A Física da Vida

De agrupamento de aves para moléculas de enxame, os físicos estão procurando compreender a "matéria ativa" - à procura de uma teoria fundamental do mundo vivo.

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O agrupamento de pássaros pode sincronizar para criar padrões.

Por Gabriel Popkin
Publicado na Nature

Primeiro, Zvonimir Dogic e seus alunos levaram microtúbulos – proteínas filiformes que compõem parte do ‘citoesqueleto’ interno da célula – e misturou-os com quinesinas, proteínas motoras que viajam ao longo destes como trens em uma trilha. Em seguida, os investigadores suspenderam gotículas neste coquetel em óleo e forneceram com o combustível molecular conhecido como trifosfato de adenosina (ATP).

Para a surpresa e prazer da equipe, as moléculas se organizaram em padrões de grande escala que se moviam na superfície de cada gota. Feixes de microtúbulos ligados por proteínas que se moviam juntas eram “como uma multidão em um concerto”, diz Dogic, um físico da Brandeis University em Waltham, Massachusetts.

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Gotículas feitas em laboratório movendo-se

Com estas experiências publicadas em 2012 [1], a equipe de Dogic haviam criado um novo tipo de cristal líquido. Ao contrário das moléculas em monitores de cristal líquido padrão, que formam passivamente padrões em resposta a campos elétricos, os componentes de Dogic estavam ativos. Eles os propulsionaram, tendo a energia do seu ambiente – neste caso, a partir do ATP. E eles formaram padrões espontaneamente, graças ao comportamento coletivo de milhares de unidades móveis de forma independente.

Estas são as principais características dos sistemas que os físicos chamam de matéria ativa, que se tornou um importante objeto de pesquisa nos últimos anos. Exemplos não faltam no mundo natural – entre eles, o agrupamento não liderado, mas coerente dos fluxos de pássaros, formando uma estrutura com o citoesqueleto das células. Eles estão cada vez mais sendo feitos em laboratório: investigadores sintetizaram matéria ativa usando os blocos de construção biológicos, tais como os microtúbulos, e componentes sintéticos, incluindo a escala de micrômetro, sensíveis à luz de plástico dos ‘nadadores’, no qual formam estruturas quando alguém liga uma lâmpada. A Produção de artigos revisados por especialistas com “matéria ativa” no título ou no resumo aumentou de menos de 10 por cento no ano há uma década para cerca de 70 no ano passado, e vários workshops internacionais foram realizados sobre o tema no ano passado.

O Segredo da Vida

Os investigadores esperam que este trabalho leve-os a uma teoria completa e quantitativa de matéria ativa. Tal teoria iria se construir sobre a teoria de um século dos físicos da mecânica estatística, que explica como o movimento de átomos e moléculas deram origem a fenômenos cotidianos, como calor, temperatura e pressão. Mas poderia ir muito mais longe, fornecendo uma estrutura matemática para os processos biológicos ainda misteriosos, como como as células movendo coisas ao redor, como elas criam e mantêm as suas formas e como elas se dividem. “Nós queremos uma teoria da mecânica e estatística da matéria viva com um status comparável ao que já foi feito pelas coleções de partículas mortas”, diz Sriram Ramaswamy, um físico e diretor do Tata Institute of Fundamental Research’s Centre for Interdisciplinary Sciences em Hyderabad, Índia.

Falta tempo antes que isso seja satisfeito, no entanto. Experimentalistas estão apenas começando a ganhar o controle de materiais ativos no laboratório. Mesmo os defensores mais entusiasmados da pesquisa admitem que ninguém ainda produziu uma teoria da matéria ativa que descreve o comportamento de tudo, com partes de células de aves. E se existisse tal teoria, está longe de ser certo que a comunidade de biólogos iria ver valor naquilo. Para os biólogos, a ideia de que a matéria viva está ativa “seria apenas tão óbvia que realmente não conteria muita informação”, diz Jonathon Howard, um biofísico molecular na Universidade de Yale, em New Haven, Connecticut.

