Mecanótipo: como a física explica a diversidade de formas nos Cnidários

Os animais apresentam formas corporais tão diferentes entre si que, por vezes, parece que a natureza está a improvisar. Uma medusa não se parece com um coral. E uma anémona-do-mar não se assemelha a nenhum dos dois, apesar de os três serem parentes próximos no mesmo filo, Cnidaria.

Na biologia mais tradicional, a explicação para estas diferenças costuma começar pela genética. Contudo, um novo estudo defende que os genes são apenas uma parte da história.

Segundo os investigadores, o elemento em falta é a física - mais concretamente, as propriedades mecânicas dos tecidos à medida que crescem e se reorganizam.

Cientistas do EMBL e da University of Geneva propõem que a diversidade de formas entre espécies pode ser compreendida através de variações num pequeno conjunto de características mecânicas dos tecidos.

À assinatura resultante deram o nome de mecanótipo de uma espécie - uma espécie de “perfil” mecânico que ajuda a antecipar que forma um organismo irá assumir.

Leis físicas e corpos de animais

A ideia é moderna, mas assenta num conceito antigo. Há mais de um século, o biólogo e matemático escocês D’Arcy Thompson defendeu que as leis físicas desempenham um papel fundamental na construção das formas dos seres vivos.

O novo trabalho não pretende substituir a genética; procura, sim, ligá-la a algo mais directamente previsível: a forma como os tecidos se dobram, se esticam e geram forças durante o desenvolvimento.

“Comparar genomas pode revelar diferenças genéticas associadas à diversidade de formas, mas os genes não nos conseguem dizer como a morfogénese se desenrola”, afirmou Aissam Ikmi, líder de grupo no EMBL Heidelberg e um dos autores sénior.

“Mesmo com um genoma na mão, ainda não conseguimos prever a forma final de um organismo.”

Porque é que os genes, por si só, não explicam a forma

Mesmo quando duas espécies são geneticamente semelhantes, podem acabar com planos corporais muito distintos. Isto acontece porque a morfogénese - o processo em que um embrião ou uma larva se transforma num organismo com forma - não é apenas um guião genético. É também uma execução física.

As células não se desenvolvem isoladamente. Puxam umas pelas outras. Organizam-se em lâminas e em tubos. Em conjunto, produzem tensão e pressão.

Estas forças podem fazer com que os tecidos se dobrem, se alonguem ou se estreitem, e esses comportamentos mecânicos podem alterar por completo a forma corporal final.

Ikmi e os seus colegas suspeitaram que, se a evolução gera formas corporais diferentes, pode fazê-lo não só ao mudar genes, mas também ao modificar a forma como as células actuam em conjunto enquanto tecido - o nível em que as forças emergem.

“O que importa é como as células trabalham em conjunto como um tecido para gerar forças e restrições mecânicas”, disse Ikmi.

“Se é aqui que a morfogénese opera, então pode ser também aqui que a diversidade de formas emerge ao longo da evolução.”

Cnidários como caso de teste ideal

Os cnidários são particularmente adequados para colocar este tipo de questões, porque os seus planos corporais são relativamente simples, mas extremamente diversos. Além disso, atravessam fases de vida em que as mudanças de forma são muito marcadas.

No total, a equipa analisou seis espécies de cnidários: dois corais, duas anémonas e dois hidrozoários. O objectivo não era descrever cada espécie em pormenor, mas perceber se um número reduzido de regras mecânicas conseguiria explicar grandes diferenças de forma.

Para isso, o estudo precisou de mais do que biologia do desenvolvimento clássica. Foram necessárias física teórica e modelação matemática - ferramentas úteis quando se suspeita que padrões complexos podem reduzir-se a alguns parâmetros que governam o sistema.

Foi aí que entraram os colaboradores da University of Geneva. A equipa incluiu Guillaume Salbreux e o seu pós-doutorando Nicolas Cuny, além de Richard Bailleul, antigo pós-doutorando do EMBL com formação em matemática.

“Uma ideia importante em física é que, quando descritas à escala certa, características emergentes de sistemas complexos podem ser compreendidas através de modelos que envolvem apenas alguns parâmetros-chave”, afirmou Salbreux.

Os três módulos mecânicos

Ao combinarem observações experimentais com modelação teórica, os investigadores identificaram três “módulos mecânicos” essenciais que, ao serem combinados, podem explicar duas características principais da forma dos animais.

