Em um estudo publicado no periódico Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ) , uma equipe de cientistas britânicos e alemães revelou a estrutura da matriz extracelular do Volvox carteri, um tipo de alga verde frequentemente usada para estudar como organismos multicelulares evoluíram de ancestrais unicelulares.

A matriz extracelular (MEC) é um material semelhante a um andaime que envolve as células, fornecendo suporte físico, influenciando a forma e desempenhando um papel importante no desenvolvimento e na sinalização. Encontrada em animais, plantas, fungos e algas, ela também desempenhou um papel vital na transição da vida unicelular para a multicelular.

Como a MEC existe fora das células que a produzem, os cientistas acreditam que ela se forma por automontagem: um processo ainda não totalmente compreendido, mesmo nos organismos mais simples.

Para investigar, pesquisadores da Universidade de Bielefeld criaram geneticamente uma cepa de Volvox na qual uma proteína-chave da MEC chamada feroforina II foi tornada fluorescente para que a estrutura da matriz pudesse ser vista claramente no microscópio.

O que eles viram foi uma intrincada rede de compartimentos arredondados, semelhante a espuma, que envolvia cada uma das cerca de 2.000 células somáticas, ou não reprodutivas, do Volvox.

Trabalhando com matemáticos da Universidade de Cambridge, a equipe utilizou aprendizado de máquina para quantificar a geometria desses compartimentos. Os dados revelaram um padrão de crescimento estocástico, ou influenciado aleatoriamente, que compartilha semelhanças com a forma como as espumas se expandem quando hidratadas.

Essas formas seguiram um padrão estatístico que também aparece em materiais como grãos e emulsões, e em tecidos biológicos. As descobertas sugerem que, embora as células individuais produzam proteínas da MEC em taxas desiguais, o organismo como um todo mantém uma forma esférica regular.

Essa coexistência — entre comportamento ruidoso no nível de células individuais e geometria precisa no nível de todo o organismo — levanta novas questões sobre como a vida multicelular consegue construir formas confiáveis a partir de partes não confiáveis.

“Nossos resultados fornecem informações quantitativas relacionadas a uma questão fundamental na biologia do desenvolvimento: como as células criam estruturas externas a si mesmas de maneira robusta e precisa”, disse o professor Raymond E. Goldstein, do Departamento de Matemática Aplicada e Física Teórica de Cambridge, que coliderou a pesquisa. “Também demonstram os resultados empolgantes que podemos alcançar quando biólogos, físicos e matemáticos trabalham juntos para compreender os mistérios da vida.”

“Ao rastrear uma única proteína estrutural, obtivemos insights sobre os princípios por trás da auto-organização da matriz extracelular”, disse o professor Armin Hallmann, da Universidade de Bielefeld, que coliderou a pesquisa. “Sua geometria nos dá uma leitura significativa de como o organismo se desenvolve à medida que cresce.”

A pesquisa foi realizada pelos pesquisadores de pós-doutorado Dr. Benjamin von der Heyde e Dra. Eva Laura von der Heyde e Hallmann em Bielefeld, trabalhando com o aluno de doutorado de Cambridge Anand Srinivasan, o pesquisador de pós-doutorado Dr. Sumit Kumar Birwa, o pesquisador associado sênior Dr. Steph Höhn e Goldstein, o professor Alan Turing de Sistemas Físicos Complexos no Departamento de Matemática Aplicada e Física Teórica de Cambridge.

O projeto foi parcialmente apoiado pela Wellcome e pela Fundação John Templeton. Raymond Goldstein é membro do Churchill College, em Cambridge.