Cientistas imprimem a auto-montagem de um "tecido vivo"
Cientistas imprimem a auto-montagem de um “tecido vivo”

Mas isso não impediu os defensores de aplicações de imaginarem como o tecido artificial de auto-montagem, dispositivos microfluídicos com auto-bombeamento e novos materiais bio-inspirados – embora os pesquisadores admitam que tais ideias ainda estão longe de ser realizadas. “Eu acho que ainda é muito cedo para o campo ter uma aplicação, porque ainda estamos surpresos com o que pode acontecer”, disse Andreas Bausch, um físico da Universidade Técnica de Munique, na Alemanha – “mas eu acho que o campo precisa de alguém para fazê-lo”.

Todos juntos agora

Todas as formas de vida conhecidas são baseadas em entidades auto-propelidas se unindo para criar estruturas e movimentos em grande escala. Se isso não acontecesse, os organismos seriam limitados a usar processos muito mais lentos e passivos, tais como a difusão se movendo em torno do DNA e proteínas dentro das células ou tecidos, e muitas das estruturas e funções complexas da vida não poderiam ter evoluído. Biólogos e físicos têm especulado há décadas sobre os princípios gerais da matéria viva, mas a pesquisa sobre processos celulares tem se concentrado na identificação da variedade estonteante de moléculas envolvidas, em vez de trabalhar fora dos princípios pelos quais elas se auto-organizam. Como resultado, o que agora é conhecido como pesquisa de matéria ativa realmente não teve sua decorrência até meados de 1990.

O minúsculo Lego : um conto de motores de nanoescala, rotores, interruptores e bombas
O minúsculo Lego : um conto de motores de nanoescala, rotores, interruptores e bombas

Um dos primeiros e mais influentes experimentos foi realizado pela equipe de Stanislas Leibler, um biofísico que estava até então na Universidade de Princeton, em Nova Jersey, e está agora na Universidade Rockefeller, em Nova York. O grupo foi um dos primeiros a mostrar que estruturas vivas complexas poderiam se auto-montar a partir de microtúbulos e algumas proteínas fornecidas com ATP [2]. Na mesma época, um modelo influente da matéria ativa estava sendo desenvolvido por Tamás Vicsek, um biofísico teórico na Universidade Eötvös Loránd, em Budapeste. No início de 1990, Vicsek estava tentando explicar os movimentos coletivos de bandos de pássaros, colônias bacterianas e componentes do citoesqueleto, quando percebeu que nenhuma teoria existente daria certo. “Não é como a mecânica estatística de equilíbrio, onde você pega um livro e você encontrará o que fazer”, diz o físico Jean-François Joanny do Instituto Curie, em Paris.

Em vez disso, Vicsek encontrou um ponto de partida em um modelo de materiais magnéticos desenvolvidos em 1928 pelo físico alemão Werner Heisenberg. Heisenberg imaginou cada átomo como uma barra de ímã girando livremente, e descobriu que o magnetismo em larga escala surge quando as interações entre estes ímãs atômicos causam a maioria deles se alinhando. Para explicar a matéria ativa, Vicsek substituiu os pequenos ímãs que se deslocam com partículas de simbolização, ‘setas’, com velocidades que são alinhados com a velocidade média de seus vizinhos – embora com uma certa quantidade de erros aleatórios. Isso levou ao que hoje é conhecido como modelo de Agrupamento de Vicsek [3] . Suas simulações mostraram que, quando as setas suficientes foram embaladas em um espaço pequeno o suficiente, elas começaram a se mover em padrões que apresenta grande semelhança com os movimentos familiares de bandos de aves e cardumes de peixe (veja “Smart Swarms“).

“Eu fiquei animado”, lembra Vicsek, cujo Paper de 1995 [3] sobre o modelo recebeu mais de 3.500 citações. “Eu estava andando para cima e para baixo no corredor e dizia às pessoas que eu havia projetado a versão móvel do modelo de Heisenberg.”

Um físico atraído por esta ideia era John Toner, que ouviu Vicsek dar uma palestra sobre isto em 1994. Toner, agora na Universidade de Oregon, em Eugene, viu que as setas germinantes de Vicsek poderiam ser modeladas como um fluido contínuo. Ele tomou as equações padrão para a hidrodinâmica, que descrevem o fluxo do fluido em tudo, desde chaleiras aos oceanos, e modificou-lhes para explicar como as partículas individuais usam energia [4]. O Modelo de fluido de Toner e o modelo discreto de partículas de Vicsek deram, essencialmente, as mesmas previsões para uma ampla gama de fenômenos, e lançou uma indústria de simulações de matéria ativa.

