Os físicos da Ludwig Maximilian University of Munich que investigam a formação de padrões espontâneos em um sistema modelo que inclui proteínas móveis descobriram fenômenos até então não observados. Suas descobertas fornecem novos insights sobre os processos biológicos.

Bandos de pássaros e suspensões bacterianas, mas também os sistemas dinâmicos de proteínas filamentosas que compõem o citoesqueleto das células eucarióticas, ter algo em comum. Do ponto de vista do físico, todos estes são exemplos de matéria ativa, isto é, sistemas cujos componentes são capazes de converter energia química em movimento ativo. Como esses componentes se auto-organizam em conjuntos funcionais é um dos problemas centrais da biologia celular, porque muitos dos processos essenciais que ocorrem nas células são baseados na auto-organização de estruturas moleculares complexas em padrões. Em colaboração com o Professor Andreas Bausch da Universidade Técnica de Munique, Os físicos da LMU liderados pelo Professor Erwin Frey estudaram um sistema modelo popular para a matéria ativa, e fenômenos descobertos nunca antes observados. Em primeiro lugar, os pesquisadores descobriram que padrões distintos podem surgir nas mesmas condições iniciais e, além disso, esses estados ordenados podem coexistir dinamicamente entre si. Em segundo lugar, flutuações sutis no nível microscópico não morrem. Em vez disso, eles podem ter consequências significativas para todo o sistema no nível macroscópico. O novo estudo aparece na revista Ciência .

Frey e seus colegas usaram um ensaio de motilidade padrão como modelo. Neste sistema, as proteínas motoras da miosina são fixadas a um substrato para formar uma espécie de tapete. Em seguida, uma solução contendo polímeros filamentosos da proteína actina é adicionada. Na presença de uma fonte de energia química (ATP), os filamentos se ligam às proteínas motoras e são ativamente transportados dentro da matriz. "Sob condições padrão, os filamentos de actina se movem em aglomerados semelhantes a ondas, "diz Lorenz Huber, um aluno de doutorado no grupo de Frey e, junto com Ryo Suzuki e Timo Krüger, co-primeiro autor do artigo. Experimentos realizados no laboratório de Bausch mostraram, Contudo, que pequenas alterações nas interações entre as proteínas têm um efeito inesperado neste padrão. A adição de uma pequena quantidade do polímero orgânico polietilenoglicol ao sistema reduz efetivamente o volume disponível para os filamentos de actina. Sob estas condições, não só a frequência, mas também o tipo de interação observada muda marcadamente, e as frentes de onda que avançam são transformadas em formas semelhantes a fios que crescem em comprimento, um pouco como trilhas de formigas. Isso demonstra que mesmo o menor, modificações locais podem alterar drasticamente o comportamento do sistema no nível macroscópico. "Normalmente, presume-se que os pequenos detalhes se tornam insignificantes em escalas maiores - mas aqui, pequenas diferenças são ampliadas progressivamente e têm um impacto cada vez maior à medida que se aumenta a escala do sistema, "diz Huber.

Os pesquisadores desenvolveram um modelo teórico que captura os movimentos dos filamentos e reproduz as observações experimentais. Simulações baseadas neste modelo também revelaram uma região de espaço de parâmetro em que estruturas semelhantes a ondas e trilhas de formigas emergem simultaneamente - e podem coexistir de forma estável entre si. “Este surgimento de biestabilidade indica que identificamos uma nova fase da matéria, "diz Frey. Em outros experimentos de laboratório, a equipe foi, de fato, capaz de gerar os dois estados de organização ao mesmo tempo. "É realmente fascinante de assistir. As ondas polarizadas lavam as trilhas das formigas e praticamente as eliminam, deixando para trás uma espécie de morena, que serve para semear a formação de uma nova trilha de formigas. Portanto, o sistema exibe uma interação muito interessante e dinâmica entre os dois tipos de padrão, "diz Huber.

Essas descobertas indicam que os sistemas de matéria ativa têm uma capacidade única de dar origem a diferentes tipos de padrões dinâmicos sob condições iniciais idênticas. De acordo com os autores do estudo, essa percepção tem implicações profundas para vários campos de pesquisa, e pode levar a novas maneiras de compreender os processos biológicos. "Isso inspira a refletir sobre como um sistema biológico pode gerar simultaneamente diferentes tipos de ordem usando um determinado conjunto de componentes, "Conclui Huber.

Este artigo será publicado online pela revista Ciência na quinta feira, 28 de junho 2018.