Webinários

RESUMO:

Entender como diferentes células de um mesmo organismo apresentam características distintas (fenótipos) apesar de possuírem o mesmo genoma é uma questão das mais antigas na biologia. Para entender os mecanismos responsáveis pela diferenciação celular que dá origem a essa diversidade de células, Waddington propôs seu famoso modelo do Epigenetic Landscape (1) em 1957. Mais recentemente, usando conceitos da teoria de sistemas dinâmicos, KauKman e colaboradores (2,3) propuseram o conceito de atratores do câncer, de acordo com o qual cada tipo celular corresponde a um atrator num espaço multidimensional. Dada a complexidade do genoma humano, alguns desses atratores correspondem a células cancerosas. Dessa forma, a possibilidade do surgimento dessas células já estaria previamente estabelecida em nosso genoma. Transições estocásticas entre estados saudáveis e estados patológicos ocorreriam como resultado de flutuações nos níveis de expressão genica. Mutações em genes específicos poderiam reduzir as barreiras de potencial facilitando a transição para os atratores cancerígenos.

O câncer de mama é normalmente classificado em 4 subtipos principais, luminal A, luminal B, HER2+ e triplo negativo breast câncer (TNBC). Uma vez identificado o tumor numa paciente, a principal etapa é a classificação do subtipo, que determinará o tratamento a ser empregado, visto que cada subtipo requer tratamentos específicos. O sucesso de uma terapia está diretamente ligado à precisão desse diagnóstico inicial. Atualmente, modernas técnicas de biologia molecular permitem identificar os subtipos das células de um tumor individualmente. Dessa forma, descobriu-se que um tumor classificado, por exemplo como HER2+, pode apresentar uma fração significativa de células dos outros subtipos. Essa heterogeneidade intratumoral é um desafio significativo para o sucesso das terapias atuais e é uma das principais causas de recidiva da doença, o que normalmente se dá em estágios metastáticos.

Nesta palestra, apresentaremos um modelo de Rede de Regulação Gênica (4) construída a partir de dados experimentais de expressão do NF-κB e de alguns de seus genes alvos envolvidos na metástase do câncer de mama. Validamos o modelo usando dados experimentais in vitro bem como bancos de dados de pacientes. O conjunto de equações diferenciais que descrevem a dinâmica da rede possui dois estados estacionários que reproduzem os níveis de expressão desses genes nos subtipos HER2+ e TNBC. Esses dois atratores são separados por um ponto de equilíbrio instável do tipo sela, cuja variedade estável atua como separatriz entre as bacias de atração dos dois estados estáveis. Flutuações estocásticas nos níveis de expressão do NF-κB induzem transições estocásticas irreversíveis da bacia HER2+ para TNBC. Essas transições ocorrem em tempos aleatoriamente espaçados dando origem a heterogeneidade intratumoral. Essas transições são mediadas pelo ponto de sela, que serve como mediador na trajetória de transição. O efeito de mutações ou fármacos que alterem a disponibilidade do NF-κB alteram o tamanho das bacias de atração e dessa forma as probabilidades de transição. Nossos resultados aprimoram a formulação dos atratores do câncer e aprofundam o entendimento sobre a origem da heterogeneidade intratumoral no câncer de mama.

1. C.H. Waddington, The strategy of the genes (Allen and Unwin, London, 1957).

2. S. Kauffman, Differentiation of malignant to benign cells. J. Theor. Biol. 31, 429–451 (1971).

3. S. Huang, I. Ernberg, S. Kauffman, Cancer attractors: a systems view of tumors from a gene

network dynamics and developmental perspective. Semin. Cell Dev. Biol. 20, 869–876 (2009).

4. F. Lopes, et al. NF-κB epigenetic attractor landscape drives breast cancer heterogeneity. 2025.

http://dx.doi.org/10.1101/2024.07.10.602798.

