A formação de padrões moleculares auto-organizados nas células é um componente crítico de muitos processos biológicos. Pesquisadores da Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) em Munique propuseram uma nova teoria para explicar como esses padrões emergem em sistemas naturais complexos.

Muitos processos biológicos são crucialmente dependentes da formação de distribuições ordenadas de moléculas específicas dentro das células. Esses padrões são estruturas auto-organizadas que evoluem de maneira previsível no tempo e no espaço. Talvez o exemplo mais conhecido de padronização de proteína intracelular seja a maquinaria molecular que orquestra a segregação regular de conjuntos cromossômicos completos para as duas células filhas durante a divisão celular.

A teoria clássica de formação de padrões é baseada em sistemas químicos próximos do equilíbrio. Mas esses estados raramente são encontrados no físico, sistemas químicos ou biológicos nos quais a padronização auto-organizada é tipicamente observada. Como uma regra, esses sistemas estão muito longe do equilíbrio, um estado mantido pela entrada de energia. Os mecanismos que criam e estabilizam estruturas ordenadas nessas condições são mal compreendidos. Os físicos da LMU Erwin Frey e Jacob Halatek introduziram agora uma nova estrutura teórica que pode explicar a formação de padrões em sistemas de não equilíbrio. A nova teoria é descrita na revista Física da Natureza .

Frey e Halatek focaram sua atenção em sistemas dinâmicos que são impulsionados por interações de conservação de massa, ou seja, reações químicas. Em sistemas biológicos, a formação de padrões se manifesta principalmente na redistribuição dinâmica de proteínas específicas. Em muitos desses sistemas, a dinâmica depende de alterações nas conformações das moléculas de proteína que lhes permitem alternar entre um estado ligado à membrana e um estado de difusão livre na fase solúvel da célula. "O que observamos como um padrão de proteína é geralmente um arranjo espacial específico, uma densidade não uniforme, de uma proteína, em uma superfície de membrana, "diz Halatek.

A formação do padrão resulta do fato de que a distribuição de uma determinada proteína entre a membrana e a fase citosólica está em constante mudança, embora sua concentração total na célula permaneça constante. "A dinâmica da formação de padrões em um sistema tão complexo e extenso como uma célula biológica é, Contudo, muito difícil de capturar, mesmo em simulações, "diz Halatek." É por isso que dividimos os dados usados ​​em nossas simulações de formação de padrões em grandes sistemas em uma rede de compartimentos muito menores, que estão acoplados uns aos outros. "

A densidade local das proteínas ligadas à membrana e citosólicas determina o equilíbrio químico em cada compartimento - de tal forma que as mudanças na proporção das formas citosólicas das proteínas ligadas à membrana resultam em uma mudança no equilíbrio. Halatek e Frey mostraram que a formação de padrões é uma consequência dessas mudanças nos equilíbrios químicos locais. "A redistribuição das proteínas é impulsionada pela difusão. A difusão por si própria acabaria por levar a uma distribuição homogênea de todas as espécies de proteínas em todo o volume da célula, "diz Halatek. Portanto, é essencial para a formação do padrão que um gradiente de difusão seja mantido no sistema, de modo que as redistribuições das proteínas são sempre possíveis. Por esta razão, a formação de padrões em sistemas biológicos depende de reações enzimáticas que alteram as conformações das proteínas em questão, para permitir que eles se liguem à membrana, por exemplo."

Os dois físicos aplicaram sua nova teoria ao sistema Min - um conjunto de três proteínas encontradas na bactéria em forma de bastonete Escherichia coli, que interagem para gerar um padrão de auto-organização que determina o plano de clivagem durante a divisão celular. Eles observaram outra consequência da desestabilização dinâmica dos equilíbrios locais devido ao transporte de massa - o surgimento da turbulência química. "Essas turbulências, Contudo, não resultam na perda completa da ordem que as teorias clássicas sugerem, "diz Frey." Em nossa estrutura conceitual, precisamente o oposto ocorre. Quando desestabilizamos o sistema, observamos que a turbulência se desenvolve com relativa rapidez. Mas após mais perturbações, o sistema passa por uma transição na qual está longe do equilíbrio, mas, no entanto, claramente ordenado e não turbulento. "Frey e Halatek comparam este tipo de comportamento ao efeito de um marca-passo cardíaco, que neutraliza arritmias aplicando impulsos elétricos para restaurar o padrão normal de condução do impulso. "Nosso modelo explica como 'marca-passos' podem emergir por auto-organização em sistemas sem equilíbrio, "diz Halatek." Em outras palavras, podemos fornecer uma resposta clara à pergunta:Que parte do 'eu' é responsável pela 'organização?' Esse papel é desempenhado pelos modos instáveis ​​('modos de controle') que alteram a posição e a estabilidade dos equilíbrios locais que impulsionam a evolução temporal do sistema. "