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Parasitas da malária formam vórtices: movimentação coletiva dos patógenos é fortemente determinada por princípios físicos
A malária é uma doença desencadeada por parasitas unicelulares que se acumulam em grandes grupos nas glândulas salivares dos mosquitos antes da transmissão aos seres humanos. O espaço limitado não os impede de se moverem, a menos que essa restrição seja ocasionada por meio de uma preparação experimental apropriada. Recentemente, pesquisadores da Universidade Heidelberg, na Alemanha, colocaram os patógenos em movimento e analisaram os dados de imagem adquiridos usando métodos de processamento de imagens de ponta. Os dados mostraram que os patógenos que se movem coletivamente formam sistemas de vórtices que são amplamente determinados por princípios físicos. Simulações especiais de computador ajudaram a identificar os mecanismos subjacentes a esses movimentos rotativos.
O movimento coletivo de organismos biológicos é um fenômeno comum no mundo natural. Insetos e peixes, por exemplo, tendem a se mover em enxames. Muitas vezes, o movimento coletivo também ocorre em nível celular, como quando as células cancerígenas migram de um tumor ou as bactérias formam um biofilme. A colaboração de muitos indivíduos pode dar origem ao chamado comportamento emergente – novas características que de outra forma não existiriam dessa forma.
“Na física, a coletividade cria processos importantes como transições de fase, supercondutividade e propriedades magnéticas”, explicou o professor Dr. Ulrich Schwarz, chefe do grupo de pesquisa ‘Física de Biossistemas Complexos’ do Instituto de Física Teórica da Universidade de Heidelberg. Em um estudo interdisciplinar, juntamente com o professor Dr. Friedrich Frischknecht (pesquisa da malária) e com o professor Dr. Karl Rohr (análise de imagens biomédicas), ele mostrou que o movimento coletivo também pode ocorrer no Plasmodium, o agente causador da malária.
O organismo unicelular é injetado na pele por meio de uma picada de mosquito, desenvolvendo-se primeiro no fígado e depois no sangue. Como o Plasmodium atua como uma única célula na maioria de seus estágios, até agora suas propriedades coletivas foram pouco estudadas. Na glândula salivar do mosquito, o parasita tem formato longo e curvo, semelhante a uma lua crescente, e é conhecido como esporozoíto. “Assim que os esporozoítos são injetados na pele pelo mosquito, os parasitas individuais começam a se mover rapidamente em direção aos vasos sanguíneos. Esta é a fase crítica da infecção, porque só tem sucesso se um patógeno atingir a corrente sanguínea”, enfatizou o professor Friedrich Frischknecht.
Em seus estudos no Centro de Doenças Infecciosas do Hospital Universitário de Heidelberg, o professor Friedrich Frischknecht e sua equipe descobriram que os parasitas nas glândulas salivares infectadas podem ser mobilizados como um coletivo. Para isso, as glândulas salivares do mosquito foram dissecadas e cuidadosamente pressionadas entre duas pequenas placas de vidro. Os pesquisadores ficaram surpresos ao descobrir que as células em forma de lua crescente formam vórtices rotativos na nova preparação. Eles lembram os movimentos coletivos de bactérias ou peixes, embora sejam diferentes pelo fato de sempre girarem na mesma direção. Os vórtices do parasita, portanto, têm um caráter quiral e – também inesperadamente – flutuam em tamanho. Segundo o professor Frischknecht, essas oscilações apontam para características emergentes, pois só são possíveis no coletivo das células em movimento e se fortalecem em vórtices maiores.
Para entender esses fenômenos com mais precisão, os dados experimentais foram analisados quantitativamente. Os grupos do Dr. Ulrich Schwarz e do Dr. Karl Rohr usaram métodos de processamento de imagem para esse fim. Eles foram capazes de rastrear parasitas individuais nos vórtices rotativos e medir sua velocidade e curvatura. Usando as chamadas simulações de computador baseadas em agentes, foi possível identificar com precisão as leis que podem explicar todos os aspectos das observações experimentais. A interação do movimento ativo, forma curva da célula e quiralidade em conjunto com a flexibilidade mecânica é suficiente para explicar os fenômenos de classificação e oscilação nos vórtices do parasita. As oscilações observadas pelos cientistas surgem porque o movimento dos patógenos individuais é convertido em energia elástica que é armazenada no vórtice. “Nosso novo sistema de modelo oferece a oportunidade de entender melhor a física de coletivos com propriedades elásticas e talvez torná-los utilizáveis para aplicações técnicas no futuro”, afirmou o Dr. Ulrich Schwarz.
Na próxima etapa do estudo, os pesquisadores investigarão exatamente como ocorre a quiralidade do movimento. A estrutura dos esporozoítos sugere diferentes possibilidades que podem ser estudadas em experimentos com mutações genéticas. As simulações iniciais de computador já mostraram que os parasitas que giram para a direita e para a esquerda rapidamente segregam e geram sistemas de vórtices separados. Uma melhor compreensão dos mecanismos moleculares subjacentes poderia abrir novos caminhos para interromper o movimento dos esporozoítos no início de cada infecção por malária. “De qualquer forma, nosso estudo mostrou que a mecânica dos patógenos desempenha um papel extremamente importante e até então negligenciado – uma descoberta que também abre novas perspectivas para intervenções médicas”, explicou o infectologista Friedrich Frischknecht.
Os resultados foram publicados na revista científica Nature Physics.
Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).
Acesse a notícia completa na página da Universidade Heidelberg (em inglês).
Fonte: Universidade Heidelberg.
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