Uma dessas características é o alongamento - o quão esticado ou compacto o animal é ao longo do seu eixo corporal principal. A outra é a polaridade - se a extremidade superior do animal, onde está a boca, é mais larga ou mais estreita do que a base.

Nos cnidários, esta diferença de forma oral–aboral é uma componente central do que faz com que uma espécie pareça tão diferente de outra.

Ao ajustar os valores desses módulos mecânicos - quase como rodar botões num painel de controlo - o modelo passou a gerar combinações previstas distintas de alongamento e polaridade. O conjunto único dessas “afinações” para cada espécie é aquilo a que chamam o seu mecanótipo.

“As alterações mecânicas acabam por resultar de alterações moleculares, mas é no mecanótipo que essa informação se torna preditiva da forma”, disse Ikmi.

“Cremos que a evolução actua sobre estes módulos para gerar novas formas.”

Isto representa uma mudança subtil de perspectiva. Em vez de se afirmar “este gene causa esta forma”, o estudo sugere: os genes são importantes porque alteram comportamentos mecânicos, e é nesses comportamentos mecânicos que a forma se torna previsível.

Alterar formas corporais dos animais

A questão seguinte é evidente: será isto apenas uma boa descrição, ou consegue mesmo prever o que acontece quando se perturba o sistema?

Para o testar, a equipa realizou experiências de “remodelação” na anémona-do-mar Nematostella. As suas larvas são, tipicamente, alongadas e têm uma extremidade oral estreita.

Quando os investigadores introduziram alterações genéticas que afectavam um dos módulos mecânicos, aconteceu algo notável: as larvas ficaram arredondadas em vez de alongadas.

A polaridade mostrou-se mais difícil de alterar. Para deslocar a assimetria entre a extremidade oral e a base para algo que lembrasse outra espécie, Aiptasia, os cientistas tiveram de perturbar vários módulos em simultâneo.

Este resultado é relevante porque sugere que alguns aspectos da forma podem depender de uma única alavanca mecânica dominante, enquanto outros resultam de combinações mais complexas.

Em conjunto, estas experiências indicaram que os mecanótipos não são apenas rótulos. Pelo menos nestes organismos modelo, podem servir para prever quantitativamente e até manipular a forma.

“Penso que a principal conquista deste estudo é demonstrar a relevância de abordar a evolução morfológica a partir da perspectiva de princípios físicos mesoscópicos, uma ideia proposta há mais de um século por D’Arcy Thompson e que o nosso estudo agora põe em prática”, afirmou Cuny.

Trabalho entre múltiplas disciplinas

Uma parte importante da mensagem do artigo centra-se na colaboração. Os experimentalistas tinham grande experiência em desenvolvimento e morfogénese de cnidários.

Os teóricos, por sua vez, trouxeram as ferramentas de modelação necessárias para reduzir a variação biológica - muitas vezes confusa - a um pequeno conjunto de parâmetros com significado.

“A colaboração entre teóricos e biólogos experimentais é ideal quando se partilha entusiasmo pela pergunta colocada”, disse Salbreux.

“Foi o que aconteceu aqui: ambas as equipas estavam interessadas na questão ampla da variação de forma.”

Ikmi sublinhou igualmente que não foi um cenário de “equipa de teoria mais equipa de biologia”, mas um projecto verdadeiramente partilhado, em que a modelação orientou as experiências e as experiências, por sua vez, orientaram a modelação.

Direcções futuras de investigação

A equipa pretende alargar o enquadramento para além da fase larvar, abrangendo a fase de pólipo nos ciclos de vida dos cnidários, e incluir mais espécies. Isto é importante, porque o verdadeiro teste de qualquer “princípio” em biologia é perceber se se mantém quando se alarga o campo de observação.

Se se confirmar, os mecanótipos poderão tornar-se uma nova forma de pensar a evolução morfológica - não como uma lista interminável de detalhes genéticos, mas como alterações num pequeno conjunto de regras mecânicas ao nível dos tecidos, que a evolução pode ajustar para gerar novas formas.

De certa forma, é uma ponte satisfatória entre dois mundos: a genética fornece as instruções de base, mas a física ajuda a explicar como essas instruções se transformam num corpo que, de facto, conseguimos reconhecer.