Introdução
Em um laboratório ensolarado no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, duas estrelas do mar lutaram por suas presas. Braços sobrepostos prenderam um pedaço de camarão descongelado contra a lateral do tanque. Milhares de ventosas ondulavam furiosamente contra o vidro enquanto cada equinodermo lutava para empurrar o prêmio para sua própria boca.
O físico Nikta Fakhri olhou com um sorriso. Poucos físicos mantêm a vida oceânica em seus laboratórios, mas Fakhri aprendeu a cuidar de estrelas do mar quase tão bem quanto um biólogo marinho faria. E agora ela está expandindo seu zoológico; quando um repórter visitou recentemente, alguns tanques aguardavam a chegada iminente de ouriços-do-mar.
Fakhri voltou-se para os equinodermos na esperança de responder a uma pergunta antiga: o que é a vida? Ou, em uma formulação moderna: como as operações microscópicas de proteínas e células se somam a um choque entre estrelas do mar famintas?
Na busca para entender como o giro das engrenagens biológicas produz o negócio indescritivelmente complexo da vida, Fakhri achou natural recorrer à física - um campo que é adepto de vincular fenômenos microscópicos e macroscópicos. Os físicos aprenderam que a temperatura surge dos movimentos das moléculas, o magnetismo das orientações dos átomos e a supercondutividade do emparelhamento de elétrons. Talvez a vida também possa ser elegantemente descrita como uma propriedade que pode surgir nas circunstâncias certas.
Mas quais circunstâncias?
Ao examinar embriões de estrelas-do-mar, Fakhri avançou para explicar essas circunstâncias usando conceitos da física. Ela observa que, como outros estados da matéria, a vida “quebra a simetria” – o crescimento de um embrião distingue seu passado de seu futuro, por exemplo. Fakhri ampliou a linguagem da quebra de simetria para descrever como as proteínas e outros minúsculos componentes biológicos conspiram para permitir o movimento, a reprodução e outras características da vida. Ao longo do caminho, ela observou um novo estado bizarro da matéria que pode ajudar a vida a influenciar seus arredores.
Fakhri cresceu em Teerã, Irã. Apesar do ambiente opressivo para as mulheres, seus pais apoiaram sua educação e ela finalmente abriu caminho para instituições importantes no exterior. No ano passado, a American Physical Society a reconheceu com seu Prêmio de Início de Carreira para Pesquisa de Matéria Mole, por “desenvolvimentos inovadores e inspiradores”. QuantaA recente conversa de Fakhri com Fakhri em seu laboratório no campus do MIT foi condensada e editada para maior clareza.
Qual é o problema com a biologia e como a física pode ajudar?
A biologia é um campo realmente definido por suas moléculas. Tem sido muito bem sucedido na identificação dos componentes e mecanismos microscópicos da vida. É claro que conhecer os detalhes é importante, mas ainda há uma grande lacuna entre entender como, digamos, uma proteína consome energia e entender como juntar todas essas partes contribui para um comportamento realista.
A física tem uma visão um pouco diferente. Queremos entender os princípios que explicam as coisas em várias escalas, das muito pequenas às muito grandes, usando uma espécie de linguagem universal. Por exemplo, uma vez pensamos no calor como um fluido. Mas com a termodinâmica, fomos capazes de explicar a temperatura como o movimento das moléculas.
No caso da vida, gostaríamos de saber: como você vai da dissipação de energia em um nível de partícula única até um bando de pássaros?
Isso parece um alvo grandioso, visto que um pássaro é muito mais complicado do que uma molécula. Idéias tão simples como aquelas que definiram a temperatura podem realmente ser aplicadas de maneira útil a organismos vivos?
A vida é, sem dúvida, complexa além do que estamos acostumados na física, mas acho que é um desafio empolgante. No passado, a física mostrou que essa abordagem de tentar entender uma unidade como mais do que a soma de suas partes está no cerne de muitos fenômenos complexos. Eu gostaria de ser otimista de que as regras físicas podem nos permitir entender o que pode ser a complexidade final do mundo.
Qual é o principal desafio no desenvolvimento de uma estrutura física para a vida?
Na física, precisamos que um sistema esteja em equilíbrio para definir praticamente qualquer coisa. O equilíbrio é o que nos permite entender a pressão de um gás apenas conhecendo o número de moléculas em uma caixa, sem nos preocuparmos de que tipo de moléculas são ou do que a caixa é feita. É uma conquista incrível que muitas vezes tomamos como certa. Mas a vida não está em equilíbrio. Há um ditado famoso que diz que quando um sistema vivo atinge o equilíbrio, ele está morto. Com a vida, há uma mudança constante entre diferentes tipos de estabilidade - como você vai de acordado para adormecido e de volta para acordado novamente. Precisamos desenvolver maneiras de entender como um sistema vivo muda de um estado estacionário para outro.
Essa contabilidade também pode enriquecer a física. A física tem tido muito sucesso, mas não está realmente equipada para lidar com a natureza de não-equilíbrio dos sistemas vivos.
