Embora a maior parte da biologia e da medicina se concentre nos papéis-chave que os genes e os produtos químicos desempenham na formação e no controle dos sistemas vivos, o arranjo espacial dos componentes que constituem esses sistemas e as forças físicas que eles experimentam estão sendo cada vez mais reconhecidos como igualmente importantes. Donald Ingber, M.D., Ph.D., Diretor fundador do Wyss Institute da Harvard University, começou a investigar esta "arquitetura da vida" há mais de trinta e cinco anos, e descobriu que a Natureza usa um princípio arquitetônico conhecido como "tensegridade" (abreviação de "integridade tensional") para estabilizar as formas das células vivas e determinar como elas respondem às forças mecânicas.

Estruturas de tensegridade consistem em elementos que estão em um estado de tensão ou compressão, e o equilíbrio entre essas forças em interação permite que tais estruturas se estabilizem em estado de tensão isométrica, muito parecido com músculos e ossos em nossos corpos. Essa tensão interna ou "pré-esforço" permite que toda a estrutura resista às tensões de forças externas, deformar de forma controlada, e voltará espontaneamente à sua forma original quando a tensão for removida. A ideia de que a tensegridade dita a forma e a organização das células vivas foi inicialmente controversa, mas, como resultado da validação experimental em vários sistemas, ele ganhou maior aceitação ao longo do tempo.

A tensegridade também pode ser hierárquica, em que cada elemento estrutural pode ser uma estrutura de tensegridade em uma escala menor, com integridade tensional sendo mantida local e globalmente. Com base nessas propriedades, Ingber também propôs em um artigo da "Scientific American" em 1998 que a tensegridade poderia ser aplicada além do nível celular a todas as escalas de tamanho da vida, de átomos a organismos inteiros. Um trabalho recente de Ingber e outros forneceu suporte experimental para essa hipótese, demonstrando que a tensegridade é usada na escala de núcleos celulares, elementos do citoesqueleto, e moléculas individuais. Contudo, investigar como a tensegridade funciona em estruturas hierárquicas complexas que sofrem mudanças dramáticas na forma e na forma (como enzimas e outras proteínas) provou ser um desafio, em parte devido às limitações dos métodos de modelagem biológica existentes.

Usando um método de modelagem multi-escala desenvolvido recentemente, Ingber (que também é o Professor Judah Folkman de Biologia Vascular na Harvard Medical School e do Programa de Biologia Vascular no Hospital Infantil de Boston, e professor de bioengenharia na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson de Harvard e o cientista da equipe de Wyss Charles Reilly agora demonstraram com sucesso que os princípios de tensegridade são usados ​​em vários níveis de tamanho e complexidade estrutural dentro das células vivas. Seu trabalho também revelou como as mudanças baseadas na tensegridade na forma molecular podem conduzir o movimento das partes celulares. A pesquisa, relatado em Letras de Mecânica Extrema , elucida ainda mais a importância da tensegridade como um princípio fundamental da biologia.

A nova abordagem de modelagem computacional da equipe tem uma visão holística, tratar cada modelo como uma série de operações matemáticas que podem mudar dinamicamente em resposta a diferentes entradas, em vez de uma coleção de pontos de dados estáticos. "A diferença entre nosso método e outros métodos de modelagem é um pouco como as diferentes maneiras de usar planilhas do Excel, "diz Reilly." Se você colocar manualmente um monte de dados em uma planilha e, em seguida, alterar o conteúdo de uma célula, ele não atualizará as outras células ao seu redor. Mas se você usar uma fórmula e alimentar quaisquer alterações de dados por meio dessa fórmula, ele atualiza automaticamente todas as células da planilha. Isso é essencialmente o que estamos fazendo, mas para modelos multiescala de moléculas biológicas e sistemas de tamanho e complexidade variados. "

