desses filmes, no entanto, não era real, mas sim uma simulação.
“Fiquei totalmente maravilhado,” relembra Giomi. “A precisão na previsão do comportamento das gotas de tinta era fascinante.”
Essa simulação era baseada nos princípios da dinâmica dos fluidos, um campo da matemática que descreve o movimento de líquidos e gases. Anos depois, a lembrança dessas gotas de tinta ainda inspira Giomi a buscar essa mesma precisão em sistemas mais complexos.
“Meu objetivo é aplicar esse poder de previsão à biologia física,” ele disse.
Recentemente, Giomi e sua equipe deram um grande passo em direção a esse objetivo. Em um estudo publicado na revista ‘Nature Physics’, eles descobriram que camadas de tecido epitelial, que formam a pele e revestem órgãos internos, comportam-se como cristais líquidos. Estes materiais possuem a estrutura organizada de sólidos, mas fluem como líquidos. A equipe demonstrou que há duas simetrias distintas no tecido epitelial, fundamentais para entender como os cristais líquidos reagem às forças físicas, e estas simetrias se manifestam em diferentes escalas.
Este achado pode facilitar a aplicação de simulações de dinâmica de fluidos em tecidos vivos com maior precisão. Giomi espera poder prever como os tecidos humanos se movem e se deformam em processos que vão desde a cicatrização de feridas até a metástase do câncer.
“Linda Hirst, uma física da Universidade da Califórnia em Merced que não esteve envolvida na pesquisa, disse: “É um estudo notável. Eles descreveram a simetria das folhas celulares com um detalhe nunca antes visto.”
Cristais líquidos fluem como líquidos, mas possuem um grau de ordem cristalina, uma simetria inerente ou direcionalidade semelhante ao veio da madeira. Essa direcionalidade, chamada anisotropia, é o truque óptico por trás dos modernos displays de cristal líquido, que refratam a luz de maneira diferente dependendo da orientação.
Embora sejamos mais familiarizados com os cristais líquidos em telas de TV, eles também são comuns na biologia celular, encontrados dentro das células e em suas membranas. Nos últimos anos, pesquisadores tentaram mostrar que tecidos — grupos organizados de células que atuam juntos — também poderiam ser considerados cristais líquidos. Se o tecido pudesse ser descrito com precisão como um cristal líquido, então o conjunto de ferramentas que os físicos usam para prever como os cristais respondem às forças poderia ser aplicado na biologia, conforme explicou Hirst.
No entanto, surgiram dificuldades ao definir a simetria do tecido, uma característica definidora dos cristais líquidos e chave para prever seu comportamento usando a dinâmica dos fluidos. Em simulações de pequenos grupos de células, teóricos descreveram os tecidos como cristais líquidos com simetria “hexática” de seis lados, um pouco como ladrilhos de hexágonos. Mas em experimentos, os tecidos agiam mais como fluidos compostos por partículas em forma de barra com simetria “nemática” de dois lados — algo que você veria se despejasse um barril de palitos de dente em um tubo e os observasse fluir.
“Isso criou um paradoxo: a experimentação indicava simetria nemática, enquanto modelos teóricos e simulações sugeriam simetria hexática,” disse Livio Carenza, um físico computacional da Universidade Koç em Istambul. “Como essas duas perspectivas poderiam se conciliar?”
Simulações preliminares de Carenza, que já fez parte do grupo de Giomi, sugeriram que o desacordo poderia ser resolvido se ambas as simetrias, hexática e nemática, existissem simultaneamente nos tecidos. A ideia era que, ao se observar mais de perto um tecido com simetria nemática, encontraria-se uma simetria hexática em menor escala.
“Mas não se pode confirmar uma teoria apenas com outra teoria,” disse Giomi. “Então, fizemos os experimentos.”
Para isso, Giomi recrutou Julia Eckert, então estudante de doutorado na Universidade de Leiden, para coletar dados de culturas de tecidos vivos.
“Mostrei a eles células reais sob o microscópio, além do que é apresentado na literatura acadêmica,” disse Eckert, agora bióloga física na Universidade de Queensland. “Muitos nunca tinham visto células em seu estado natural. Então, eu disse, ‘Vamos explorar isso juntos.'”
Eckert começou cultivando camadas finas de tecido epitelial no laboratório. Ela então demarcou cuidadosamente os limites de cada célula individual em imagens de microscópio. Com esses dados, a equipe de Giomi pôde examinar se a simetria do tecido diferia entre escalas microscópicas e maiores.
Para distinguir as ordens nemática e hexática nos complexos dados biológicos, a equipe utilizou uma ferramenta matemática chamada tensor de forma, capturando informações sobre as formas e orientações das células. Usando-a, Eckert mediu as simetrias nos tecidos em diferentes escalas, primeiro tratando células individuais como as unidades básicas do cristal e depois fazendo o mesmo para grupos de células.
Em escalas pequenas, descobriram que o tecido possuía simetria rotacional de seis lados e parecia um pouco com um ladrilho de hexágonos amassados. No entanto, ao examinar grupos maiores que cerca de 10 células, emergiu a simetria rotacional de dois lados. Os resultados experimentais concordaram de maneira notável com as simulações de Carenza.
“Foi surpreendente como os dados experimentais e a simulação numérica coincidiram,” disse Eckert. De fato, a correspondência era tão precisa que a equipe brincou sobre a possibilidade de revisores pensarem que houve alguma manipulação. “Era realmente tão belo,” disse Carenza.
As observações respondem a uma “questão de longa data sobre o tipo de ordem presente nos tecidos,” disse Joshua Shaevitz, um físico da Universidade de Princeton que revisou o artigo (e não achou que houve trapaça). A ciência muitas vezes “se torna turva,” ele disse, quando os dados apontam para verdades conflitantes — neste caso, as simetrias aninhadas. “Então alguém aponta ou mostra que, bem, essas coisas não são tão distintas. Ambas estão corretas.”
Definir a simetria de um cristal líquido não é apenas um exercício teórico. Dependendo da sua simetria, o tensor de estresse do cristal — uma matriz que captura como um material se deforma sob estresse — parece diferente. Este tensor é a ligação matemática para as equações de dinâmica dos fluidos que Giomi queria usar para conectar forças físicas e funções biológicas.
Aplicar a física dos cristais líquidos aos tecidos é uma nova maneira de entender o mundo complicado da biologia, segundo Hirst.
As implicações exatas da transição da ordem hexática para nemática ainda não estão claras, mas a equipe suspeita que as células podem exercer certo grau de controle sobre essa transição. Há até evidências de que o surgimento da ordem nemática tem algo a ver com a adesão celular, disseram eles. Descobrir como e por que os tecidos manifestam essas duas simetrias entrelaçadas é um projeto para o futuro — embora Giomi já esteja trabalhando em usar os resultados para entender como as células cancerígenas fluem pelo corpo quando metastatizam. E Shaevitz observou que a cristalinidade líquida em múltiplas escalas do tecido poderia estar relacionada à embriogênese — o processo pelo qual os embriões se moldam em organismos. [Wired]
