A natureza é cheia de padrões. Entre eles estão os padrões de ladrilhos, que imitam o que você veria em um piso de banheiro, caracterizado por ladrilhos e interfaces - como argamassa - no meio. Na natureza, a coloração de uma girafa é um exemplo de padrão de azulejos. Mas o que faz com que esses padrões naturais se formem?
Um novo estudo da Universidade do Arizona usa bactérias para entender como os blocos e as interfaces surgem. As descobertas têm implicações para entender como a vida multicelular complexa pode ter evoluído na Terra e como novos biomateriais podem ser criados a partir de fontes biológicas.

Em muitos sistemas biológicos, os padrões de ladrilhos são funcionalmente importantes. Por exemplo, as asas de uma mosca têm telhas e interfaces. As veias, que fornecem estabilidade e contêm nervos, são interfaces, que quebram uma asa em ladrilhos menores. E em humanos, a retina na parte de trás do olho interno contém células que são organizadas como um mosaico de ladrilhos para processar o que está em nosso campo de visão.

Muitas pesquisas analisaram como esses padrões podem ser estabelecidos por meio de interações bioquímicas. No entanto, os padrões também podem ser estabelecidos por meio de interações mecânicas. Esse processo não é tão bem compreendido.

Um novo artigo publicado na Nature lança uma nova luz sobre a formação de padrões mecânicos. Foi liderado pelo ex-bolsista de pós-doutorado da UArizona, Honesty Kim. Ingmar Riedel-Kruse, professor associado do Departamento de Biologia Molecular e Celular da UArizona, é o autor sênior do artigo.

O laboratório Riedel-Kruse, em parceria com pesquisadores do Departamento de Matemática Aplicada do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, usou bactérias para modelar como os padrões de ladrilhos podem surgir por meio de interações mecânicas.

A equipe desenvolveu várias moléculas adesivas, ou pegajosas, que foram colocadas na superfície das células bacterianas, permitindo que diferentes tipos de células se unissem seletivamente. Quando essas bactérias alteradas foram colocadas em uma placa de Petri, as bactérias começaram a crescer uma em direção à outra. Sempre que dois tipos de bactérias diferentes se encontravam, uma interface era formada ou não, dependendo se suas moléculas de adesão à superfície eram complementares ou não. As interfaces tinham normalmente meio milímetro de largura e três a 10 milímetros de comprimento, contendo milhões de bactérias. Muitas dessas interfaces resultaram em uma variedade de padrões de ladrilhos complexos – dependendo das colocações bacterianas iniciais na placa de Petri.

Os autores então investigaram quais tipos de padrões de ladrilhos poderiam ser gerados e se existe uma lógica subjacente. Eles descobriram que apenas quatro moléculas adesivas diferentes são suficientes para fazer qualquer padrão possível de ladrilhos. Os padrões de ladrilhos podem variar em forma, tamanho e posição das interfaces.

“Provamos isso matematicamente com o famoso teorema do mapa de quatro cores, que afirma que não são necessárias mais de quatro cores para garantir que dois países que se tocam em um mapa político não tenham a mesma cor”, disse Riedel-Kruse.

Os pesquisadores geraram muitos padrões diferentes dessa maneira, incluindo um que usava interfaces para soletrar "U de A" para a Universidade do Arizona.

As ideias propostas pelo artigo podem, em última análise, levar a aplicações práticas.

Os cientistas podem criar biomateriais padronizados – que são feitos de seres vivos e podem se degradar mais rapidamente do que materiais sintéticos, como o plástico – com as propriedades desejadas. Por exemplo, eles poderiam criar um material com um padrão específico que pudesse controlar a facilidade com que o líquido flui sobre a superfície do material.

"Usando a lógica desta pesquisa, a forma, estrutura, elasticidade e até mesmo como o fluido responde - entrando no material ou sendo repelido - podem ser controlados", disse Riedel-Kruse. "Ou considere biofábricas microbianas para a produção de medicamentos e outros produtos químicos. Poderíamos controlar onde as diferentes bactérias são colocadas em relação umas às outras para executar diferentes partes de uma reação complexa."

O fato de que apenas quatro adesões são necessárias para criar praticamente todos os padrões de ladrilhos possíveis também fornece novas perspectivas sobre como a vida multicelular complexa pode ter evoluído na Terra a partir da vida unicelular.

"A descoberta de que quatro adesões diferentes são tudo o que é preciso para criar padrões de vida altamente diversos sugere que, uma vez que muitos componentes adesivos estivessem disponíveis, a biologia do desenvolvimento poderia gerar muitas novas formas", disse Riedel-Kruse.