RESUMO:

During animal development, the acquisition of 3D morphology is a direct consequence of the dynamic interaction between cellular forces and cell/tissue compliance. While the generation of cellular forces has been widely explored, less is known about cell material properties, which are often assumed to be linear and constant during morphogenesis. Recent experiments show that those two assumptions fail during gastrulation in the fruit fly (Drosophila) embryos. 

In the epithelial folding event that constitutes gastrulation in Drosophila, all mesodermal cells share the same genetic programme that leads to the establishment of a contractile actomyosin network, however, some cells stretch instead of constricting. We show with experiments and modelling that non-linear tissue-wide interactions is an emergent property of actomyosin networks that override the intrinsic programme of a subset of cells, forcing them to expand even when an otherwise sufficient amount and concentration of active actomyosin has been accumulated.

In another collaboration, we used line-scan Brillouin microscopy adapted to living tissues and found that gastrulating cells in the Drosophila embryo undergo rapid and spatially varying changes in their material properties. We identify microtubules as potential effectors of cell mechanics, which show progressive enrichment and alignment along the apical-basal axis of mesodermal cells. We corroborate our experimental findings with a novel physical model of gastrulation using the Cellular Potts model that highlights for the first time the importance of cell's longitudinal stiffness in translating actin-driven apical constriction into cell shape changes; and predicts that, while stiffer mesoderm correlates with deeper furrows, better outcomes are achieved if cells are initially softer and stiffen over time, as seen in our Brillouin measurements.

RESUMO:

Imagine a flock of birds flying in splendid coordination, a swarm of bacteria moving in synchronized patterns, or a collection of tissue cells agglomerating to form an organ. These collective behaviors are at the heart of Active Matter, a fascinating field in Nonequilibrium Statistical Physics that investigates the dynamics of self- propelled entities such as fish, cells, and artificial particles. This presentation aims to provide an overview of Active Matter and discuss how it has emerged as a framework to explore a diverse range of phenomena in many fields. In the process, I will briefly present some of our contributions to fundamental questions in Active Matter and applications in embryonic development and social microorganisms. Our research seeks to uncover new physical principles and develop theoretical frameworks in Active Matter as well as to provide insights that could inform ecology, medical treatments, and fundamental research in biology.

RESUMO:

Branched structures are common in both physics and biology. In the latter, they serve critical functions such as efficient fluid transport in organs like the liver, lungs, and salivary and mammary glands (see Figure). Biophysical modeling has been instrumental in elucidating the basic principles of growth that underpin these ramified architectures and their spatio-temporal development. By uncovering the rules that drive the growth of branched networks, one may not only predict their large-scale organization but also infer properties of the microscopic cellular dynamics that support them. In this talk, I will present some of our recent work applying spatial branching models to study both biological and physical systems and discuss some open questions in the field.

RESUMO:

The experimental model of a particle trapped by an optical tweezer will be used to introduce stochastic thermodynamics, where energy and entropy are quantities that fluctuate over time. Based on this model, the concept of thermodynamic cost applied both to isothermal and isochoric processes will be discussed. By relating cost and transition time, we will derive optimal strategies and discuss asymmetries between heating and cooling protocols. 

RESUMO:

Microswimmers accumulate close to fluid interfaces, where the fluid properties change drastically, in aquatic environments this accumulation occurs close to pycnoclines, viscosity interfaces, and thermoclines among others. Here we will focus on microorganisms forming a biological floating film, above a viscosity interface. Using the formulated theory for “active carpets” in the case of an infinite carpet, we investigate the hydrodynamic impact of such a large persistent accumulation in biogenic transport, and their ability to shape their environment.  Our results shed light on how these natural formations might help sustain life in aquatic and biological systems, especially in a changing world.

