Durante décadas, os cientistas puderam observar momentos individuais no desenvolvimento de um embrião: um instantâneo de um cérebro em desenvolvimento, uma imagem de como o coração se forma ou um vislumbre de células começando a formar o sistema nervoso.

Mas e se, em vez de tirar fotos, eles pudessem assistir a todo o processo se desenrolar?

Um novo estudo do laboratório do professor Jonathan Weissman, do MIT, membro do Instituto Whitehead de Pesquisa Biomédica e pesquisador do Instituto Médico Howard Hughes, oferece uma das visões mais detalhadas até agora de como um mamífero é construído, célula por célula.

Ao acompanhar a história familiar de mais de um milhão de células durante o desenvolvimento de um embrião de rato, os pesquisadores criaram uma espécie de modelo de desenvolvimento, ou filme, mostrando como as células se dividem e, por fim, se transformam nos tecidos e órgãos do corpo.

Este trabalho de acesso aberto, publicado em 8 de outubro na revista  Cell , em colaboração com o grupo de Zachary Smith na Universidade de Yale e o Instituto Max Planck de Genética Molecular, oferece uma visão abrangente de um processo que há muito tempo vem sendo estudado de forma fragmentada: como um único óvulo fertilizado dá origem a centenas de tipos diferentes de células, organizadas nos locais e momentos certos para construir um animal.

“Esta é realmente uma visão de como a informação no genoma se comporta no espaço e no tempo, passando de DNA linear para um animal tridimensional”, diz Weissman.

O mapa pode ter amplas implicações para a compreensão de defeitos congênitos e câncer. Muitos defeitos congênitos surgem quando as células mudam de curso durante a formação de tecidos e órgãos. Um mapa detalhado do desenvolvimento típico poderia ajudar os pesquisadores a identificar onde e quando esses processos falham. No câncer, a mesma abordagem poderia ajudar os cientistas a rastrear quando as células adquirem características como a capacidade de se espalhar ou resistir ao tratamento. 

O mapa também pode contribuir para a pesquisa com células-tronco, revelando a sequência de estados celulares que leva a tipos celulares maduros e funcionais.

Na década de 1980, cientistas se aventuraram em território semelhante, acompanhando meticulosamente o desenvolvimento do  Caenorhabditis elegans , um minúsculo verme cujo corpo transparente contém apenas cerca de 1.000 células. Usando microscopia, eles conseguiram rastrear como as células individuais se dividiam e onde seus descendentes acabavam.

Mas alcançar algo similar em um mamífero era um desafio em uma escala muito diferente. Os embriões de mamíferos contêm muito mais células, se desenvolvem dentro do útero — fora da nossa vista — e não seguem um roteiro completamente predeterminado.

O novo estudo aborda esse desafio usando uma tecnologia desenvolvida no Laboratório Weissman chamada PEtracer. O sistema funciona como uma espécie de gravador de voo dentro de uma célula. O PEtracer faz pequenas alterações hereditárias no DNA que são transmitidas à medida que as células se dividem. Ao ler essas alterações posteriormente, os cientistas podem trabalhar de trás para frente para reconstruir quais células vieram de quais ancestrais, essencialmente construindo uma árvore genealógica para as células no embrião em desenvolvimento.

Neste trabalho, os pesquisadores combinaram essas árvores genealógicas com informações sobre quais genes estavam ativos em cada célula e onde essas células estavam localizadas no embrião. Eles analisaram mais de um milhão de células de embriões de camundongos coletadas em múltiplos estágios do desenvolvimento, o que lhes permitiu acompanhar não apenas para onde as células foram, mas também quando elas começaram a se direcionar para destinos específicos.

Um novo estudo do grupo de Jay Shendure, da Universidade de Washington, publicado simultaneamente na revista  Science , utiliza uma abordagem relacionada, chamada DNA Typewriter, para rastrear as divisões celulares em embriões de camundongos em desenvolvimento e construir um registro de seu histórico celular. 

Ambos os estudos fornecem uma visão muito mais abrangente do desenvolvimento de mamíferos do que existia anteriormente. A equipe de Weissman, no entanto, estudou embriões em estágios de desenvolvimento muito próximos, analisando múltiplos embriões em cada estágio. Isso lhes proporcionou uma visão mais detalhada de como o desenvolvimento ocorre e permitiu que questionassem com que consistência as células seguem os mesmos caminhos de um embrião para outro. 

Com esse cronograma detalhado, os pesquisadores também puderam determinar quando as células se comprometem com destinos específicos, quantas células iniciais chegam a formar um tecido e como elas contribuem, em última instância, para o desenvolvimento do órgão.

Enquanto estudos anteriores podiam se concentrar em uma única população celular, essa abordagem coloca essas histórias individuais no contexto do desenvolvimento integral do animal — uma perspectiva particularmente útil para a compreensão de doenças. 

O câncer, por exemplo, não é um evento isolado, mas um processo no qual as células adquirem novas características ao longo do tempo, incluindo a capacidade de se espalhar ou resistir ao tratamento. Um mapa de linhagem celular poderia permitir que os pesquisadores rastreassem quando essas características surgem e como as células se modificam à medida que as adquirem.

“Tanto o desenvolvimento quanto o câncer dependem das decisões que as células tomam sobre o que elas se tornarão”, diz Luke Koblan, pós-doutorando no Laboratório Weissman e coautor principal do artigo. “Ao rastrear como as células se desenvolvem em embriões de camundongos, esperamos entender melhor como as células cancerígenas se modificam de maneiras que as ajudam a se espalhar ou a resistir ao tratamento.”

O estudo também pode fornecer um novo guia para a pesquisa com células-tronco. Cientistas têm dedicado décadas a tentar induzir células-tronco a se tornarem versões maduras e funcionais de tipos celulares específicos para pesquisa ou potenciais terapias. No entanto, reproduzir as condições precisas em um embrião é difícil.

"Se pudéssemos ter uma receita passo a passo de como criar todos os tipos de células do corpo", diz o estudante de pós-graduação e coautor principal William Colgan, "isso seria incrivelmente poderoso para a biologia das células-tronco."

Weissman compara o trabalho ao Projeto Genoma Humano: conhecer a sequência do genoma humano deu aos cientistas os ingredientes — mas não as instruções de como esses ingredientes são usados — para construir um organismo.

Este novo mapa começa a preencher as lacunas dessa receita. O resultado é um recurso que os pesquisadores podem usar para explorar o desenvolvimento de mamíferos de uma maneira fundamentalmente nova. Em vez de estudar o desenvolvimento como uma coleção de processos separados, os cientistas agora podem começar a ver como esses processos se encaixam em uma narrativa contínua.