Esta estratégia, também conhecido como "modelagem procedural, "permite que dados de diferentes escalas de tamanho e formatos sejam integrados em um modelo multi-escala, construí-lo de baixo para cima e de cima para baixo simultaneamente, em vez de começar com conjuntos de dados discretos em que cada um descreve apenas um aspecto do modelo e tentar reconciliá-los. Em uma publicação recente no ACS Nano, Reilly e Ingber desenvolveram este método combinando abordagens de software de animação por computador da indústria do entretenimento com ferramentas rigorosas de simulação de dinâmica molecular comumente usadas em pesquisas biológicas. Eles usaram essa nova abordagem de simulação para construir um modelo de uma célula de esperma que demonstra o movimento celular de moléculas de proteína dineína individuais na cauda até a célula inteira, permitindo-lhes observar como as mudanças no nível atômico são refletidas em estruturas em larga escala. Eles também alavancaram esse avanço para produzir um filme de animação divertido para o público leigo que transmite a beleza e maravilha da fertilização de óvulos intitulado, "O início, "que foi publicado junto com o jornal.

Em seu artigo mais recente, eles mostram que esse mesmo modelo revela tensegridade em ação em várias escalas de tamanho na estrutura hierárquica de uma célula viva. No nível molecular, moléculas de dineína individuais cujas formas são estabilizadas por pré-esforço foram encontradas para ter áreas de maior rigidez em torno de seus locais de ligação de ATP, que resistem à deformação pela energia que chega do ATP e, em vez disso, traduzem essa força no movimento característico da molécula de dineína. As mudanças de forma coletiva de várias dineínas geram forças tensionais que são exercidas no longo prazo, microtúbulos resistentes à compressão aos quais estão ligados em uma escala de tamanho maior. Essas forças tensionais, então, conduzem a curvatura cíclica dos microtúbulos, que causa a flexão rítmica da cauda do espermatozoide ao nível da célula inteira.

"Este é o primeiro estudo, para nosso conhecimento, que demonstra a continuidade mecânica, transferência de tensão, e mudanças conformacionais que resultam da liberação de energia química da escala atômica até o nível da célula inteira, bem como como a tensegridade orienta essas mudanças para impulsionar o movimento celular, "diz Ingber.

Os pesquisadores então modelaram um novo sistema com o mesmo processo:a enzima mitocondrial ATP sintase, que também exibe uma mudança conformacional distinta que é ditada pela aplicação de força à estrutura da enzima, que é propagado via tensegridade. Mudar a concentração da molécula de substrato da enzima no modelo produziu um resultado que descreveu como a ATP sintase interage com seu microambiente. Outras investigações sugeriram que a maior prevalência de moléculas de enzima nas dobras internas versus externas das cristas mitocondriais poderia, na verdade, contribuem para as propriedades físicas do microambiente também, implicando que tensegridade também estabiliza estruturas na escala de complexas interações multi-moleculares.

"Concentramos nossa pesquisa neste artigo em estruturas na escala celular e para baixo, mas este método de modelagem também pode ser estendido para estruturas maiores, de forma que você possa modelar quase qualquer sistema multiescala, "diz Reilly. Os pesquisadores prevêem que sua abordagem poderia ser usada para produzir modelos para uma variedade de aplicações, da mecanobiologia à transdução de sinal celular e à decodificação dos fundamentos da própria vida.

"Tensegrity é um bom exemplo de um princípio de design biológico que nos inspirou aqui no Wyss Institute, e que aproveitamos para criar novas tecnologias, "adiciona Ingber." Por exemplo, trabalhando com [membro do corpo docente fundador e co-líder da Robótica Molecular] William Shih, construímos nanodispositivos de DNA baseados em tensegridade que podem ser programados para mudar de forma sob demanda para aplicações biomédicas, e com [membro do corpo docente e co-líder da Bioinspired Robotics] Radhika Nagpal, nós projetamos um auto-deformador, robô modular que pode realizar uma variedade de manobras mais rapidamente do que os robôs tradicionais. Agora que temos uma abordagem de modelagem que valida e incorpora tensegridade, esperamos poder estudá-lo e empregá-lo de maneiras totalmente novas e inesperadas. "