A formação precisa de voo surpreende cientista
A formação precisa de voo surpreende cientista

Havia apenas um problema. Considerando que o número de simulações foi disparada, diz o físico Denis Bartolo da École Normale Supérieure de Lyon, na França, “o número de experimentos quantitativos foi constante e muito perto de zero”. O trabalho prático foi um desafio: ninguém poderia esperar fazer experimentos controlados com 10.000 aves ou peixes reais. E na escala microscópica, alguns cientistas estavam familiarizados com tanto trabalho teórico necessário – sendo publicados principalmente em revistas de física – quanto técnicas de laboratório biológicas necessárias para purificar componentes celulares.

Magia prática

Somente no final dos anos 2000 as peças teóricas e experimentais começaram a se unir. Bausch levou um dos primeiros experimentos precisos, quantitativos. Ele e seus colegas misturaram actina, um filamento que se forma na maior parte do citoesqueleto das células complexas, com miosina, um motor molecular que ‘anda’ na actina e faz com que os músculos se contraiam. Os pesquisadores acrescentaram o combustível natural da miosina, ATP, em seguida, colocaram a mistura sobre uma lâmina de microscópio e observaram. “Nós não fizemos nada; acabamos de adicionar o material”, disse Bausch. Em baixas concentrações, os filamentos de actina nadaram ao redor sem fim reconhecível. Mas em densidades mais elevadas, eles formaram agrupamentos pulsantes, redemoinhos e bandas. Bausch e seus colegas imediatamente reconheceram e quantificaram transições de fase do tipo que Vicsek e outros haviam previsto. Seu paper de 2010 [5] ajudou a inflamar o campo da matéria ativa experimental.

Entre os estudos que se seguiram, foram experimentados em 2012 os microtúbulos de Dogic [1], que usou uma outra proteína curta, quinesina. Os padrões resultantes eram muito mais complexos e dinâmicos do que os Bausch viu: os microtúbulos que fluíam pareciam espirais de impressões digitais em movimento. Dogic e sua equipe também notaram que o alinhamento ordenado desse fluxo ocasionalmente quebrava e produziam “defeitos”: descontinuidades no padrão que se assemelhavam a linhas convergentes de longitude nos pólos Norte e Sul. Estes defeitos eram dinâmicos, movendo-se como partículas autopropulsadas.

Nenhuma teoria da época poderia explicar esse comportamento. Mas em 2014, Dogic uniu-se á Bausch e a física Cristina Marchetti, da Universidade de Syracuse, em Nova York, para descrever o comportamento de cristais líquidos ativos de roda em vesículas esféricas em termos do movimento de defeitos em vez de elementos do cristal individual [6]. Além disso, o grupo descobriu que ele poderia ajustar o movimento dos defeitos ajustando o diâmetro e a tensão superficial da vesícula, sugerindo uma possível maneira de controlar um cristal ativo.

Dogic e seus alunos estão agora tentando fazer exatamente isso. Ao estudar os fluxos espontâneos de microtúbulos e proteínas confinadas em pequenos recipientes em forma de anel, eles esperam lançar as bases para um fluido de auto-bombeamento que podia mover moléculas em torno de dispositivos microfluídicos semelhantes aos que estão se tornando cada vez mais comuns na biologia experimental, medicina e indústria. A matéria ativa “muda nossas ideias do que os materiais podem fazer”, diz Dogic.

Mas qualquer aplicação industrial terá de superar pelo menos um grande obstáculo. Os materiais biológicos atualmente utilizados em experimentos de matéria ativa são caros e demorados para purificar – os microtúbulos de Dogic vêm de cérebros de vaca, e Bausch usa actina de músculos de coelho – e eles duram apenas um curto período de tempo no laboratório. Uma fonte de plateleira de materiais de matéria ativa que podem ser encontradas, com uso robusto e barato, é comercialmente improvável, diz Bausch.

Drones autônomos se agrupando como pássaros
Drones autônomos se agrupando como pássaros

Avanços em materiais ativos sintéticos podem mostrar o caminho a seguir. Em 2013, o físico da Universidade de Nova York Paul Chaikin e seus colegas descreveram as partículas de hematite, um óxido de ferro mineral, dentro de um polímero esférico [7]. Quando os cientistas colocaram esses nadadores ‘em uma solução de peróxido de hidrogênio e expuseram-os à luz azul, uma reação química foi provocada, as partículas se moveram de forma espontânea, aglomerando e aglutinando como grupos de pessoas em uma festa.

