Os humanos modernos existem há mais de 200.000 anos, e cada nova geração começou com uma única célula — dividindo-se, mudando de forma e função, organizando-se em tecidos, órgãos e membros. Com pequenas variações, o processo se repetiu bilhões de vezes com notável fidelidade ao mesmo plano corporal.

Pesquisadores da Tufts buscam entender o código que guia células individuais para criar a arquitetura de um ser humano e criar uma base para a medicina regenerativa . À medida que aprendem mais sobre esse código, eles também buscam como construir estruturas vivas a partir de células humanas com formas e capacidades totalmente novas — sem manipulação genética.

Para decifrar esse código, eles pegaram uma célula do corpo humano e a deixaram crescer em um novo ambiente para observar como as regras de auto-organização funcionam.

Em 2023, Michael Levin, professor de Biologia Vannevar Bush, e então candidato a doutorado Gizem Gumuskaya, AG23, criaram os Antrobots, pequenos organismos multicelulares cultivados a partir de uma única célula traqueal humana e reunidos em novas formas: esféricas, oblongas, cobertas por cílios em toda ou parte de suas superfícies, capazes de nadar e reparar "feridas" em neurônios revestidos.

Em seu novo estudo publicado recentemente na revista Advanced Science , Gumuskaya e Levin revelam o que acontece dentro das células do Antrobot enquanto eles criam uma nova construção viva.

Os pesquisadores descobriram que as células humanas, livres de suas obrigações evolutivas, voltarão no tempo para expressar tanto genes antigos , compartilhados com nossos predecessores desde os organismos unicelulares, quanto genes embrionários, incluindo aqueles que orientam a simetria emergente, a estratificação e a dobragem de células e tecidos.

Com a nova missão de criar pequenos robôs em vez de humanos inteiros, as células mudaram a expressão de mais de 9.000 genes — quase metade do genoma — sem nenhuma intervenção, como circuitos de biologia sintética ou engenharia genética.

Além de criar novas construções sintéticas, compreender como as células humanas assumem novas formas pode lançar luz sobre doenças do desenvolvimento, como defeitos congênitos . Levin e seu laboratório querem entender melhor as regras de automontagem para, quem sabe, um dia ajudar a prevenir defeitos congênitos, cultivar novos tecidos e órgãos para medicina regenerativa e criar minúsculos organismos funcionais, como os Antrobots, a partir das próprias células do paciente, que poderiam tratar doenças e reparar danos sem desencadear respostas do sistema imunológico.

"Antrobots são feitos de células de doadores adultos, então foi impressionante ver que essas células também expressavam genes embrionários", disse Gumuskaya. Isso incluía genes que ajudam na transição do mesoderma para o ectoderma embrionário — um processo que leva células da camada externa a criar uma camada intermediária que acaba formando tecidos e órgãos internos, bem como genes para criar padrões ântero-posteriores (da cabeça para a cauda) e dorso-ventral (das costas para a barriga).

O que não foi encontrado foram genes embrionários envolvidos no padrão esquerda-direita — o tipo que ajuda a criar simetria espelhada com braços, olhos, pernas, pulmões e rins em ambos os lados do corpo.

Mesmo que os pesquisadores peguem uma faca e cortem os Antrobots, eles exibem um tipo de memória de forma funcional que lhes permite curar e retornar à sua forma original.

Levin ressalta que esse modelo emergente ilustra que os genes determinam o hardware da célula — produzindo receptores, enzimas, bombas iônicas e muito mais —, enquanto as características emergentes desse hardware, como campos elétricos, sinais químicos e forças biomecânicas experimentadas pelos tecidos que tomam forma, são as instruções de software que guiam o corpo até sua forma final. O software, afirma ele, pode mudar dependendo das condições iniciais e do ambiente, influenciando, por sua vez, o hardware.

A detecção da inversão do relógio biológico em antrobots baseou-se no rastreamento do acúmulo de modificações e danos ao DNA à medida que envelhecemos. A adição de grupos químicos metil ao DNA é uma quantidade mensurável que contribui para a nossa "idade epigenética", que pode acabar sendo mais antiga ou mais recente do que a nossa idade cronológica.

Um doador para o estudo Antrobot tinha 21 anos, mas a idade epigenética de suas células era de 25. Surpreendentemente, quando as células foram usadas para cultivar Antrobots, sua idade epigenética caiu para 18,7 anos. Os Antrobots eram biologicamente 25% mais jovens do que suas células de origem.

"O fato de esses robôs se tornarem biologicamente mais jovens do que as células adultas das quais são feitos sugere que o processo de organização em uma nova forma por si só pode redefinir o relógio de envelhecimento celular — sem qualquer reprogramação genética", diz Gumuskaya.

Levin propôs uma hipótese para o retrocesso dos relógios biológicos. "Acredito que os coletivos celulares sejam fundamentalmente agentes de processamento de informações", disse ele. "Os genes de desenvolvimento sendo ativados, as forças físicas decorrentes de sua nova forma e outros aspectos de sua autoconstrução podem ser interpretados pelas células como embriogênese, o que entra em conflito com sua idade real. Assim, elas acabam revertendo alguns dos marcadores de DNA do envelhecimento para que sejam consistentes com seu estado atual. Eu chamo isso de hipótese da 'evidência da idade'."

Quais são exatamente os sinais que convencem as células a reverter o relógio epigenético do Antrobot? Eles poderiam ser aproveitados para rejuvenescer tecidos em nossos próprios corpos? "Estamos trabalhando nisso", diz Levin.