MADRID, 6 jan. (EUROPA PRESS) -
Especialistas internacionais, liderados pela Universidade de Tóquio (Japão), propõem uma maneira de calcular os "custos de vida" a partir de uma perspectiva termodinâmica e, assim, oferecer uma nova ferramenta para compreender a seleção e a evolução das vias metabólicas na raiz da vida. As descobertas são relatadas em um novo artigo publicado no Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (JSTAT).
Deve-se observar que há "custos da vida" que a física mecânica não pode calcular. Um exemplo claro é a energia necessária para manter ativos processos bioquímicos específicos - como os envolvidos na fotossíntese, embora os exemplos sejam incontáveis - enquanto se impede a ocorrência de processos alternativos. Na mecânica, a ausência de deslocamento implica trabalho zero e, em suma, não há custo de energia para impedir que as coisas aconteçam. No entanto, cálculos termodinâmicos estocásticos cuidadosos mostram que esses custos existem e, muitas vezes, são bastante significativos.
Quando, em um oceano antigo, um punhado de moléculas orgânicas formou um limite externo - a primeira membrana celular -, surgiu pela primeira vez uma clara distinção entre o interior e o exterior. A partir de então, esse sistema primordial teve de investir energia para manter essa compartimentalização e selecionar, entre as inúmeras reações químicas possíveis, apenas algumas vias metabólicas capazes de explorar substâncias valiosas extraídas do exterior e transformá-las em novos produtos. A vida nasceu junto com esse esforço de compartimentalização e escolha.
Os processos metabólicos têm um custo energético direto, mas também exigem um custo adicional para continuar direcionando os fluxos químicos para uma via preferencial em vez de permitir que eles se dispersem em todas as alternativas fisicamente possíveis. No entanto, sob a perspectiva da mecânica clássica, a compartimentalização e a escolha de reações - as restrições impostas nos limites de um sistema - não deveriam ter nenhum custo, pois são consideradas condições externas fixas que não contribuem para a produção de entropia.
Praful Gagrani, pesquisador da Universidade de Tóquio (Japão) e primeiro autor do novo estudo, juntamente com Nino Lauber (Universidade de Viena, Áustria), Eric Smith (Instituto de Tecnologia da Geórgia e Instituto de Ciências da Terra e da Vida, EUA) e outros, desenvolveram um método para calcular esses custos ignorados e classificar os caminhos de desenvolvimento. Os pesquisadores puderam então avaliar sua eficiência biológica, uma informação valiosa para estudos evolutivos que exploram como a vida surgiu em nosso planeta.
O que inspirou o novo trabalho foi o fato de Eric Smith, um dos coautores, ter usado o M*D, software desenvolvido por Flamm e colaboradores, para listar todos os caminhos possíveis que podem "construir" moléculas orgânicas a partir do CO2.
Gagrani se refere, nesse sentido, a um dos estudos anteriores de Smith sobre o ciclo de Calvin, um ciclo de reações químicas na fotossíntese que converte dióxido de carbono em glicose. "Eric usou o algoritmo para listar todos os caminhos que podem realizar a mesma conversão que o ciclo de Calvin e, em seguida, usou o que agora chamamos de custo de manutenção em nosso artigo para classificá-los." Dessa forma, os pesquisadores mostraram que o ciclo usado pela natureza está entre as vias menos dissipativas, ou seja, aquelas com o menor custo de energia.
Assim, inspirados pelo trabalho de Smith, Gagrani e seus colaboradores desenvolveram um método geral para estimar sistematicamente os custos termodinâmicos dos processos metabólicos. Em sua estrutura, a célula é imaginada como um sistema atravessado por um fluxo constante, no qual, por exemplo, uma molécula (um nutriente) entra e outra (um produto ou resíduo) sai. Dada a química subjacente, todas as vias quimicamente possíveis que convertem a entrada em saída podem ser geradas. Cada caminho tem seu próprio "custo termodinâmico". Em vez de calcular a energia no sentido clássico, o método estima a improbabilidade de que, em um mundo movido exclusivamente pela química espontânea, a rede (o conjunto de moléculas e reações que convertem a entrada em saída) se comportaria exatamente dessa maneira.
Essa improbabilidade tem dois componentes. O primeiro é o custo de manutenção, que se refere à improbabilidade de manter um fluxo constante em um determinado caminho. O segundo é o custo de restrição, que mede a improbabilidade de bloquear todas as reações alternativas na rede, mantendo ativo apenas o caminho de interesse. A improbabilidade calculada representa o custo desse processo, que pode então ser usado para classificar as vias metabólicas de acordo com o quanto é "caro" para a célula manter uma via ativa e silenciar as outras.
"Vimos coisas inesperadas, mas que fazem sentido quando você as analisa", explica Gagrani. "Por exemplo, usar várias vias ao mesmo tempo é menos dispendioso do que usar apenas uma. Vamos fazer uma analogia: imagine quatro pessoas que precisam ir de A a B por túneis estreitos. Se cada pessoa tiver seu próprio túnel (quatro túneis), elas chegarão mais rápido do que se forem apenas três ou menos, porque duas ou mais pessoas obstruiriam umas às outras na mesma passagem estreita".
Na natureza, entretanto, geralmente vemos que um processo é favorecido em relação a muitos. Isso ocorre porque os sistemas biológicos geralmente envolvem catálise (a ação de moléculas facilitadoras, enzimas), que aceleram as reações e as tornam menos dispendiosas, obtendo o mesmo efeito que ter vários caminhos em paralelo. Essa decisão evolutiva se deve ao fato de que a manutenção de muitas vias pode ter outras desvantagens, como a produção de muitas moléculas potencialmente tóxicas.
Como conclui Gagrani, esse novo método "é uma ferramenta útil para estudar a origem e a evolução da vida, pois nos permite avaliar os custos de escolher e manter processos metabólicos específicos. Ele nos ajuda a entender como certos caminhos surgem, mas explicar por que esses caminhos específicos foram selecionados requer um esforço verdadeiramente multidisciplinar.
Esta notícia foi traduzida por um tradutor automático