Que tipo de estrutura pode ser capaz de lidar com as constantes mudanças da vida?
A chave para entender as transições de um estado de um sistema para outro é a quebra de simetria. O exemplo clássico é um metal se tornando magnetizado. Inicialmente, você tem partículas apontando para todas as direções – o metal tem “simetria rotacional” porque todas as direções parecem iguais do ponto de vista de uma partícula. Então você liga um campo magnético e de repente todas as partículas se orientam em uma direção especial, quebrando a simetria.
Você pode então definir o que é chamado de parâmetro de ordem, que é uma maneira importante de ir de uma partícula para uma descrição de muitas partículas. Em um ímã, o parâmetro de ordem é a seta em cada ponto informando em que direção um grupo de partículas próximas está apontando em média. O parâmetro de ordem permite entender o que é a quebra de simetria e o que acontece durante uma transição. Mas encontrar o parâmetro de ordem correto é uma arte.
Isso é uma grande parte do que estamos tentando fazer com nosso sistema modelo, células-ovo de estrela do mar. Descrevemos como eles mudam em termos de parâmetros de ordem e simetrias quebradas.
Introdução
Por que óvulos de estrelas do mar?
Uma abordagem física requer sistemas modelo com comportamento rico e auto-organização em diferentes escalas. Quando entrei para o MIT, havia um grupo no departamento de biologia que estava pensando na estrela do mar como um sistema modelo. Conforme conversávamos, ficava cada vez mais claro para mim que ele tinha tudo de que precisávamos.
Agora estou ainda mais convencido. Neste verão, passei algum tempo no Laboratório de Biologia Marinha em Woods Hole. As estrelas-do-mar são equinodermos e brincamos com outros equinodermos, como ouriços-do-mar e bolachas-da-praia. Fiquei maravilhado com a beleza da vida marinha e como todos os equinodermos passam dessa célula ovular redonda e simétrica para uma simetria pentameral quebrada. Apenas este pequeno ramo da vida tem tanta quebra de simetria para estudar.
Então, como a quebra de simetria define a vida?
A simetria quebrada mais importante é o tempo.
Eu sempre começo minhas palestras com um vídeo de um embrião se desenvolvendo, mas eu o reproduzo ao contrário. Quando eu mostro para os biólogos, eles imediatamente dizem: “Isso não está certo. As células nunca se fundem.
Aumente o zoom, no entanto, e a seta do tempo não é tão nítida. Como pesquisador de pós-doutorado, estudei os movimentos dos nanotubos de carbono dentro das células humanas. A olho nu, o movimento deles parece aleatório, o mesmo se você reproduzir o vídeo para frente ou para trás. Mas quando nós mediu o balanço Dos nanotubos em detalhes, as flutuações pareciam ser muito maiores do que você esperaria ver em equilíbrio à temperatura ambiente. Eles se moviam como se a cela tivesse uma temperatura de 1,000 graus. De onde vinham essas flutuações extras? Tinham que estar relacionados ao fato de que, ao contrário de um ímã em equilíbrio, as células consumiam continuamente energia e a usavam para viver, para estabelecer uma seta do tempo.
Esse trabalho abriu todo o meu mundo para esses incríveis sistemas de não-equilíbrio, e mergulhei mais fundo na biofísica.
Introdução
Portanto, os sistemas de equilíbrio flutuam de maneiras aleatórias que, em média, não resultam em mudanças significativas. Mas os sistemas de não-equilíbrio, como os seres vivos, podem flutuar em padrões mais organizados – e as sementes dessa organização devem existir mesmo no nível microscópico, mesmo que tudo pareça aleatório lá embaixo. Você conseguiu identificar essas sementes de coordenação?
Em outro projeto, estudei as vibrações dos cílios ao redor das células renais. Os cílios são os pequenos pelos que as células usam para nadar ou sentir seus ambientes, e também vibram de uma forma que parece aleatória. Mas descobrimos que se você quebrar suas vibrações em alguns movimentos básicos, poderíamos identificar um padrão repetitivo — um ciclo — em como cada cílio misturava os movimentos básicos.
Esse tipo de ciclo é um sinal revelador de que seu sistema não está em equilíbrio, que tem uma seta do tempo. Mais tarde, aprendemos como usar a direção e o tamanho do ciclo para descobrir até que ponto as células estavam fora de equilíbrio.
Você também usa a quebra de simetria para entender como os embriões de estrelas do mar crescem.
Os óvulos se dividem várias vezes à medida que crescem e se tornam um embrião, e cada divisão é um exemplo espetacular de quebra de simetria no tempo e no espaço. De alguma forma, proteínas minúsculas dizem à célula gigantesca quando e onde começar a se dividir. Para uma proteína, qualquer ponto e qualquer momento é tão bom quanto o outro. Então, como eles quebram a simetria para que a célula se divida aqui e agora?
Bem, como eles?
