Como os genes aproveitaram a física para fazer crescer os seres vivos

A versão original de esta história apareceu em Revista Quanta.

Beba uma taça de vinho e você notará o líquido escorrendo continuamente pelo lado molhado da taça. Em 1855, James Thomson, irmão de Lord Kelvin, explicado no Revista Filosófica que estas “lágrimas” ou “pernas” de vinho resultam da diferença de tensão superficial entre o álcool e a água. “Este fato fornece uma explicação para vários movimentos muito curiosos”, escreveu Thomson. Mal sabia ele que o mesmo efeito, mais tarde denominado efeito Marangoni, também poderia moldar o desenvolvimento dos embriões.

Em março, um grupo de biofísicos na França relatado que o efeito Marangoni é responsável pelo momento crucial em que uma bolha homogênea de células se alonga e desenvolve um eixo cabeça-cauda – as primeiras características definidoras do organismo que se tornará.

A descoberta faz parte de uma tendência que desafia as normas da biologia. Normalmente, os biólogos tentam caracterizar o crescimento, o desenvolvimento e outros processos biológicos como resultado de sinais químicos desencadeados por instruções genéticas. Mas esse quadro muitas vezes pareceu incompleto. Os investigadores apreciam agora cada vez mais o papel das forças mecânicas na biologia: forças que empurram e puxam os tecidos em resposta às suas propriedades materiais, orientando o crescimento e o desenvolvimento de uma forma que os genes não conseguem.

As modernas técnicas de imagem e medição abriram os olhos dos cientistas para estas forças, inundando o campo com dados que convidam a interpretações mecânicas. “O que mudou nas últimas décadas foi realmente a possibilidade de observar o que acontece ao vivo e ver a mecânica em termos de movimento celular, rearranjo celular, crescimento de tecidos”, disse Pierre-François Lenne da Universidade Aix de Marselha, um dos pesquisadores por trás do estudo recente.

A mudança em direção a explicações mecânicas reavivou o interesse em modelos pré-genéticos de biologia. Por exemplo, em 1917, o biólogo, matemático e estudioso de clássicos escocês D’Arcy Thompson publicou Sobre crescimento e formaque destacou semelhanças entre as formas encontradas nos organismos vivos e aquelas que emergem na matéria inanimada. Thompson escreveu o livro como um antídoto para o que considerava uma tendência excessiva de explicar tudo em termos da seleção natural darwiniana. Sua tese – de que a física também nos molda – está voltando à moda.

“A hipótese é que a física e a mecânica podem nos ajudar a entender a biologia em escala tecidual”, disse Alexandre Kablafísico e engenheiro da Universidade de Cambridge.

A tarefa agora é compreender a interação das causas, onde os genes e a física agem de alguma forma de mãos dadas para esculpir os organismos.

Cresça com o fluxo

Modelos mecânicos de crescimento de embriões e tecidos não são novos, mas há muito tempo os biólogos não tinham meios de testar essas ideias. Apenas ver embriões é difícil; eles são pequenos e difusos, refletindo a luz em todas as direções como vidro fosco. Mas novas técnicas de microscopia e análise de imagens abriram uma janela mais clara para o desenvolvimento.

Lenne e seus colegas aplicaram algumas das novas técnicas para observar o movimento das células dentro dos gastrulóides de camundongos: feixes de células-tronco que, à medida que crescem, imitam os estágios iniciais do crescimento do embrião.