Em 2013, Bartolo e seus colegas relataram em grande escala usando fluxos ainda mais simples de esferas de plástico em um condutor fluido [8]. Quando os pesquisadores transformaram em um campo elétrico, as esferas começaram a girar em direções aleatórias. Em altas densidades suficientes, as interações entre as esferas próximas lhes fizeram mover de forma espontânea, se reunindo na mesma direção.

Tais materiais feitos pelo laboratório permanecem primitivos, no entanto, em comparação com os produzidos nas células em 4 bilhões de anos de evolução. Dogic observa que as quinesinas que ele usa são muito mais eficientes do que qualquer motores feitos pelo homem na conversão de energia ao movimento. E Bartolo também foi rápido para desencorajar a conversa sobre aplicação a curto prazo. “Eu não estou alvejando uma aplicação específica”, diz ele de suas rotativas esferas de plástico.

Aplicações possíveis de lado, a matéria ativa anima os cientistas porque assim se assemelha aos sistemas de auto-organização mais complexos conhecidos: os organismos vivos. Em 2011, Dogic e seus colegas reportaram [9] que os feixes de microtúbulos ancorados em uma extremidade de bolhas de ar sobre uma lâmina de microscópio batiam com padrões sincronizados, como ondas assustadoramente reminiscentes dos cílios – como flagelos que se projetam na superfície de algumas células. E em seu paper de 2012 [1], ele observou uma notável semelhança entre seus fluxos de microtúbulos e a transmissão citoplasmática, um processo no qual os filamentos do citoesqueleto juntam-se para levar conteúdo de uma célula ao redor como “uma máquina de lavar gigante”, diz ele.

Pesquisadores criaram um agrupamento de 1000 robôs
Pesquisadores criaram um agrupamento de 1000 robôs

A semelhança entre os ativos de matéria preparados em laboratório e as coisas vivas pode ser estranha, concorda Jennifer Ross, uma física da Universidade de Massachusetts. Nas conversações, ela mostrou vídeos de sistemas de microtúbulos de quinesinas esféricas e perguntou aos membros da plateia se eles achavam que estavam vendo uma célula real. “Sempre que eu apresento-as aos biólogos celulares em particular, elas estão sempre enganados”, diz ela.

Mas algo pode olhar e agir como um organismo vivo, sem realmente seguir as mesmas regras, adverte Howard. Ele ressalta que o grupo de Dogic criou algo que parece e funciona muito bem como um cílio ou flagelo com sua multidão de proteínas – mas que pode, de fato, estar trabalhando de forma muito diferente. “Há algo lá sobre o mecanismo subjacente, mas é extremamente abstrato”, diz ele.

Isso é suficiente?

Sondar a teoria da substancia ativa pode revelar os mecanismos biológicos, Daniel Needleman, um biofísico da Universidade de Harvard, em Cambridge, Massachusetts, estudando o eixo: uma estrutura baseada em microtúbulos que controla a separação dos cromossomos durante a divisão celular. Ele queria testar a idéia, sugerida por teorias e experiências anteriores, que de curto alcance ás interações dos microtúbulos de quinesinas por si só eram suficientes para produzir estruturas fusiformes. Ele começou a usar microscópios sofisticados para examinar extratos de células de ovos de sapo, quantificando a densidade dos microtúbulos, orientação e tensões durante a formação do fuso. “Realmente não foi claro em tudo, até Dan se juntou para que pudesse medir todas essas coisas”, disse Howard.

Needleman, em seguida, fundiu as suas medições com modelos de matéria auto-organizada como ativos. Em 2014, ele e Jan Brugués, biólogo do Instituto Max Planck de Biologia Celular Molecular e Genética em Dresden, Alemanha, informou que, de acordo com a teoria, as interações que eles observaram entre os microtúbulos espaçados são suficientes para produzir o eixo e mantê-lo estável [10]. “As pessoas têm argumentado que você precisa de processos mais complexos”, diz Needleman. “Mas o fato que se pode compreender tanto do fuso sem invocar qualquer um que o mostre certamente não é necessário.”