Existe uma proteína de sinalização chave, chamada Rho-GTP, que diz aos “músculos” da célula para se contraírem e transmitirem uma força que leva à divisão celular. Quando rastreamos quantas dessas proteínas foram ativadas durante a divisão celular, vimos que seus níveis de atividade assumiram a forma dessas ondulações se espalhando por toda a superfície da célula. A questão era: como poderíamos caracterizar essas ondulações? Qual é o parâmetro de ordem deles?
Introdução
Descobrimos que, se gravássemos um filme das ondulações e ampliássemos apenas um pixel, seu brilho aumentava e diminuía como uma onda. O pixel vizinho também, mas sua onda estava um pouco fora de sincronia com a primeira. Depois de algumas tentativas e erros, optamos por usar o quanto essas duas ondas estavam fora de sincronia como nosso parâmetro de ordem.
Aqui é onde fica interessante. Descobrimos que havia pontos onde a onda simplesmente parava. Agora, eu amo isso. Esses pontos comportar-se exatamente como partículas carregadas, com os quais os físicos têm muita experiência. É como se tivessem uma carga de mais ou menos 1 dependendo se giram no sentido horário ou anti-horário. Às vezes, pares com cargas opostas são criados e, às vezes, eles se aniquilam. Agora temos toda essa linguagem para explicar como esse sistema se auto-organiza no espaço e no tempo. Acreditamos que essas partículas são os centros organizadores de geração de força. Eles controlam as propriedades das ondas que dizem à célula quando e onde se dividir.
Você usou a física para entender o que está acontecendo em uma célula. Você passou para o nível de organismos multicelulares?
Se você deixar as células continuarem se dividindo, você basicamente obtém essa seta do tempo progredindo. Eventualmente, você terá milhões e milhões de células formando um embrião de estrela do mar. O embrião tem cílios e, em algum momento, os cílios começam a bater sincronizadamente e o embrião começa a nadar. Ele nada em um movimento giratório de saca-rolhas que pode atrair outros embriões giratórios.
Introdução
Certa manhã, entramos no laboratório e meus alunos notaram que um monte de embriões havia se agrupado na superfície da água. E os aglomerados — que passamos a chamar de “cristais vivos” — também giravam, quebrando a simetria entre os sentidos horário e anti-horário. Este sistema tem tantos tipos de quebra de simetria!
O que você poderia aprender com esses cristais vivos?
Quando você aponta uma câmera para o cristal e o gira na mesma velocidade para não ver a rotação, pode ver que todo o cristal parece estar balançando suavemente com ondulações lentas.
Ao mesmo tempo em que estudávamos isso, o grupo de Vincenzo Vitelli em Chicago estava trabalhando em uma teoria onde basicamente você tem duas partículas com baterias internas que giram uma em relação à outra. Essas partículas podem, na verdade, desafiar a terceira lei do movimento de Newton: não há ação e reação iguais. A primeira partícula afeta a segunda de maneira diferente da segunda afeta a primeira.
Introdução
Se eu tiver um material feito dessas partículas rotativas, chamado de material “estranho”, quando eu o empurro, as interações desequilibradas entre as partículas fazem o material girar. É como se você tivesse um pião e, quando o empurrasse para baixo, ele começasse a girar. O grupo de Chicago previu que, sob certas condições, essas rotações poderiam se sincronizar para criar oscilações sustentadas.
Essa investigação de materiais estranhos em sistemas vivos era toda teórica até mostrarmos que, com nossos cristais de embriões de estrelas do mar, que queimam energia para girar de maneira semelhante, você pode realmente obter essas oscilações sustentadas.
Os embriões de estrelas do mar usam essa propriedade estranha para fazer algo útil?
Pode ser! As estrelas-do-mar desovam em poças de maré onde a temperatura muda muito. Então, uma ideia é que os embriões se unem como um bando de pássaros e usam seu comportamento coletivo como forma de aquecer ou resfriar seu ambiente, direcionando o fluxo de energia.
Qual é o significado desta descoberta?
Construímos um cristal com partículas biológicas e conseguimos algo que nunca foi visto antes, o que abre um leque de novas questões.
Por exemplo, sempre pensamos nas células como tendo propriedades de equilíbrio com alguma atividade. Mas e se o sistema for antes de mais nada definido por sua atividade fora de equilíbrio, como são esses materiais estranhos? As células estão usando essa estranheza, talvez para se refrescar. E se outros sistemas vivos também explorarem propriedades como estranheza para funções básicas? E se você precisar dessa estrutura para entender como os músculos funcionam?
Outra questão é: que materiais poderemos construir quando entendermos melhor como os materiais vivos funcionam? Neste momento, estamos sujeitos às leis físicas que conhecemos. Mas talvez esse tipo de pesquisa possa nos dar um grande salto em quais tipos de funções podemos fazer com que os materiais desempenhem.
O próximo grande passo será se podemos fazer uma conexão entre as quantidades que aprendemos a medir e as funções biológicas. Uma característica definidora dos sistemas vivos é que eles têm um propósito. Nos próximos anos, meu sonho é conectar funções específicas, digamos, um tipo específico de mobilidade celular, com números que possamos medir, como a dissipação de energia. Encontrar esse tipo de conexão é um objetivo muito maior.
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