RESUMO:

Flocks of birds, schools of fish, or even suspensions of bacteria present ordered and coordinated large-scale collective motions. These examples have in common that each element draws energy from the environment to generate motion, putting the system continuously out of equilibrium, a defining characteristic of what we call active matter. Active matter has been proposed as a conceptual framework for the description of multiple biological systems, providing novel theoretical, experimental and numerical tools. On the other hand, active matter has emerged as an out-of-equilibrium paradigm of statistical mechanics, showing that new phenomena arise when time-reversal symmetry, Galilean invariance and/or reciprocity of interactions are broken. With these arguments new universal laws have been proposed for these systems. In this talk I will study some of these predictions, contrasting them with experiments, in order to analyze whether the active matter paradigm is able to deliver quantitative results in phenomena such as bacterial swimming and chemotactic response, accumulation of microswimmers on walls, bacterial self-assembly in micromotors and embryonic tissue dynamics.

RESUMO:

Historicamente, técnicas como eletroforese em gel, microcalorimetria e vários tipos de espectroscopias ópticas foram os primeiros métodos utilizados para caracterizar os vários tipos de interações que ocorrem entre biomoléculas e seus ligantes. Tais técnicas ainda hoje são bem utilizadas e podem fornecer uma rica quantidade de informações sobre a físico-química dessas interações. Nas últimas décadas, entretanto, o desenvolvimento das chamadas "espectroscopias de molécula única" possibilitou uma compreensão mais profunda sobre as interações intermoleculares, dando acesso a um tipo de informação que é muito difícil de se obter com as técnicas tradicionais, pois essas últimas refletem apenas o comportamento médio de um grande ensemble de moléculas. Nesse seminário faremos uma revisão geral sobre as técnicas de molécula única (single molecule techniques) e suas aplicações no estudo de sistemas biológicos, com foco em interações intermoleculares que envolvem macromoléculas e seus ligantes. 

RESUMO:

Células podem apresentar fenótipos diferentes, indicando que existem diferentes programas de expressão gênica. Células epiteliais são capazes de formar tecidos, apresentam adesão entre células por meio de caderinas e com a matriz extracelular, são polarizadas no eixo apical-basal e respondem a inibição lateral, que as impedem de proliferar quando no tecido. No fenótipo mesenquimal as células podem migrar, com polarização frente-ré, não expressam caderinas e podem sofrer mitoses. Ao longo de desenvolvimento do embrião, no processo de cura de lesões em epidermes ou metástases tumorais, células epiteliais podem sofrer transformação epitélio-mesenquimal (EMT). Atualmente, não está claro como se dá essa transformação, se ela é completa ou parcial, como caracterizar esses estados celulares e qual o papel dessa transformação em diferentes processos. Nosso grupo aborda esse fenômeno em quatro linhas, como segue:

1) Modelo Teórico para Redes Metabólicas. Usamos o modelo de espaço de informação para modelar EMT, focando nos estados intermediários.

2) Analisamos pelo método do transcriptograma, dados de 'single cell RNAseq', disponível em bases públicas de dados. Estes resultados sevem para validar os resultados teóricos do item 1, quanto ao número de estados intermediários.

3) Simulações em CompuCell3D do comportamento mesenquimal, onde a cinética do movimento celular é quantitativamente comparada com experimentos.

4) Simulação em CompuCell3D do comportamento epitelial, que se aproxima de um sólido ativo.

Neste webinário, apresentamos resultados parciais e o andamento desse projeto, que visa aplicações em ferramentas de gêmeos digitais em Medicina.

RESUMO:

A interface entre física e biologia tem uma longa história nas ciências, um dos fatos marcantes foi a descoberta de Luigi Galvani em 1791, dissecando uma rã ele observou que quando dois metais diferentes entravam em contato como os músculos da coxa da rã, estes  sofriam contrações, fenômeno que se passou a se chamar de bioeletricidade, com consequências históricas, por um lado na física com a descoberta da pilha de Volta,  por outro com o inicio de estudos eletrofisiológicos dos músculos e mais adiante na propagação dos sinais elétrico pelo sistema Neural. O desenvolvimento da “Eletrofisiologia” no século XX permitiu enormes desenvolvimentos das ciências fisiológicas e suas aplicações na Medicina, incentivando assim o fortalecimento da área interdisciplinar denominada Biofísica. Hoje em dia aplicações da Física na Biologia se expandiram muito além dos fenômenos elétricos, a disciplina denominada Biofísica e/ou Física Biológica, de fato se combinam e abrangem áreas como a física atômica-molecular, a física das radiações, física dos sistemas complexos, fenômenos fora do equilíbrio termodinâmico, usadas no estudo dos fenômenos biológicos. 

