Descobertas importantes sobre o funcionamento interno da capacidade de uma estrela quebradiça de controlar reversivelmente a flexibilidade de seus tecidos ajudarão os pesquisadores a resolver o quebra-cabeça do tecido colágeno mutável (TCM) e potencialmente inspirarão novos biomateriais "inteligentes" para aplicações em saúde humana.

O trabalho é dirigido por Denis Jacob Machado, professor assistente de Bioinformática no Centro de Inteligência Computacional para Prever Riscos Ambientais e de Saúde (CIPHER) da Universidade da Carolina do Norte em Charlotte, e Vladimir Mashanov, cientista da equipe do Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa.

Em "Unveiling putative modulators of mutable collagenous tissue in the brittle star Ophiomastix wendtii: an RNA-Seq analysis", publicado recentemente na BMC Genomics , os pesquisadores descrevem o uso de microscopia eletrônica de transmissão avançada (TEM), sequenciamento de RNA e outros métodos de bioinformática para identificar 16 potenciais genes moduladores de MCT. Esta pesquisa oferece um avanço para entender precisamente como os equinodermos transformam rápida e drasticamente seu tecido colágeno. O primeiro autor do artigo, Reyhaneh Nouri, é um aluno de doutorado no Departamento de Bioinformática e Genômica da UNC Charlotte.

Essa pesquisa avançada para identificar processos moleculares relevantes em um equinodermo pode eventualmente abrir novas portas para terapias regenerativas em humanos.

Equinodermos, como estrelas-de-quebra-cabeça (primo das estrelas-do-mar e dólares-da-areia) e pepinos-do-mar, possuem habilidades notáveis para adaptar seus tecidos corporais em resposta a estressores e condições de rápida mudança, incluindo destacar porções significativas de seus corpos para escapar de predação ou outras situações perigosas. Algumas espécies de estrelas-de-quebra-cabeça são particularmente adequadas para fornecer aos pesquisadores um caso de teste viável para isolar genes moduladores de MCT, que são as instruções moleculares específicas que determinam modificações emergentes de tecidos.

As novas descobertas pretendem moldar o desenvolvimento futuro de biomateriais inteligentes e dinâmicos à base de colágeno para tratar problemas de saúde humana, como ajudar a curar feridas mais rapidamente ou fornecer materiais alternativos para regeneração de tecidos que não desencadeiam rejeição imunológica.

Jacob Machado e seus colegas da UNC Charlotte já têm uma patente provisória pendente sobre os blocos de construção do que seria considerado um biomaterial revolucionário à base de colágeno, a ser desenvolvido pela indústria. Ainda assim, há vários estágios-chave de pesquisa pela frente.

"Começa com você ousando olhar para algo completamente novo sem saber se vai funcionar ou não", disse Jacob Machado.

A pesquisa publicada examina uma relação genômica clara entre células justaligamentares em estrela quebradiça (JLCs) e modulação colágena reversível, identificando 16 genes diferentes que representam um grande — e emocionante — "ponto de interrogação", disse Jacob Machado.

Em pesquisas futuras — usando técnicas como hibridização in situ (ISH) e interferência de RNA (RNAi) para "caçar" esses genes — Jacob Machado disse que a equipe pode estudar "o que acontece com os equinodermos quando alguns desses genes são desativados".

Esse processo de detecção e eliminação genômica permitirá que a equipe determine se os supostos genes MCT "estão envolvidos em funcionalidades específicas em tecidos colágenos mutáveis", de acordo com Jacob Machado, que espera que a próxima etapa da pesquisa seja concluída no próximo ano e meio.

A pesquisa até agora, diz Jacob Machado, funde expertise multidisciplinar com criatividade e bioinformática avançada. Jacob Machado credita o trabalho de especialistas intimamente familiarizados com bioinformática e biologia de equinodermos, colaborando com uma equipe "extremamente capaz" operando microscópios eletrônicos de transição — formando uma abordagem de equipe imaginativa para "designs experimentais" para analisar RNA.

Liderada por Jacob Machado e Mashanov, a equipe de pesquisa do Departamento de Bioinformática e Genômica da UNC Charlotte inclui Nouri, April Harris, Gari New, William Taylor (aluno e equipe), Daniel Janies e Robert W. Reid (corpo docente).

Embora a modulação do tecido colágeno do equinodermo seja familiar aos cientistas, ao banhista comum e aos peixes famintos, a pesquisa da equipe coloca a ciência em um caminho acelerado para entender a regeneração do tecido celular.

No BMC Genomics , os pesquisadores escrevem que "o estudo é a primeira tentativa de descobrir novos genes específicos para o MCT do equinodermo usando sequenciamento de última geração, expressão gênica diferencial e abordagens de anotação".

Diferentemente de humanos ou camundongos, estrelas quebradiças apresentam barreiras únicas à pesquisa porque são consideradas "organismos não-modelo", de acordo com Jacob Machado, o que significa que são muito menos estudadas do que camundongos ou humanos, e não têm os mesmos protocolos. Ainda assim, a anatomia da estrela quebradiça proporcionou à equipe ângulos criativos para pontos de comparação para estabelecer regiões de tecido de controle contra aquelas com propriedades regenerativas antecipadas em células justaligamentais.

Essas JLCs foram vitais para a investigação da equipe. No artigo, a equipe de pesquisa explica o trabalho para "quantificar a expressão genética na região central do braço interno (enriquecida em JLCs) da estrela quebradiça Ophiomastix wendtii em comparação com o braço inteiro (contendo o nível basal (ou seja, nem enriquecido nem esgotado) das JLCs) e estômago (que é desprovido de JLCs)." Essa abordagem específica proporcionou à equipe um meio de isolar uma escala de relações entre JLCs e a produção regenerativa de MCTs dentro de regiões de maior intensidade, como no braço interno versus o braço inteiro.

Como a genômica da estrela quebradiça não tem a mesma gama disponível de protocolos experimentais que camundongos e outras espécies, a equipe de pesquisa delineou caminhos significativos para exploração futura usando ISH e RNAi para identificar e focar nos genes que controlam o MCT. Jacob Machado tem esperança de que esse direcionamento genético seja o catalisador para um protótipo para impulsionar futuras aplicações biomédicas humanas transformadoras.

Um dos caminhos mais promissores é o desenvolvimento do que Jacob Machado descreve como um "novo biomaterial dinâmico e inteligente", baseado em uma matriz de colágeno com patente pendente, desenvolvida a partir da interação das funcionalidades JLC e MCT.

Jacob Machado imagina esse material como uma "matriz de colágeno que pode mudar sua flexibilidade para se tornar tão macia ou rígida quanto quisermos". A utilidade desse biomaterial no campo médico pode ser ilimitada, pois pode servir como base para cola cirúrgica de resposta rápida para militares ou funcionar como "origami gelatinoso" — para usar a frase de Jacob Machado — no lugar de stents tradicionais e medidas semelhantes para tratar bloqueios.

"Confirmar o papel dos genes candidatos identificados no controle da resistência à tração do MCT abrirá uma ampla gama de novas possibilidades tanto para a biologia fundamental quanto para a biomedicina", escreveu a equipe de pesquisa no artigo.

Estudos futuros, diz a equipe, irão iluminar ainda mais "a evolução e os mecanismos moleculares do MCT do equinodermo". Esse entendimento mais profundo pode ser o catalisador para futuras descobertas de pesquisa, informando "o design de novos biomateriais baseados em colágeno com propriedades mecânicas dinâmicas e ajustáveis para engenharia de tecidos e medicina regenerativa".