As anêmonas do mar começam a vida como larvas ligeiramente ovóides e nadadoras livres e se metamorfoseiam em adultos tubulares alongados que ficam presos à rocha e têm tentáculos ao redor da boca. Isto envolve mudanças drásticas no comportamento e na forma de vida, juntamente com mudanças extensas nos tecidos. Embora o desenvolvimento embrionário tenha recebido atenção da investigação no passado e o comportamento dos embriões iniciais tenha sido estudado, não está claro até que ponto a actividade física de um embrião influencia a sua própria mudança na forma corporal.
No passado, os cientistas que desejavam mapear as conexões entre o comportamento dinâmico e as mudanças corporais que ocorrem durante a metamorfose foram dificultados pela falta de estratégias de imagens ao vivo que capturassem a dinâmica desta transição da história de vida. Os investigadores do Laboratório Europeu de Biologia Molecular (EMBL) ultrapassaram agora este obstáculo utilizando a sua experiência em imagens ao vivo, metodologia computacional, biofísica e genética. Eles conseguiram virar Imagens ao vivo em 2D e 3D em recursos quantitativos para rastrear as mudanças nos corpos das anêmonas-estrelas em desenvolvimento (Nematostela). Os resultados foram publicados na revista Biologia Atual.
Os especialistas estabeleceram um método de imagem ao vivo de alto rendimento usando um microscópio especialmente adaptado e observaram as mudanças que ocorrem durante a transição da larva para o pólipo em 707 anêmonas. Isso ocorreu durante cerca de sete dias e os pesquisadores registraram as alterações em intervalos de 5 minutos. Eles descobriram que a circularidade larval diminuiu drasticamente durante a transição, devido principalmente a um aumento de 3 a 4 vezes no comprimento do corpo do pólipo à medida que se tornava mais tubular e desenvolvia tentáculos orais.
Durante esse período, as anêmonas-do-mar se comportaram como bombas hidráulicas, absorvendo água e regulando a pressão corporal por meio da atividade muscular. Os pesquisadores realizaram padrões específicos de movimentos de ginástica que pressionavam determinados tecidos, esculpindo assim a forma do corpo à medida que ele se tornava mais alongado. Muita ou pouca atividade muscular ou uma mudança drástica na organização de seus músculos podem desviar a anêmona do mar de sua forma normal.
“Os humanos usam um esqueleto feito de músculos e ossos para se exercitar. Em contraste, as anêmonas do mar usam um hidroesqueleto feito de músculos e uma cavidade cheia de água”, disse Aissam Ikmi, líder do grupo EMBL. Os mesmos músculos hidráulicos que ajudam as anêmonas do mar em desenvolvimento a se mover também parecem afetar o modo como elas se desenvolvem. Usando um pipeline de análise de imagens para medir o comprimento, o diâmetro, o volume estimado e a motilidade da coluna corporal em grandes conjuntos de dados, os cientistas descobriram que Nematostela as larvas dividem-se naturalmente em dois grupos: larvas de desenvolvimento lento e rápido. Para surpresa da equipe, quanto mais ativas as larvas, mais tempo elas demoram para se desenvolver.
“Nosso trabalho mostra como as anêmonas-do-mar em desenvolvimento essencialmente se ‘exercitam’ para construir sua morfologia, mas parece que elas não podem usar seu hidroesqueleto para se mover e se desenvolver simultaneamente”, disse Ikmi.
As anêmonas em desenvolvimento utilizam esse sistema hidráulico para remodelar seus tecidos durante esse período. Através do uso de ondas peristálticas, compressão e contrações longitudinais, estimulam a proliferação de tecidos em alguns locais e a morte celular em outros, alterando assim a disposição dos tecidos do corpo.
“Houve muitos desafios para fazer esta pesquisa”, explicou a primeira autora e ex-pré-doutoranda do EMBL, Anniek Stokkermans, agora pós-doutorada no Instituto Hubrecht, na Holanda. “Este animal é muito ativo. A maioria dos microscópios não consegue gravar rápido o suficiente para acompanhar os movimentos do animal, resultando em imagens borradas, especialmente quando você deseja observá-lo em 3D. Além disso, o animal é bastante denso, então a maioria dos microscópios não consegue ver nem metade do animal.”
Para olhar mais profundo e mais rápido, Ling Wang, engenheiro de aplicação do grupo Prevedel da EMBL, construiu um microscópio para capturar larvas vivas e em desenvolvimento de anêmonas do mar em 3D durante seu comportamento natural.
“Para este projeto, Ling adaptou especificamente uma de nossas principais tecnologias, Microscopia de Coerência Óptica ou OCM. A principal vantagem do OCM é que ele permite que os animais se movam livremente sob o microscópio, ao mesmo tempo que fornece uma visão clara e detalhada do interior e em 3D.” disse Robert Prevedel, líder do grupo EMBL. “Tem sido um projeto emocionante que mostra as muitas interfaces diferentes entre grupos e disciplinas EMBL.”
Com essa ferramenta especializada, os pesquisadores conseguiram quantificar alterações volumétricas em tecidos e cavidades corporais. “Para aumentar o seu tamanho, as anémonas do mar inflam como um balão, retirando água do ambiente”, explicou Stokkermans. “Depois, ao contrair diferentes tipos de músculos, podem regular a sua forma a curto prazo, tal como apertar um balão insuflado de um lado e observá-lo expandir-se do outro lado. Acreditamos que esta expansão local impulsionada pela pressão ajuda a esticar o tecido, de modo que o animal lentamente se torna mais alongado. Desta forma, as contrações podem ter efeitos tanto a curto como a longo prazo.”
Para compreender melhor a hidráulica e sua função, os pesquisadores colaboraram com especialistas de diversas disciplinas. Prachiti Moghe, um pré-doutorando EMBL no grupo Hiiragi, mediu as mudanças de pressão que provocam deformações corporais. Além disso, o matemático L. Mahadevan e o engenheiro Aditi Chakrabarti, da Universidade de Harvard, introduziram um modelo matemático para quantificar o papel das pressões hidráulicas na condução de mudanças na forma no nível do sistema. Eles também projetaram balões reforçados com faixas e fitas que imitam a variedade de formas e tamanhos vistos em animais normais e com defeitos musculares.
“Dada a onipresença dos esqueletos hidrostáticos no reino animal, especialmente em invertebrados marinhos, nosso estudo sugere que a hidráulica muscular ativa desempenha um papel amplo no princípio de design de animais de corpo mole”, disse Ikmi. “Em muitos sistemas de engenharia, a hidráulica é definida pela capacidade de aproveitar a pressão e o fluxo em trabalho mecânico, com efeitos de longo alcance no espaço-tempo. À medida que a multicelularidade animal evoluiu num ambiente aquático, propomos que os primeiros animais provavelmente exploraram a mesma física, com a hidráulica conduzindo decisões tanto de desenvolvimento como comportamentais.”
“Ainda temos muitas dúvidas decorrentes dessas novas descobertas”, disse Stokkermans. “Por que existem diferentes níveis de atividade? Como as células percebem e traduzem exatamente a pressão em um resultado de desenvolvimento? Além disso, uma vez que estruturas semelhantes a tubos formam a base de muitos dos nossos órgãos, estudar os mecanismos que se aplicam a Nematostela também ajudará a obter maior compreensão sobre como a hidráulica desempenha um papel no desenvolvimento e função dos órgãos.”
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Por Alison Bosman, Naturlink Funcionário escritor