Destacam-se alguns exemplos como a aplicação das técnicas de Modelagem e Dinâmica Molecular, das Microscopias de Varredura, de Métodos Estatísticos-Computacionais em análises em larga escala, e de estudos de Sistemas Dinâmicos Complexos, respondendo a perguntas tais como: - Como as moléculas biológicas se organizam (se enovelam) no espaço 3D para exercer suas funções biológicas?  - Em que condições termodinâmicas e físico-químicas estes processos acontecem e como estão relacionados com o controle dos processos biológicos?  – Como podemos prever a sequencia e estrutura funcional de uma proteína codificada no DNA dos organismos? - Como podemos acessar in vitro e/ou in vivo as estruturas moleculares no interior de uma célula biológica na escala Nanoscópica? - Como projetar formulações para a liberação de fármacos em tecidos específicos? – Como identificar fatores de virulência em genomas de bactérias para prevenção de doenças? – Como funciona o sistema de sinalização espaço-temporal que permite o desenvolvimento harmônico (morfogênese) de um organismo?

RESUMO:

A Física Biológica é um campo interdisciplinar que busca entender os processos biológicos por meio de princípios e ferramentas da Física. Nesta palestra, apresentaremos sistemas modelo da biologia que exibem fenômenos simples e reprodutíveis em laboratório, os quais podem ser simulados no contexto de matéria ativa.

Discutiremos dois exemplos principais: a regeneração de hidras e a aspiração de tecidos por micropipeta. Exploraremos como as simulações de segregação celular nesses sistemas nos permitem testar diferentes hipóteses associadas aos mecanismos físicos subjacentes aos processos de separação de tecidos. Isso nos levará a formular modelos de crescimento de agregados celulares, nos quais podemos relacionar as taxas de crescimento desses agregados a grandezas físicas fundamentais, como a dimensão do sistema e a atividade celular coletiva.

Em seguida, apresentaremos um modelo de célula extensa, multi-partículas, que nos permite ajustar finamente a tensão cortical de uma célula para rever o fenômeno da segregação celular a partir da perspectiva de tensões interfaciais diferenciais. Além disso, por meio desse modelo, podemos simular com controle fino a origem dos mecanismos viscoelásticos e plásticos envolvidos no fenômeno da absorção de tecidos por micropipetas.

Essa abordagem interdisciplinar nos permite explorar os fundamentos físicos subjacentes aos processos biológicos, fornecendo uma compreensão mais profunda e quantitativa desses fenômenos. Ao combinar princípios e ferramentas da Física com sistemas biológicos, podemos desvendar novos insights e estabelecer conexões entre as duas disciplinas, impulsionando descobertas científicas significativas.

RESUMO:

Técnicas avançadas de microscopia vêm revolucionando nos últimos anos os estudos de sistemas biológicos. Aplicando métodos inteligentes de detecção do sinal e iluminação da amostra é possível contornar o limite de difração da luz reduzindo a resolução de 200nm para 100nm (SIM) e 10nm (STORM/PALM). Nessa palestra apresentarei as técnicas mais modernas de microscopia de fluorescência de super resolução, como: Structured Illumination Microscopy (SIM), Stochastic Optical Reconstruction Microscopy (STORM) e Photo Activated Illumination Microscopy (PALM) [ganhadoras do prêmio Nobel de Química em 2014]. Apresentarei também alguns resultados recentes que obtivemos com essas técnicas no estudo da toxicidade em cardiomiócitos após o tratamento com quimioterápico. Complicações cardiovasculares das terapias antineoplásicas já se tornaram um grande problema de saúde pública, considerando que a taxa de sobrevivência ao câncer vem aumentando consideravelmente nos últimos anos.

