Combinando uma profunda curiosidade e "biologia recreativa", os pesquisadores de Stanford descobriram como uma célula simples produz um comportamento extraordinariamente complexo, tudo sem sistema nervoso. É origami, dizem.

“Há algumas coisas na vida que você pode assistir e nunca deixar de assistir”, disse Manu Prakash, professor associado de bioengenharia na Universidade de Stanford, citando um vídeo de seu mais recente fascínio, o organismo unicelular Lacrymaria olor, um protista de vida livre. ele tropeçou ao brincar com seu Foldscope de papel . "É... simplesmente... é hipnotizante."

“Desde o momento em que Manu me mostrou, fiquei paralisado por esta célula”, disse Eliott Flaum, um estudante de pós-graduação do Prakash Lab “movido pela curiosidade”. Prakash e Flaum passaram os últimos sete anos estudando cada movimento de Lacrymaria olor e publicaram um artigo sobre seu trabalho na Science.

“A primeira vez que voltei com uma micrografia de fluorescência foi de tirar o fôlego”, disse Flaum. "Essa imagem está no jornal."

O vídeo que Prakash colocou na fila revela por que esse organismo é muito mais do que uma imagem bonita: uma única célula em forma de lágrima nada em uma gota de água de um lago. Num instante, um “pescoço” longo e fino se projeta da extremidade inferior bulbosa. E continua. E indo. Então, com a mesma rapidez, o pescoço se retrai, como se nada tivesse acontecido.

Em segundos, uma célula que tinha apenas 40 mícrons da ponta à cauda gerou um pescoço que se estendia por 1.500 mícrons ou mais pelo mundo. É o equivalente a um ser humano de 1,80 metro projetando sua cabeça a mais de 60 metros. Tudo de uma célula sem sistema nervoso.

“É um comportamento incrivelmente complexo”, disse Prakash com um sorriso.

L. olor é destaque na Ciência porque Prakash e Flaum descobriram nesse comportamento um novo mecanismo geométrico até então desconhecido na biologia. E são os primeiros a explicar como uma célula tão simples pode produzir uma morfodinâmica tão incrível, um belo dobramento e desdobramento — também conhecido como origami — na escala de uma única célula, repetidas vezes sem falhar.

É geometria. O comportamento de L. olor é codificado em sua estrutura do citoesqueleto, assim como o comportamento humano é codificado em circuitos neurais.

“Este é o primeiro exemplo de origami celular”, disse Prakash. "Estamos pensando em chamá-lo de lacrygami."

Especificamente, é um subconjunto do origami tradicional conhecido como “origami com vinco curvo”. Tudo se baseia em uma estrutura de microtúbulos finos e helicoidais – costelas que envolvem a membrana celular. Essas costelas de microtúbulos são envoltas em uma delicada membrana diáfana, definindo o padrão de dobras dos picos em uma série de dobras de montanha e vale.

Prakash e Flaum usaram microscopia eletrônica de transmissão e outras técnicas de investigação de última geração para mostrar que existem na verdade 15 dessas fitas rígidas e helicoidais de microtúbulos envolvendo a membrana celular de L. olor - um citoesqueleto. Esses túbulos enrolam-se e desenrolam-se, levando a uma longa projeção e retração, aninhando-se em si mesmos como o fole de um acordeão helicoidal comprimido. A teia de membrana se esconde dentro da célula em pregas bem definidas.

“Quando você armazena pregas no ângulo helicoidal dessa maneira, pode armazenar uma quantidade infinita de material”, explicou Flaum. "A biologia descobriu isso."

A elegância está na aritmética. É matematicamente impossível que esta estrutura se desdobre de qualquer outra forma – e, inversamente, apenas uma forma pode retrair-se. O que talvez seja mais impressionante para Prakash é a robustez da arquitetura. Durante sua vida, L. olor realizará essa projeção e retração 50.000 vezes sem falhas, disse ele, "L. olor é obrigado por sua geometria a dobrar e desdobrar desta maneira particular."

A chave é um fenômeno matemático pouco estudado que ocorre no ponto preciso onde as costelas se torcem e a membrana dobrada começa a se desenrolar. É uma singularidade – um ponto onde a estrutura é dobrada e desdobrada ao mesmo tempo. É ambos e nenhum dos dois – singular.

Pegando um pedaço de papel, Prakash dobra-o em forma de cone e puxa um canto do papel para demonstrar como essa singularidade (chamada cone d) viaja pela folha em uma linha perfeita - e, empurrando o canto para trás, como a singularidade percorre exatamente o mesmo caminho até sua posição original.

"Ele se desdobra e se dobra nesta singularidade a cada vez, agindo como um controlador. Esta é a primeira vez que um controlador geométrico de comportamento foi descrito em uma célula viva", explicou Prakash.

Um tema constante em todo o trabalho do Prakash Lab é um profundo sentimento de admiração e diversão que resulta na curiosidade energética necessária para perseguir tal ideia por tanto tempo. É, nos termos de Prakash, ciência da velha escola. Ele também chama isso de biologia recreativa.

Para demonstrar sua inspiração, Prakash exibiu uma árvore genealógica de outros organismos unicelulares que escolheu estudar. É verdade que ninguém pode fazer o que L. olor pode fazer, disse ele. Mas essas geometrias intrincadas apresentam milhares de formas. Lindo? Certamente, mas cada um também esconde regras maravilhosas e não escritas sob as mangas.

“Começamos com um quebra-cabeça”, explicou Prakash com toda a seriedade que um cientista pode reunir. "Ellie e eu fizemos uma pergunta muito simples: de onde vem esse material? E para onde ele vai? Escolhemos a Árvore da Vida como nosso playground. Sete anos depois, aqui estamos."

Quanto às aplicações práticas, o engenheiro Prakash já está imaginando uma nova era de “máquinas vivas” implantáveis em microescala que poderiam transformar tudo, desde telescópios espaciais até robôs cirúrgicos em miniatura na sala de cirurgia.

Prakash também é membro sênior do Stanford Woods Institute for the Environment, professor associado (por cortesia) de biologia e oceanos, membro do Stanford Bio-X, da Wu Tsai Human Performance Alliance, do Maternal & Child Health Research Institute, e o Instituto de Neurociências Wu Tsai.