Lei do tempo matemática governa o fluxo de multidão
Lei do tempo matemática governa o fluxo de multidão

Outros estão usando ideias da matéria ativa para sondar como grandes números de células organizam-se em processos como o crescimento de tecido, cicatrização de feridas e propagação de tumores. Teóricos, incluindo Marchetti, Joanny e Frank Jülicher do Instituto Max Planck para a Física de Sistemas Complexos em Dresden têm modelado tecidos [11] e tumores [12] como células que se auto-organizam por meio de curto alcance em interações célula-célula, em vez de sinais químicos fluindo. Experimentalistas estão testando tais ideias, por exemplo, mostrando que a teoria da matéria ativa pode ajudar a descrever a organização celular em uma Drosophila melanogaster em desenvolvimento [13].

Alguns biólogos esperam que tais estudos revelem os princípios fundamentais que regem a forma como as células se dividem, tomam forma ou movimentam. “É como a classificação de Lineu anterior á Darwin”, diz o biólogo Tony Hyman, do Instituto Max Planck de Biologia Celular Molecular e Genética. “Nós temos todas essas moléculas, assim como eles tinham todas as espécies, e é preciso colocar algum tipo de ordem, algum tipo de razão por trás disso tudo”. A matéria ativa, Hyman pensa, poderia fornecer esse motivo.

Mas até mesmo os entusiastas admitem que a comunidade biológica pode precisar de convencimento. “Costumávamos ter um monte de artigos rejeitados no início”, diz Hyman – em parte porque o forte uso da matemática nos manuscritos tornava difícil encontrar colaboradores. Mesmo a frase “matéria ativa” poderia dificultar a comunicação, acrescenta Howard. “É uma espécie de termo da física”.

Ainda assim, Howard e Hyman esperam que a aceitação seja auxiliada pelo aumento da convergência entre os campos. Entre os biólogos, afirma Hyman, “Eu acho que a nova geração que virá será treinada em física desde o início”.

E isso é bom, acrescenta Stephan Grill, um biofísico da Universidade Técnica de Dresden, porque o progresso da matéria ativa apela para os cientistas que estão na vanguarda tanto da física quanto da biologia. “O pote de ouro está na interface“, diz ele, “mas você tem que empurrar as caixas para ver os seus limites”.

Referências

  1. Sanchez, T., Chen, D. T. N., DeCamp, S. J., Heymann, M. & Dogic, Z. Nature 491, 431–434 (2012). – http://dx.doi.org/10.1038/nature11591
  2. Nédélec, F. J., Surrey, T., Maggs, A. C. & Leibler, S. Nature 389, 305–308 (1997) – http://dx.doi.org/10.1038/38532
  3. Vicsek, T., Czirók, A., Ben-Jacob, E., Cohen, I. & Shochet, O. Phys. Rev. Lett. 75, 12261229(1995) – http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.75.1226
  4. Toner, J. & Tu, Y. Phys. Rev. Lett. 75, 43264329 (1995) – http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.75.4326
  5. Schaller, V., Weber, C., Semmrich, C., Frey, E. & Bausch, A. R. Nature 467, 7377 (2010) – http://dx.doi.org/10.1038/nature09312
  6. Keber, F. C. et al. Science 345, 11351139 (2014) – http://dx.doi.org/10.1126/science.1254784
  7. Palacci, J., Sacanna, S., Steinberg, A. P., Pine, D. J. & Chaikin, P. M. Science 339, 936940(2013) – http://dx.doi.org/10.1126/science.1230020
  8. Bricard, A., Caussin, J.-B., Desreumaux, N., Dauchot, O. & Bartolo, D. Nature 503, 9598(2013) – http://dx.doi.org/10.1038/nature12673
  9. Sanchez, T., Welch, D., Nicastro, D. & Dogic, Z. Science 333, 456459 (2011). – http://dx.doi.org/10.1126/science.1203963
  10. Brugués, J. & Needleman, D. Proc. Natl Acad. Sci. USA 111, 1849618500 (2014). – http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1409404111
  11. Ranft, J. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 107, 2086320868 (2010). – http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1011086107
  12. Basan, M., Risler, T., Joanny, J.-F., Sastre-Garau, X., & Prost, J. HFSP J. 3, 265272 (2009). – http://dx.doi.org/10.2976/1.3086732
  13. Aigouy, B. et al. Cell 142, 773786 (2010) – http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2010.07.042
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