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Impressora 3D da natureza: minhocas formam cerdas peça por peça

Fig. 1: Larva do anelídeo marinho Platynereis dumerilii, microfone eletrônico de varredura
Figura 1: Larva do anelídeo marinho Platynereis dumerilii, micrografia eletrônica de varredura (escala de tamanho: 100 µm), C: Luis Zelaya-Lainez, Universidade de Tecnologia de Viena

Uma melhor compreensão deste processo de formação natural oferece potencial para desenvolvimentos técnicos

Um novo estudo interdisciplinar liderado pelo biólogo molecular Florian Raible, dos Laboratórios Max Perutz da Universidade de Viena, fornece informações interessantes sobre as cerdas do verme anelídeo marinho Platynereis dumerilii. Células especializadas, chamadas quetoblastos, controlam a formação das cerdas. Seu modo de operação é surpreendentemente semelhante ao de uma impressora 3D técnica. O projeto é uma colaboração com pesquisadores da Universidade de Helsinque, da Universidade de Tecnologia de Viena e da Universidade Masaryk em Brno. O estudo foi publicado recentemente na renomada revista Nature Communications.

A quitina é o principal material de construção tanto para o exoesqueleto de insetos quanto para as cerdas de vermes com cerdas, como o verme anelídeo marinho Platynereis dumerilii. No entanto, os vermes com cerdas têm uma quitina um pouco mais macia – a chamada beta-quitina – que é particularmente interessante para aplicações biomédicas. As cerdas permitem que os vermes se movam na água. Como exatamente a quitina é formada em cerdas distintas permaneceu até agora um enigma. O novo estudo fornece agora uma visão interessante sobre esta biogênese especial. Florian Raible explica: “O processo começa com a ponta das cerdas, seguida pela seção intermediária e finalmente pela base das cerdas. As peças acabadas são empurradas cada vez mais para fora do corpo. Neste processo de desenvolvimento, as importantes unidades funcionais são criados um após o outro, peça por peça, o que é semelhante à impressão 3D.”

Uma melhor compreensão de processos como estes também tem potencial para o desenvolvimento de futuros produtos médicos ou para a produção de materiais naturalmente degradáveis. A beta-quitina da casca dorsal da lula, por exemplo, é atualmente utilizada como matéria-prima para a produção de curativos para feridas particularmente bem tolerados. “Talvez no futuro também seja possível utilizar células de anelídeos para produzir esse material”, diz Raible.

O contexto biológico exato para isso: os chamados quetoblastos desempenham um papel central neste processo. Os quetoblastos são células especializadas com longas estruturas superficiais, as chamadas microvilosidades. Essas microvilosidades abrigam uma enzima específica que as pesquisas podem mostrar ser responsável pela formação da quitina, o material do qual as cerdas são feitas. Os resultados dos pesquisadores mostram uma superfície celular dinâmica caracterizada por microvilosidades dispostas geometricamente.

As microvilosidades individuais têm uma função semelhante aos bicos de uma impressora 3D. Florian Raible explica: “Nossa análise sugere que a quitina é produzida pelas microvilosidades individuais da célula quetoblástica. A mudança precisa no número e na forma dessas microvilosidades ao longo do tempo é, portanto, a chave para moldar as estruturas geométricas das cerdas individuais, como como dentes individuais na ponta das cerdas, que são precisos até a faixa submicrométrica.” As cerdas geralmente se desenvolvem em apenas dois dias e podem ter formatos diferentes; dependendo do estágio de desenvolvimento do verme, eles são mais curtos ou mais longos, mais pontiagudos ou mais achatados.

Além da colaboração local com a Universidade de Tecnologia de Viena e especialistas em imagem da Universidade de Brno, a cooperação com o laboratório Jokitalo da Universidade de Helsinque provou ser um grande benefício para os pesquisadores da Universidade de Viena. Usando sua experiência em microscopia eletrônica de varredura serial em bloco (SBF-SEM), os pesquisadores investigaram o arranjo das microvilosidades no processo de formação de cerdas e propuseram um modelo 3D para a síntese da formação de cerdas. O primeiro autor, Kyojiro Ikeda, da Universidade de Viena, explica: “A tomografia eletrônica padrão é muito trabalhosa, pois o corte das amostras e seu exame no microscópio eletrônico devem ser feitos manualmente. Com esta abordagem, no entanto, podemos automatizar de forma confiável o análise de milhares de camadas.”

O grupo Raible está atualmente trabalhando para melhorar a resolução da observação, a fim de revelar ainda mais detalhes sobre a biogênese das cerdas.

Publicação original:

Kyojiro N Ikeda, Ilya Belevich, Luis Zelaya-Lainez, Lukas Orel, Josef Füssl, Jaromir Gumulec, Christian Hellmich, Eija Jokitalo e Florian Raible. Cerdas dinâmicas que esculpem microvilosidades em escala nanométrica, Nature Communications (2024)
DOI: 10.1038/s41467'024 -48044-3

1: Larva do anelídeo marinho Platynereis dumerilii, micrografia eletrônica de varredura (escala de tamanho: 100µm), C: Luis Zelaya-Lainez, Universidade de Tecnologia de Viena Fig. 2: Comparação entre 3D “biológico” (esquerda) e “tecnológico” impressão (direita). C: Claudia Amort, Studio Amort Fig. 3: Diferentes segmentos das cerdas do anelídeo marinho Platynereis dumerilii. Reconstrução 3D a partir de mais de 1000 micrografias eletrônicas. Lâmina (esquerda), lâmina com junta (centro), haste (direita). C: Ilya Belevich, Universidade de Helsinque Fig. 4: Primeiro autor Kyojiro Ikeda e líder do estudo Florian Raible (da esquerda para a direita). C: Laboratórios Max Perutz

Sobre o Laboratório Raible

https://www.maxperutzlabs.ac.at/research/research-groups/raible O Laboratório Raible nos Laboratórios Max Perutz combina perfil molecular, experimentos funcionais, imagem multimodal, perfil celular, experimentos fisiológicos e análises comportamentais para avançar na pesquisa em a orquestração molecular de regeneração, reprodução e metamorfose e para explorar a produção natural de biomateriais. O sistema modelo do grupo é o Platynereis dumerilii, um anelídeo marinho, que tem um valor único para o estudo destes processos, pois pode completar o seu ciclo de vida inteiramente em condições de laboratório.

Sobre os Laboratórios Max Perutz

http://www.maxperutzlabs.ac.at Max Perutz Labs é uma joint venture da Universidade de Viena e da Universidade Médica de Viena. O instituto realiza pesquisas e ensino excelentes e reconhecidos internacionalmente na área de biologia molecular. Cientistas do Max Perutz Labs pesquisam processos mecanicistas fundamentais em biomedicina e combinam pesquisas básicas inovadoras com questões clinicamente relevantes.
Os Laboratórios Max Perutz fazem parte do BioCenter de Viena, um importante centro de ciências da vida na Europa. Mais de 40 grupos de pesquisa com cerca de 400 funcionários de mais de 50 países trabalham no instituto.

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