Um novo estudo da Universidade Estadual da Carolina do Norte mostra uma maneira reproduzível de estudar a comunicação celular entre vários tipos de células vegetais por “bioimpressão” dessas células por meio de uma impressora 3D. Aprender mais sobre como as células vegetais se comunicam umas com as outras – e com seu ambiente – é a chave para entender mais sobre as funções das células vegetais e, em última análise, pode levar à criação de melhores variedades de culturas e ambientes de cultivo ideais.
Os pesquisadores bioimprimiram células da planta modelo Arabidopsis thaliana e da soja para estudar não apenas se as células vegetais viveriam após serem bioimpressas – e por quanto tempo – mas também para examinar como elas adquirem e mudam sua identidade e função.
“A raiz de uma planta tem muitos tipos de células diferentes com funções especializadas”, disse Lisa Van den Broeck, pesquisadora de pós-doutorado da NC State que é a primeira autora de um artigo descrevendo o trabalho. “Há também diferentes conjuntos de genes sendo expressos; alguns são específicos de células. Queríamos saber o que acontece depois que você bioimprime células vivas e as coloca em um ambiente que você projeta: elas estão vivas e fazendo o que deveriam estar fazendo?”
O processo de bioimpressão de células vegetais em 3D é mecanicamente semelhante à impressão de tinta ou plástico, com alguns ajustes necessários.
“Em vez de tinta ou plástico de impressão 3D, usamos ‘bioink’ ou células vegetais vivas”, disse Van den Broeck. “A mecânica é a mesma em ambos os processos, com algumas diferenças notáveis para as células vegetais: um filtro ultravioleta usado para manter o ambiente estéril e várias cabeças de impressão – em vez de apenas uma – para imprimir diferentes biotintas simultaneamente.”
Células vegetais vivas sem paredes celulares, ou protoplastos, foram bioimpressas junto com nutrientes, hormônios de crescimento e um agente espessante chamado agarose – um composto à base de algas marinhas. A agarose ajuda a fornecer resistência às células e andaimes, semelhante à argamassa que sustenta os tijolos na parede de um edifício.
“Descobrimos que é fundamental usar andaimes adequados”, disse Ross Sozzani, professor de biologia vegetal e microbiana da NC State e coautor do artigo. “Quando você imprime a biotinta, você precisa que ela seja líquida, mas quando ela sai, ela precisa ser sólida. Imitar o ambiente natural ajuda a manter os sinais e sinais celulares ocorrendo como no solo.”
A pesquisa mostrou que mais da metade das células bioimpressas em 3D eram viáveis e divididas ao longo do tempo para formar microcalos, ou pequenas colônias de células.
“Esperávamos uma boa viabilidade no dia em que as células fossem bioimpressas, mas nunca mantivemos células após algumas horas após a bioimpressão, então não tínhamos ideia do que aconteceria dias depois”, disse Van den Broeck. “Intervalos de viabilidade semelhantes são mostrados após a pipetagem manual das células, de modo que o processo de impressão 3D não parece fazer nada prejudicial às células”.
“Este é um processo manualmente difícil, e a bioimpressão 3D controla a pressão das gotículas e a velocidade com que as gotículas são impressas”, disse Sozzani. “A bioimpressão oferece uma melhor oportunidade para processamento de alto rendimento e controle sobre a arquitetura das células após a bioimpressão, como camadas ou formas de favo de mel”.
Os pesquisadores também bioimprimiram células individuais para testar se elas poderiam se regenerar ou se dividir e se multiplicar. As descobertas mostraram que as células da raiz e da parte aérea de Arabidopsis precisavam de diferentes combinações de nutrientes e andaimes para uma viabilidade ideal.
Enquanto isso, mais de 40% das células embrionárias de soja permaneceram viáveis duas semanas após a bioimpressão e também se dividiram ao longo do tempo para formar microcalos.
“Isso mostra que a bioimpressão 3D pode ser útil para estudar a regeneração celular em plantas cultivadas”, disse Sozzani.
Finalmente, os pesquisadores estudaram a identidade celular das células bioimpressas. Células de raiz de Arabidopsis e células embrionárias de soja são conhecidas por altas taxas de proliferação e falta de identidades fixas. Em outras palavras, como as células-tronco animais ou humanas, essas células podem se tornar diferentes tipos de células.
“Descobrimos que as células bioimpressas podem assumir a identidade das células-tronco; elas se dividem e crescem e expressam genes específicos”, disse Van den Broeck. “Quando você bioimprime, você imprime uma população inteira de tipos de células. Fomos capazes de examinar os genes expressos por células individuais após a bioimpressão 3D para entender quaisquer mudanças na identidade celular.”
Os pesquisadores planejam continuar seu trabalho estudando a comunicação celular após a bioimpressão 3D, inclusive no nível de célula única.
“No todo, este estudo mostra o poderoso potencial do uso de bioimpressão 3D para identificar os compostos ideais necessários para apoiar a viabilidade e a comunicação das células vegetais em um ambiente controlado”, disse Sozzani.
A pesquisa aparece na Science Advances. Tim Horn, professor assistente de engenharia mecânica e aeroespacial da NC State, é co-autor correspondente do artigo.
Publicado em 15/10/2022 21h01
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