Impressora 3D de precisão da natureza: a construção artística de cerdas de minhoca

Uma melhor compreensão desse processo de formação natural oferece potencial para desenvolvimentos técnicos.

Um novo estudo interdisciplinar liderado pelo biólogo molecular Florian Raible do Max Perutz Labs da Universidade de Viena fornece insights interessantes sobre as cerdas do verme anelídeo marinho Platynereis dumerilii. Células especializadas, chamadas quetoblastos, controlam a formação das cerdas. Seu modo de operação é surpreendentemente semelhante ao de uma impressora 3D técnica. O projeto é uma colaboração com pesquisadores da Universidade de Helsinque, Universidade de Tecnologia de Viena e Universidade Masaryk em Brno. O estudo foi publicado recentemente no renomado periódico Comunicações da Natureza.

Impressora 3D da Natureza: Minhocas de Cerdas Formam Cerdas Pedaço por Pedaço

A quitina é o principal material de construção tanto do exoesqueleto dos insetos quanto das cerdas dos vermes de cerdas, como o verme anelídeo marinho. Platynereis dumerilii. No entanto, os vermes de cerdas têm uma quitina um pouco mais macia – a chamada beta quitina – que é particularmente interessante para aplicações biomédicas. As cerdas permitem que os vermes se movam na água.

Como exatamente a quitina é formada em cerdas distintas permaneceu enigmático até agora. O novo estudo agora fornece insights emocionantes sobre essa biogênese especial.

Florian Raible explica: “O processo começa com a ponta da cerda, seguida pela seção do meio e, finalmente, a base das cerdas. As peças acabadas são empurradas cada vez mais para fora do corpo. Neste processo de desenvolvimento, as unidades funcionais importantes são criadas uma após a outra, peça por peça, o que é semelhante à impressão 3D.”

Comparação entre impressão 3D “biológica” (esquerda) e “tecnológica” (direita). Crédito: Claudia Amort, Studio Amort

Biogênese de cerdas em vermes marinhos

Uma melhor compreensão de processos como esses também tem potencial para o desenvolvimento de futuros produtos médicos ou para a produção de materiais naturalmente degradáveis. A beta-quitina da concha dorsal da lula, por exemplo, é atualmente usada como matéria-prima para a produção de curativos para feridas particularmente bem tolerados. “Talvez no futuro também seja possível usar células anelídeos para produzir esse material”, diz Raible.

Diferentes segmentos das cerdas do anelídeo marinho Platynereis dumerilii. Reconstrução 3D de mais de 1000 micrografias eletrônicas. Lâmina (esquerda), lâmina com junta (centro), haste (direita). Crédito: Ilya Belevich, Universidade de Helsinque

Papel dos quetoblastos na formação de quitina

O contexto biológico exato para isso: os chamados chaetoblastos desempenham um papel central nesse processo. Chaetoblastos são células especializadas com estruturas de superfície longas, os chamados microvillos. Esses microvillos abrigam uma enzima específica que as pesquisas podem mostrar ser responsável pela formação de quitina, o material do qual as cerdas são feitas. Os resultados dos pesquisadores mostram uma superfície celular dinâmica caracterizada por microvillos dispostos geometricamente.

As microvilosidades individuais têm uma função semelhante aos bicos de uma impressora 3D. Florian Raible explica: “Nossa análise sugere que a quitina é produzida pelas microvilosidades individuais da célula quetoblástica. A mudança precisa no número e no formato dessas microvilosidades ao longo do tempo é, portanto, a chave para moldar as estruturas geométricas das cerdas individuais, como dentes individuais na ponta das cerdas, que são precisos até a faixa submicrométrica.” As cerdas geralmente se desenvolvem em apenas dois dias e podem ter formatos diferentes; dependendo do estágio de desenvolvimento do verme, elas são mais curtas ou mais longas, mais pontudas ou mais planas.

Primeiro autor Kyojiro Ikeda e líder do estudo Florian Raible (da esquerda para a direita). Crédito: Max Perutz Labs

Avanços nas técnicas de imagem de cerdas

Além da colaboração local com a Universidade de Tecnologia de Viena e especialistas em imagem da Universidade de Brno, a cooperação com o laboratório Jokitalo na Universidade de Helsinque provou ser um grande benefício para os pesquisadores da Universidade de Viena. Usando sua expertise em microscopia eletrônica de varredura de face de bloco serial (SBF-SEM), os pesquisadores investigaram o arranjo de microvilosidades no processo de formação de cerdas e propuseram um modelo 3D para a síntese da formação de cerdas. O primeiro autor Kyojiro Ikeda da Universidade de Viena explica: “A tomografia eletrônica padrão é muito trabalhosa, pois o corte das amostras e seu exame no microscópio eletrônico devem ser feitos manualmente. Com essa abordagem, no entanto, podemos automatizar de forma confiável a análise de milhares de camadas.”

O grupo Raible está atualmente trabalhando para melhorar a resolução da observação para revelar ainda mais detalhes sobre a biogênese das cerdas.

Referência: “Dynamic microvilli sculpt bristles at nanometric scale” por Kyojiro N. Ikeda, Ilya Belevich, Luis Zelaya-Lainez, Lukas Orel, Josef Füssl, Jaromír Gumulec, Christian Hellmich, Eija Jokitalo e Florian Raible, 13 de maio de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-48044-3