RESUMO:

Nesse seminário será apresentada a tecnologia analítica intitulada "Plataforma de biosensores óticos label free". A Plataforma vem sendo desenvolvida no Departamento de Física da UFMG desde 2016 e deu origem a uma startup, que hoje possui licenciamento para sua comercialização. Irei discorrer sobre o desenvolvimento da ferramenta, assim como as suas aplicações e seus desafios em direção à comercialização.

RESUMO:

Golgi Reassembly and Stacking Proteins (GRASPs) are involved in cell processes that seem paradoxical: they are responsible for shaping the Golgi structure and participate in unconventional secretion pathways that bypass the Golgi. The exact molecular mechanisms underlying each process remain elusive. Their structures are constituted by the C-terminal SPR domain and the N-terminal GRASP domain, formed by two PDZ subdomains. Structural data have been limited to the GRASP domain. This talk will show results obtained with full-length GRASPs, which unravel unexpected structural features: the presence of intrinsically disordered regions (IDRs) and their capacity to form fibril-like structures and undergo liquid-liquid phase separation (LLPS). IDRs exist even in the GRASP domain, and their distribution is not homogeneous. Our data establish a firm basis for understanding why PDZ1 behaves differently to PDZ2 in solution, despite their similar 3D structures. Such difference offers a robust molecular rationale for the long-recognized asymmetry of the PDZs regarding the number and diversity of interacting partners. A comparison of our in vitro biophysical data of GRASPs from fungus, yeast, and humans shows that only one of the human GRASPs (GRASP65) is similar to the lower eukaryotes. We also show that GRASPs can transition to different higher-order oligomers, such as amyloid-like fibrils, and undergo LLPS under conditions that mimic those found during cellular stress. We propose a model of how the cell could use the GRASP sensitivity to changes in its local environment to trigger those transitions, thus impacting its role during different cell-cycle periods.

RESUMO:

O colesterol e, em particular, as lipoproteínas de baixa densidade (LDL, do Inglês, Low-Density Lipoprotein), são considerados vilões quando se fala em doenças cardiovasculares como o infarto do miocárdio e o derrame cerebral. Entretanto, o colesterol é essencial a uma série de processos biológicos em nosso corpo que, sem ele, não poderiam se realizar. A LDL é a principal transportadora do colesterol no sangue, uma vez que ele não é solúvel em meios fluidos polares (como o sangue). O problema ocorre quando essa partícula (a LDL) não é identificada pelo corpo como algo próprio dele, interpretando-a como um invasor. Isso ocorre quando a LDL está modificada por algum agente externo. Aí o sistema imunológico vai tentar se desfazer desse pretenso invasor, originando as placas de gordura que vão se acumular nas artérias, dando origem à aterosclerose.

Esse é um assunto muito afeto à biologia e medicina, entretanto, há alguns anos, nosso grupo aplicou uma técnica da Física da Matéria Condensada para identificar a qualidade das LDLs e, assim, identificar o seu grau de modificação. Trata-se de uma técnica baseada em princípios da óptica não-linear.

Neste seminário discutiremos as eventuais modificações das LDLs que as tornariam mais aterogênicas e a técnica de Varredura-Z, utilizada para determinar a qualidade das LDLs do plasma humano, em diferentes situações de patologia, inclusive a COVID-19. Serão descritas, também, algumas das bases da óptica não-linear, presentes na técnica experimental empregada.

O Grupo de Fluidos Complexos do IFUSP é sede do INCT de Fluidos Complexos, que possui esse tipo de pesquisa no seu amplo leque de temas de investigação. INCT-FCx, CNPq, FAPESP e CAPES. 

RESUMO:

Pinças óticas são instrumentos construídos a partir de um feixe de luz fortemente focalizado e utilizados para exercer e medir forças na escala de piconewton. Nesta apresentação discutiremos os princípios de funcionamento de uma pinça ótica e algumas de suas aplicações em biologia celular.  Apresentaremos medidas da tensão superficial e rigidez de flexão da membrana celular de fibroblastos que foram tratados com drogas que interagem com o citoesqueleto e a caracterização do módulo de elasticidade complexo de células vermelhas do sangue.

