Pequeno sulco – grande importância: Um vinco de tecido conhecido como sulco cefálico, uma novidade evolutiva que se forma entre a cabeça e o tronco dos embriões de mosca, desempenha um papel mecânico na estabilização dos tecidos embrionários durante o desenvolvimento da mosca-da-fruta Drosophila melanogaster.

Integrando teoria e prática: Pesquisadores combinaram simulações computacionais com seus experimentos, demonstrando que o momento e a posição da formação do sulco cefálico são cruciais para sua função, evitando instabilidades mecânicas nos tecidos embrionários.

Resposta evolutiva ao estresse mecânico: Aumentadas instabilidades mecânicas causadas pelos movimentos do tecido embrionário podem ter contribuído para a origem e evolução do programa genético do sulco cefálico. Isso evidencia que forças mecânicas podem moldar a evolução de novas características de desenvolvimento.

As forças mecânicas modelam tecidos e órgãos durante o desenvolvimento embrionário por meio de um processo denominado morfogênese. Essas forças fazem com que os tecidos se empurrem e se puxem mutuamente, 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.

Embrionários de animais passam por fluxos de tecido e processos de dobras, envolvendo forças mecânicas, que transformam uma blástula de camada única (uma esfera oca de células) em uma estrutura complexa de múltiplas camadas chamada gastrula. Durante a gastrulação inicial, algumas moscas da ordem Diptera formam um vinco de tecido na fronteira entre cabeça e tronco chamado sulco cefálico. Esse vinco é uma característica específica de um subgrupo de Diptera, representando assim 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 Drosophila melanogaster e a possível conexão com sua evolução. Os resultados de sua investigação foram publicados na revista Nature.

Um vinco geneticamente padronizado sem função aparente

Os pesquisadores sabiam que vários genes estão envolvidos na formação do sulco cefálico. O sulco cefálico é particularmente interessante porque é uma invaginação embrionária proeminente cuja formação é controlada por genes, mas que não apresenta uma função óbvia durante o desenvolvimento. O vinco não dá origem a estruturas específicas e, em estágios posteriores, simplesmente se desdobra, não deixando vestígios. Bruno C. Vellutini, um pesquisador pós-doutoral no grupo de Pavel Tomancak, que liderou o estudo ao lado de Tomancak, explica: “Nossa pergunta inicial era descobrir os genes envolvidos na formação do sulco cefálico e o papel do desenvolvimento da invaginação. Mais tarde, ampliamos nossas investigações para outras espécies de moscas e descobrimos que alterações na expressão do gene buttonhead estão associadas à evolução do sulco cefálico.”

Com seus experimentos, os pesquisadores demonstraram 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 as divisões celulares e os movimentos do tecido típicos da gastrulação. Eles mostram que a formação do sulco cefálico absorve esses estresses compressivos. Na falta do sulco cefálico, esses estresses se acumulam, e forças externas causadas pelas divisões celulares na blástula de camada única provocam instabilidade mecânica e curvatura do tecido. Esse intrigante papel físico levou os pesquisadores a sugerir que o sulco cefálico pode ter evoluído em resposta aos desafios mecânicos da gastrulação dipterana, com a instabilidade mecânica atuando como uma possível pressão seletiva.

Modelo físico da dinâmica de dobras

Para determinar a contribuição de fontes individuais de estresse mecânico, os experimentais do grupo de Tomancak uniram forças com o grupo de Carl Modes para criar um modelo físico teórico que simula o comportamento dos embriões de moscas. Carl Modes afirma: “Nosso modelo pode simular o comportamento dos tecidos embrionários em embriões de moscas com muito poucos parâmetros livres. O modelo foi alimentado com os dados dos experimentos. Primeiro, queríamos ver como a intensidade do vinco afeta a função do sulco cefálico. Supúnhamos que uma forte tração dentro do vinco é um bom amortecedor para contrabalançar forças mecânicas. No entanto, descobrimos que a posição e o tempo são o que realmente importa. Quanto mais cedo o sulco cefálico se forma, melhor é o amortecedor, e quando se forma na metade do embrião, ele apresenta o efeito de amortecimento mais forte.” Esse modelo físico fornece uma base teórica de que o sulco cefálico pode absorver estresses compressivos e prevenir instabilidades mecânicas nos tecidos embrionários durante a gastrulação.

Um estudo relacionado revela dois mecanismos celulares para prevenir estresse.

Outro estudo, também focado em como as moscas lidam com estresses mecânicos, é publicado ao mesmo tempo na revista Nature. A equipe liderada por Steffen Lemke, da Universidade de Hohenheim, na 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 estresse compressivo durante o desenvolvimento embrionário. As moscas apresentam um sulco cefálico ou, se não o possuem, exibem uma divisão em plano inclinado, significando que as células se dividem para baixo para reduzir a área de superfície. Ambos os mecanismos atuam como depósitos mecânicos para evitar colisões e distorções nos tecidos. Os autores do estudo colaboraram com os pesquisadores do MPI-CBG ao longo de suas investigações.

To evoluir um pequeno vinco

Pavel Tomancak resume os resultados: “Nossas descobertas revelam evidências empíricas de como as forças mecânicas podem influenciar a evolução de inovações no desenvolvimento inicial. O sulco cefálico pode ter evoluído devido a 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 desse desenvolvimento.”