In this research, important stress and redox regulatory genes present in Hydra vulgaris were isolated and characterized to facilitate our understanding of the evolution and mechanisms of stress response. H. vulgaris heat shock protein 70 (HvHSP70), extracellular copper zinc superoxide dismutase (HvECCuZnSOD), manganese superoxide dismutase (HvMnSOD), phospholipid peroxidase glutathione peroxidase (HvPHGPx) and monofunctional catalase (HvCatalase) were cloned and characterized with regard to stress response, phylogeny and molecular structure. The HSP70 gene isolated from H. vulgaris encodes a polypeptide of 650 amino acids (Mw=710,037) and is interrupted by three intron sequences. The 5' non-coding region of the HvHSP70 possessed the canonical heat shock elements. Phylogenetically HvHSP70 formed a distinct lineage. A molecular model generated for the N-terminal fragment of the HvHSP70 displayed the heat shock protein fold and domains of phosphotransferases. The EC-CuZnSOD cDNA isolated from H. vulgaris encodes a protein of 189 amino acids (Mw=20959.73); the first 19 amino acids constitute the presumed signal peptide. Phylogenetically HvEC-CuZnSOD is grouped with ECCuZnSODs from several organisms. A molecular model generated for the HvEC-CuZnSOD displayed the CuZnSOD (beta)-barrel fold. The MnSOD cDNA isolated from H. vulgaris encodes a protein of 219 amino acids (Mw=24348.75); the first 21 amino acids constitute the presumed mitochondria-targeting signal peptide. Phylogenetically HvMnSOD is clustered with mollusk and crustacean MnSODs. A molecular model generated for the HvMnSOD displayed the N-terminal long alpha antiparallel hairpin and the Cterminal mixed alpha/beta fold characteristic of MnSODs. The PHGPx gene isolated from H. vulgaris encodes a polypeptide of 168 amino acids (Mw=18746.51) including a TGA-encoded selenocysteine at residue 44 and lacks any intron. Phylogenetically HvPHGPx is grouped with PHGPxs from several organisms. A molecular model generated for the HvPHGPx displayed the thioredoxin fold. The 3'-end of a cDNA sequence encoding for 168 amino acids of the Cterminal end of a catalase was isolated from H. vulgaris. Phylogenetically HvCatalase is grouped with heme-containing monofunctional catalases. Hydrae exposed to thermal, starvation, oxidative and metal stress responded by regulating respective mRNA transcriptions suggesting that these genes are involved in stress and (anti)oxidative processes and may have potential as molecular biomarkers for assessing aquatic environment quality.

Este trabalho apresenta uma generalização do modelo mínimo de movimento coletivo de Vicsek-Gregoire adaptado para a descrição da dinâmica celular de organismos pluricelulares de dois tipos de tecidos, como encontrado na Hydra Vulgaris. O trabalho se divide em duas partes. Na primeira é feita uma revisão histórica dos experimentos biológicos sobre o assunto assim como dos principais modelos matemáticos usados para descrever o problema. Ao final é apresentado o novo modelo mínimo de movimento coletivo (modelo de animóides) que será usado no restante da dissertação. Na segunda parte é feita uma exploração dos aspectos do modelo. Primeiro é construído um diagrama de fases para uma população homogênea de animóides (partículas), na qual se encontrou quatro fases distintas: gasosa, líquida, sólida e a de movimento coletivo. Também foi feito um estudo mais detalhado da difusão interna dos animóides dentro de um agregado, incluindo casos heterogêneos, onde se encontrou a existência de uma aparente superdifusão, assim como tempos de confinamento, para certos conjuntos de parâmetros. Finalmente ao final da segunda parte o modelo foi aplicado à simulação da segregação celular a partir de dois tecidos misturados. Além de se obter resultados que concordam perfeitamente com a principal hipótese biológica sobre o fenômeno, também foi estudado o papel que o movimento coletivo das células desempenha na segregação dos tecidos. / This work presents a generalization of the minimal collective movement model of Vicsek-Gregoire adapted for the description of the dynamics of multi-cellular organisms with two kinds of tissues, like Hydra Vulgaris. This work is composed of two main parts. In the first one an historical review is made about the biological experiments concerning the subject and also about the main mathematical models used for de description of the problem. At the end a new minimal collective movement model (boids model), which will be used in the rest of this dissertation, is presented. In the second part the model is explored in a more systematically way. First a phase diagram is build for an homogeneous population of boids (particles) where is found the existence of four distinct phases: gas, liquid, solid and also the collective movement phase. A study of the internal diffusion of boids inside a cluster is also made for both homogeneous and heterogeneous cases. An apparent super-diffusion, as also a trap time, is founded for certain sets of parameters. Finally, at the end of the second part the model is used for the simulation of the tissue segregation phenomena. The results obtained are in perfect agreement with the main biological hypothesis, and a study of the role of the collective movement in the segregation dynamics is also made.

