Um Adrop de corante alimentar que se espalha lentamente em um copo de água é impulsionado por um processo conhecido como difusão. Embora a matemática da difusão seja conhecida há muitos anos, como esse processo funciona nos organismos vivos não é tão bem compreendido.
Agora, um estudo publicado na Nature Communications fornece novos insights sobre o processo de difusão em sistemas complexos. Resultado de uma colaboração entre físicos da Penn, da Universidade do Chile e da Heinrich Heine University Düsseldorf, esse novo arcabouço teórico tem amplas implicações para superfícies ativas, como as encontradas em biofilmes, revestimentos ativos e até mesmo mecanismos de eliminação de patógenos.
A difusão é descrita pelas leis de Fick: partículas, átomos ou moléculas sempre se moverão de uma região de alta para baixa concentração. A difusão é uma das formas mais importantes pelas quais as moléculas se movem dentro do corpo. No entanto, para o transporte de objetos grandes em grandes distâncias, a difusão padrão torna-se muito lenta para acompanhar.
“É quando você precisa de componentes ativos para ajudar a transportar as coisas”, diz o co-autor do estudo, Arnold Mathijssen. Em biologia, esses atuadores incluem motores citoesqueléticos que movem vesículas de carga nas células ou cílios que bombeiam líquido para fora dos pulmões humanos. Quando muitos atuadores se acumulam em uma superfície, eles são conhecidos como “tapetes ativos”. Juntos, eles podem injetar energia em um sistema para ajudar a tornar a difusão mais eficiente.
Mathijssen, cujo grupo de pesquisa estuda a física de patógenos, primeiro se interessou por este tópico enquanto estudava biofilmes com Francisca Guzmán-Lastra, uma especialista em física da matéria ativa, e o físico teórico Hartmut Löwen. Os biofilmes são outro exemplo de tapetes ativos, pois usam seus flagelos para criar “fluxos” que bombeiam líquidos e nutrientes de seu ambiente. Especificamente, os pesquisadores estavam interessados em entender como os biofilmes são capazes de se sustentar quando o acesso aos nutrientes é limitado. “Eles podem aumentar a absorção de alimentos criando fluxos, mas isso também custa energia. Portanto, a pergunta era: quanta energia você coloca para liberar energia?” diz Mathijssen.
Mas estudar tapetes ativos é difícil porque eles não se alinham perfeitamente com as leis de Fick, então os pesquisadores precisaram desenvolver uma maneira de entender a difusão nesses sistemas fora de equilíbrio, ou naqueles que adicionam energia. “Achamos que poderíamos generalizar essas leis para difusão aprimorada, quando você tem sistemas que não seguem as leis de Fick, mas ainda podem seguir uma fórmula simples que é amplamente aplicável a muitos desses sistemas ativos”, diz Mathijssen.
Depois de descobrir como conectar a matemática necessária para entender a dinâmica bacteriana e as leis de Fick, os pesquisadores desenvolveram um modelo semelhante à equação de Stokes-Einstein, que descreve a relação com temperatura e difusão, e descobriram que flutuações microscópicas podem explicar as mudanças que elas viu na difusão de partículas. Usando seu novo modelo, os pesquisadores também descobriram que a difusão gerada por esses pequenos movimentos é incrivelmente eficiente, permitindo que as bactérias usem apenas uma pequena quantidade de energia para ganhar uma grande quantidade de alimento.
“Agora derivamos uma teoria que prevê o transporte de moléculas dentro das células ou perto de superfícies ativas. Meu sonho seria que essas teorias fossem aplicadas em diferentes configurações biofísicas”, diz Mathijssen. Seu novo laboratório de pesquisa na Penn começará a trabalhar em experimentos de acompanhamento para testar esses novos modelos. Eles planejam estudar a difusão ativa em sistemas microscópicos biológicos e projetados.
Mathijssen, que também está envolvido em um projeto relacionado à disseminação do COVID-19 em instalações de processamento de alimentos, diz que os cílios nos pulmões são outro exemplo importante de tapetes ativos na biologia, especialmente por servirem como a primeira linha de defesa contra patógenos como COVID-19. Ele diz: “Isso seria outra coisa muito importante para testar, se esta teoria dos tapetes ativos pode estar ligada à teoria da eliminação de patógenos nas vias aéreas.”
Publicado em 30/03/2021 11h59
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