Pequena prega – grande papel: Uma prega de tecido conhecida como sulco cefálico, uma novidade evolutiva que se forma entre a cabeça e o tronco de embriões de mosca, desempenha um papel mecânico ao estabilizar os tecidos embrionários durante o desenvolvimento da mosca da fruta Drosophila melanogaster.
Combinando teoria e experimento: Pesquisadores integraram simulações por computador com seus experimentos e demonstraram que o momento e a posição da formação do sulco cefálico são cruciais para sua função, prevenindo instabilidades mecânicas nos tecidos embrionários.
Resposta evolutiva ao estresse mecânico: A instabilidade mecânica aumentada causada pelos movimentos do tecido embrionário pode ter contribuído para a origem e evolução do programa genético do sulco cefálico. Isso mostra que forças mecânicas podem moldar a evolução de novas características do desenvolvimento.
As forças mecânicas moldam tecidos e órgãos durante o desenvolvimento de um embrião por meio de um processo chamado morfogênese. Essas forças fazem com que os tecidos se empurrem e puxem uns aos outros, fornecendo informações essenciais para as células e determinando a forma dos órgãos. Apesar da importância dessas forças, seu papel na evolução do desenvolvimento ainda não é bem compreendido.
Os embriões animais passam por fluxos de tecido e processos de dobra, envolvendo forças mecânicas, que transformam uma blástula de camada única (uma esfera oca de células) em uma estrutura complexa de múltiplas camadas conhecida como gastrula. Durante a gastrulação inicial, algumas moscas da ordem Diptera formam uma prega de tecido na fronteira cabeça-tronco chamada sulco cefálico. Essa prega é uma característica específica de um subgrupo de Diptera e, portanto, é uma novidade evolutiva das moscas.
Os grupos de pesquisa de Pavel Tomancak e Carl Modes, ambos líderes de grupo no Instituto Max Planck de Biologia Celular Molecular e Genética em Dresden, Alemanha, investigaram a função do sulco cefálico durante o desenvolvimento da mosca da fruta Drosophila melanogaster e a possível conexão com sua evolução. Os resultados de sua investigação foram publicados na revista Nature.
Uma prega com padrão genético e função desconhecida
Os pesquisadores sabiam que vários genes estão envolvidos na formação do sulco cefálico. O sulco cefálico é especialmente interessante porque é uma invaginação embrionária proeminente cuja formação é controlada por genes, mas que não possui uma função óbvia durante o desenvolvimento. A prega não dá origem a estruturas específicas e, mais tarde no desenvolvimento, simplesmente se desenrola, não deixando vestígios. Bruno C. Vellutini, um pesquisador pós-doutoral do grupo de Pavel Tomancak, que liderou o estudo junto com Tomancak, explica: “Nossa pergunta original era descobrir os genes envolvidos na formação do sulco cefálico e o papel do desenvolvimento da invaginação. Posteriormente, ampliamos nossas investigações para outras espécies de moscas e descobrimos que mudanças na expressão do gene buttonhead estão associadas à evolução do sulco cefálico.”
Com seus experimentos, os pesquisadores mostraram que a ausência do sulco cefálico leva a um aumento na instabilidade mecânica dos tecidos embrionários e que as principais fontes de estresse mecânico são divisões celulares e movimentos de tecido típicos da gastrulação. Eles demonstraram que a formação do sulco cefálico absorve essas tensões compressivas. Sem um sulco cefálico, essas tensões se acumulam, e as forças externas causadas pelas divisões celulares na blástula de camada única provocam instabilidade mecânica e empenamento do tecido. Esse papel físico intrigante deu aos pesquisadores a ideia de que o sulco cefálico pode ter evoluído em resposta aos desafios mecânicos da gastrulação dipterana, com a instabilidade mecânica atuando como uma potencial pressão seletiva.
Modelo físico da dinâmica de dobra
Para determinar a contribuição de fontes individuais de estresse mecânico, os experimentadores do grupo de Tomancak se uniram ao grupo de Carl Modes para criar um modelo físico teórico que se comporta como os embriões de mosca. Carl Modes diz: “Nosso modelo pode simular o comportamento dos tecidos embrionários em embriões de mosca com muito poucos parâmetros livres. O modelo foi alimentado com os dados dos experimentos. Primeiro, queríamos ver como a força da prega afeta a função do sulco cefálico. Supúnhamos que um puxão forte dentro da prega é um bom amortecedor para contrabalançar forças mecânicas. No entanto, descobrimos que a posição e o momento são o que realmente importa. Quanto mais cedo o sulco cefálico se forma, melhor ele é como amortecedor, e quando se forma na metade do embrião, mostrou ter o efeito de amortecimento mais forte.” Este modelo físico fornece uma base teórica de que o sulco cefálico pode absorver tensões compressivas e prevenir instabilidades mecânicas nos tecidos embrionários durante a gastrulação.
Um estudo relacionado revela dois mecanismos celulares para prevenir estresse.
Um outro estudo, também focado em como as moscas contrabalançam estresses mecânicos, foi publicado ao mesmo tempo na revista Nature. A equipe liderada por Steffen Lemke da Universidade de Hohenheim, Alemanha, e Yu-Chiun Wang do RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research em Kobe, Japão, encontrou duas maneiras diferentes de como as moscas lidam com estresses compressivos durante o desenvolvimento embrionário. As moscas apresentam um sulco cefálico ou, se não possuem um, exibem divisão generalizada para fora do plano, significando que as células se dividem para baixo para reduzir a área da superfície. Ambos os mecanismos atuam como sumidouros mecânicos para prevenir colisões e distorções do tecido. Os autores do estudo colaboraram com os pesquisadores do MPI-CBG durante o decorrer de suas investigações.
Essa evolução de uma pequena prega
Pavel Tomancak resume os resultados: “Nossas descobertas revelam evidências empíricas de como forças mecânicas podem influenciar a evolução de inovações no desenvolvimento inicial. O sulco cefálico pode ter evoluído por meio de mudanças genéticas em resposta aos desafios mecânicos da gastrulação dipterana. Mostramos que as forças mecânicas não são importantes apenas para o desenvolvimento do embrião, mas também para a evolução de seu desenvolvimento.”