RESUMO:

O entendimento das características dos seres vivos tem ocupado a atenção do homem há muito tempo e o conhecimento sobre processos próprios dos seres vivos é construido a partir de contribuições de vários campos do saber. As vias de convergência na construção desse conhecimento trazem elementos da Física e da Biologia além da Química, Matemática, Medicina e Ciências da Saúde. A palestra aborda alguns dos caminhos pelos quais a pesquisa em sistemas gerais levou ao conhecimento presente sobre os processos envolvidos na manutenção da vida. Serão particularizados aspectos relacionados a aplicações de técnicas espectroscópicas de fluorescência no estudo de diversos sistemas de interesse na biologia.

RESUMO:

A investigação de propriedades físicas em nanoescala são fundamentais para compreensão de diversos processos biológicos, especialmente em partículas virais. Para combater um vírus, é necessário entender como funcionam suas principais estruturas, principalmente as responsáveis pela patogenicidade da infecção viral. Entender do ponto de vista físico a estrutura e as propriedades de vírus é extremamente importante para encontrar pontos vulneráveis que possam propor, por exemplo, fármacos ou biomoléculas específicas. A determinação da ultraestrutura e das propriedades físicas de partículas virais podem ser fundamental para a proposição de marcadores biofísicos e lançar luz sobre novas rotas de tratamento. Este seminário tem a Microscopia de Força Atômica como a principal ferramenta para a investigação da ultraestrutura e propriedades físicas de virions inativados: SARS-CoV-2 e Zika. As partículas virais são analisadas, com foco especial em suas ultraestruturas, conformação de adsorção, mapeamento local de cargas e comportamentos nanomecânicos. Os resultados revelam aspectos da organização, carga local e distribuição espacial das proteínas na superfície das partículas virais. O comportamento complacente e maleável da membrana e sua capacidade de recuperação de lesões mecânicas também são avaliados. Este estudo fornece uma visão singular sobre a ultraestrutura das partículas virais em nanoescala, trazendo novas perspectivas que podem ser empregadas para mapear a superfície viral.

RESUMO:

O córtex cerebral dos mamíferos consiste de uma fina camada de substância cinzenta, onde se situam os corpos neuronais, que é dobrada ('girificada') de forma complexa em torno da substância branca, por onde passam as conexões de longa distância entre estes últimos.É uma estrutura morfologicamente complexa que apresenta enorme diversidade de formas e tamanhos, em comparações entre diferentes espécies e indivíduos. Há muito tempo se especula sobre os mecanismos subjacentes da girificação cortical, mas pouco foi dito sobre como tais formas podem ser caracterizadas de maneira unívoca. Em outras palavras, dentre todas as formas girificadas possíveis, quais correspondem a córtices (e não a nozes, ou corais, etc.)?.

Eu irei apresentar aqui uma nova maneira de expressar a forma cortical, explicitamente como a composição hierárquica de estruturas em diferentes escalas de tamanho. Quando removemos iterativamente dobras menores que uma escala crescente, vemos que os cortices de 11 espécies de primatas vão 'derretendo' até ficarem com a superfície lisa. Eu mostrarei que este processo acontece ao longo de uma trajetória morfométrica comum sem escala característica, indicando que estes córtices são não somente aproximadamente fractais, mas também aproximações de uma única forma fractal arquétipa. Estes resultados sugerem a existência de um mecanismo universal de girificação operando em todas as escalas, e que há somente um pequeno número de graus de liberdade efetivos através dos quais a evolução darwiniana pode selecionar formas corticais. Finalmente, vou mostrar como este novo entendimento pode ser usado para provar que o processo de envelhecimento afeta a morfologia cortical de formas radicalmente diferentes em diferentes escalas de tamanho de dobras. Creio ser esta a descrição mais geral já proposta para  forma do cérebro que é ao mesmo tempo simples, universal e em excelente acordo com as evidências experimentais.