Este trabalho apresenta uma generalização do modelo mínimo de movimento coletivo de Vicsek-Gregoire adaptado para a descrição da dinâmica celular de organismos pluricelulares de dois tipos de tecidos, como encontrado na Hydra Vulgaris. O trabalho se divide em duas partes. Na primeira é feita uma revisão histórica dos experimentos biológicos sobre o assunto assim como dos principais modelos matemáticos usados para descrever o problema. Ao final é apresentado o novo modelo mínimo de movimento coletivo (modelo de animóides) que será usado no restante da dissertação. Na segunda parte é feita uma exploração dos aspectos do modelo. Primeiro é construído um diagrama de fases para uma população homogênea de animóides (partículas), na qual se encontrou quatro fases distintas: gasosa, líquida, sólida e a de movimento coletivo. Também foi feito um estudo mais detalhado da difusão interna dos animóides dentro de um agregado, incluindo casos heterogêneos, onde se encontrou a existência de uma aparente superdifusão, assim como tempos de confinamento, para certos conjuntos de parâmetros. Finalmente ao final da segunda parte o modelo foi aplicado à simulação da segregação celular a partir de dois tecidos misturados. Além de se obter resultados que concordam perfeitamente com a principal hipótese biológica sobre o fenômeno, também foi estudado o papel que o movimento coletivo das células desempenha na segregação dos tecidos. / This work presents a generalization of the minimal collective movement model of Vicsek-Gregoire adapted for the description of the dynamics of multi-cellular organisms with two kinds of tissues, like Hydra Vulgaris. This work is composed of two main parts. In the first one an historical review is made about the biological experiments concerning the subject and also about the main mathematical models used for de description of the problem. At the end a new minimal collective movement model (boids model), which will be used in the rest of this dissertation, is presented. In the second part the model is explored in a more systematically way. First a phase diagram is build for an homogeneous population of boids (particles) where is found the existence of four distinct phases: gas, liquid, solid and also the collective movement phase. A study of the internal diffusion of boids inside a cluster is also made for both homogeneous and heterogeneous cases. An apparent super-diffusion, as also a trap time, is founded for certain sets of parameters. Finally, at the end of the second part the model is used for the simulation of the tissue segregation phenomena. The results obtained are in perfect agreement with the main biological hypothesis, and a study of the role of the collective movement in the segregation dynamics is also made.

Este trabalho apresenta uma generalização do modelo mínimo de movimento coletivo de Vicsek-Gregoire adaptado para a descrição da dinâmica celular de organismos pluricelulares de dois tipos de tecidos, como encontrado na Hydra Vulgaris. O trabalho se divide em duas partes. Na primeira é feita uma revisão histórica dos experimentos biológicos sobre o assunto assim como dos principais modelos matemáticos usados para descrever o problema. Ao final é apresentado o novo modelo mínimo de movimento coletivo (modelo de animóides) que será usado no restante da dissertação. Na segunda parte é feita uma exploração dos aspectos do modelo. Primeiro é construído um diagrama de fases para uma população homogênea de animóides (partículas), na qual se encontrou quatro fases distintas: gasosa, líquida, sólida e a de movimento coletivo. Também foi feito um estudo mais detalhado da difusão interna dos animóides dentro de um agregado, incluindo casos heterogêneos, onde se encontrou a existência de uma aparente superdifusão, assim como tempos de confinamento, para certos conjuntos de parâmetros. Finalmente ao final da segunda parte o modelo foi aplicado à simulação da segregação celular a partir de dois tecidos misturados. Além de se obter resultados que concordam perfeitamente com a principal hipótese biológica sobre o fenômeno, também foi estudado o papel que o movimento coletivo das células desempenha na segregação dos tecidos. / This work presents a generalization of the minimal collective movement model of Vicsek-Gregoire adapted for the description of the dynamics of multi-cellular organisms with two kinds of tissues, like Hydra Vulgaris. This work is composed of two main parts. In the first one an historical review is made about the biological experiments concerning the subject and also about the main mathematical models used for de description of the problem. At the end a new minimal collective movement model (boids model), which will be used in the rest of this dissertation, is presented. In the second part the model is explored in a more systematically way. First a phase diagram is build for an homogeneous population of boids (particles) where is found the existence of four distinct phases: gas, liquid, solid and also the collective movement phase. A study of the internal diffusion of boids inside a cluster is also made for both homogeneous and heterogeneous cases. An apparent super-diffusion, as also a trap time, is founded for certain sets of parameters. Finally, at the end of the second part the model is used for the simulation of the tissue segregation phenomena. The results obtained are in perfect agreement with the main biological hypothesis, and a study of the role of the collective movement in the segregation dynamics is also made.

We studied regenerating bilayered tissue toroids dissected from Hydra vulgaris polyps and relate our macroscopic observations to the dynamics of force-generating mesoscopic cytoskeletal structures. Tissue fragments undergo a specific toroid–spheroid folding process leading to complete regeneration towards a new organism. The time scale of folding is too fast for biochemical signalling or morphogenetic gradients, which forced us to assume purely mechanical self-organization. The initial pattern selection dynamics was studied by embedding toroids into hydro-gels, allowing us to observe the deformation modes over longer periods of time.We found increasing mechanical fluctuations which break the toroidal symmetry, and discuss the evolution of their power spectra for various gel stiffnesses. Our observations are related to singlecell studies which explain the mechanical feasibility of the folding process. In addition, we observed switching of cells from a tissue bound to a migrating state after folding failure as well as in tissue injury. We found a supra-cellularactin ring assembled along the toroid’s inner edge. Its contraction can lead to the observed folding dynamics as we could confirm by finite element simulations. This actin ring in the inner cell layer is assembled by myosin-driven length fluctuations of supra-cellular F-actin bundles (myonemes) in the outer cell layer.