Os cílios são pequenas estruturas semelhantes a cabelos em células em todo o nosso corpo que servem a uma variedade de funções, incluindo a limpeza das vias aéreas, a circulação do líquido cefalorraquidiano em nossos cérebros e o transporte de óvulos nas trompas de falópio. Embora os pesquisadores entendam sua função, eles não entendem completamente como eles geram os movimentos especializados para realizar essas funções.
Uma equipe de pesquisadores da Escola de Engenharia McKelvey da Universidade de Washington em St. Louis, liderada por Louis Woodhams, conferencista sênior, e Philip V. Bayly, o distinto professor Lee Hunter e presidente do Departamento de Engenharia Mecânica e Ciência dos Materiais, desenvolveu um novo modelo matemático do cílio que bate devido a uma instabilidade mecânica chamada "flutter" que surge sob forças constantes geradas pela proteína motora dineína. Essa instabilidade de vibração em microescala é semelhante à vibração aerodinâmica em sistemas maiores, que levou ao conhecido colapso da ponte Tacoma Narrows, e também ocorre em asas de aeronaves e pás de turbinas.

Os resultados da pesquisa apareceram na capa da edição de agosto do Journal of the Royal Society Interface .

Os cílios batem de maneiras diferentes:o flagelo encontrado na cauda de um espermatozóide empurra o fluido simetricamente, enquanto outros tipos de cílios puxam assimetricamente, semelhante ao movimento de nado de um nadador. Outros ainda, como os cílios no nó embrionário, se movem em movimentos circulares ou rodopiantes.

"Fizemos um modelo de elementos finitos personalizado que nos permite explorar com eficiência o espaço de parâmetros do modelo e nos dar um retrato do comportamento do sistema", disse Woodhams, primeiro autor do artigo. "Este modelo pode ser usado para explicar as formas simétricas, assimétricas e 3D dos cílios."

A equipe construiu um modelo que tem seis filamentos do lado de fora e um do lado de dentro que era uma aproximação da estrutura do axonema flagelar, o feixe de microtúbulos que compõem o núcleo central de um cílio. Como muitas estruturas de proteínas no axonema são muito pequenas para medir suas propriedades diretamente, o modelo matemático permitiu que explorassem como o acoplamento entre filamentos individuais afetaria a frequência e a forma do batimento.

"Com este modelo, podemos tentar diferentes magnitudes de força de dineína e diferentes rigidezes das estruturas internas", disse Woodhams. "Tentar simular o sistema usando software comercial pode levar horas para resolver um sistema. Com essa abordagem, podemos resolver milhares de pontos de parâmetros e obter um instantâneo do comportamento do sistema em muitos pontos diferentes."

O laboratório de Bayly tem trabalhado com cílios como modelo para estudar vibração, movimento de ondas e instabilidade em sistemas mecânicos e biomédicos. A nova pesquisa baseia-se em trabalhos anteriores, permitindo uma análise eficiente de autovalor, que caracteriza a frequência e a forma de batimento, em um modelo multifilamentar do axonema usando matrizes de elementos finitos derivadas personalizadas. O modelo inclui uma nova representação matemática da proteína motora dineína que equilibra forças e momentos internos exatamente como o axonema se deforma.

"O modelo de Louie é uma grande contribuição para o campo. Ele demonstra de forma rigorosa e clara que uma instabilidade de vibração mecânica pode estar subjacente ao batimento dos cílios - um dos fenômenos biofísicos mais onipresentes e importantes da natureza", disse Bayly. + Explorar mais

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