A doença da malária é 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 realmente se mover, a menos que essa restrição seja levantada por meio de uma preparação experimental apropriada.
Pela Universidade de Heidelberg com informações de Phys.
Em um conjunto de experimentos, pesquisadores da Universidade de Heidelberg colocaram os patógenos em movimento e analisaram os dados de imagem adquiridos usando métodos de processamento de imagem de ponta. Os dados mostram 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 no 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”, explica o Prof. Dr. Ulrich Schwarz, chefe do grupo de trabalho de Física de Biossistemas Complexos do Instituto de Física Teórica da Universidade de Heidelberg. Em um estudo interdisciplinar em conjunto com o Prof. Dr. Friedrich Frischknecht (pesquisa da malária) e Prof. 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 é bem sucedida se um patógeno atinge a corrente sanguínea”, diz o Prof. Frischknecht.
Em seus estudos no Centro de Doenças Infecciosas do Hospital Universitário de Heidelberg, Friedrich Frischknecht e sua equipe descobriram que os parasitas nas glândulas salivares infectadas podem ser mobilizados como um coletivo. Para isso, as glândulas salivares são dissecadas do mosquito 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 difiram pelo fato de sempre girarem na mesma direção. Os vórtices do parasita, portanto, têm um caráter quiral e – igualmente inesperadamente – flutuam em tamanho. Segundo o Prof. Frischknecht, essas oscilações apontam para características emergentes.
Para entender esses fenômenos com mais precisão, os dados experimentais foram analisados quantitativamente. Os grupos de Ulrich Schwarz e Karl Rohr, chefe do Biomedical Computer Vision Group do BioQuant Center da Universidade de Heidelberg, usaram métodos de processamento de imagem de ponta 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 modelos oferece a oportunidade de entender melhor a física de coletivos com propriedades elásticas e talvez torná-los utilizáveis para aplicações técnicas no futuro”, afirma o físico Ulrich Schwarz.
Na próxima etapa, 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 agora negligenciado – uma descoberta que também abre novas perspectivas para intervenções médicas”, diz Frischknecht.
O trabalho de pesquisa foi realizado no âmbito do Collaborative Research Center 1129, “Integrative Analysis of Pathogen Replication and Spread,”, com sede na Faculdade de Medicina de Heidelberg da Universidade de Heidelberg. Os resultados do estudo interdisciplinar foram publicados na revista Nature Physics .
Mais informações: Pintu Patra et al, Collective migration reveals mechanical flexibility of malaria parasites, Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01583-2
