Um novo elástico se estende, mas depois volta à sua forma e tamanho originais. Esticado novamente, faz o mesmo. Mas e se o elástico fosse feito de um material que lembra como foi esticado? Assim como nossos ossos se fortalecem em resposta ao impacto, implantes médicos ou próteses compostas de tal material podem se ajustar às pressões ambientais, como aquelas encontradas em exercícios extenuantes.

Uma equipe de pesquisa da Universidade de Chicago agora está explorando as propriedades de um material encontrado nas células que permite que as células se lembrem e respondam à pressão ambiental. Em um artigo publicado em 14 de maio, 2021 dentro Matéria Macia, eles revelaram segredos de como funciona - e como um dia poderia formar a base para a fabricação de materiais úteis.

Cadeias de proteínas, chamados filamentos de actina, agem como ossos dentro de uma célula, e uma família separada de proteínas chamadas de reticuladores mantêm esses ossos juntos em um esqueleto celular. O estudo descobriu que uma concentração ideal de reticulantes, que se ligam e desassociam para permitir que a actina se reorganize sob pressão, permite que este andaime esquelético se lembre e responda a experiências anteriores. Essa memória material é chamada de histerese.

"Nossas descobertas mostram que as propriedades das redes de actina podem ser alteradas pela forma como os filamentos são alinhados, "disse Danielle Scheff, uma estudante de pós-graduação no Departamento de Física que conduziu a pesquisa no laboratório de Margaret Gardel, Horace B. Horton Professor de Física e Engenharia Molecular, o Instituto James Franck, e o Instituto de Dinâmica Biofísica. "O material se adapta ao estresse ao se tornar mais forte."

Para entender como a composição deste andaime celular determina sua histerese, Scheff misturou um tampão contendo actina, isolado do músculo do coelho, e cross-linkers, isolado de bactérias. Ela então aplicou pressão na solução, usando um instrumento chamado reômetro. Se esticado em uma direção, os reticuladores permitiram que os filamentos de actina se reorganizassem, fortalecimento contra a pressão subsequente na mesma direção.

Para ver como a histerese dependia da consistência da solução, ela misturou diferentes concentrações de reticulantes no tampão.

Surpreendentemente, esses experimentos indicaram que a histerese foi mais pronunciada em uma concentração de reticulador ideal; as soluções exibiram histerese aumentada à medida que ela adicionava mais reticuladores, mas além deste ponto ideal, o efeito tornou-se novamente menos pronunciado.

"Lembro-me de estar no laboratório a primeira vez que planejei essa relação e de pensar que algo deve estar errado, correndo até o reômetro para fazer mais experimentos para verificar, "Scheff disse.

Para entender melhor as mudanças estruturais, Steven Redford, um estudante de graduação em Ciências Biofísicas nos laboratórios de Gardel e Aaron Dinner, Professor de Química, o Instituto James Franck, e o Instituto de Dinâmica Biofísica, criou uma simulação computacional da mistura de proteínas que Scheff produziu no laboratório. Nesta versão computacional, Redford exerceu um controle mais sistemático sobre as variáveis ​​do que era possível no laboratório. Ao variar a estabilidade das ligações entre a actina e seus reticuladores, Redford mostrou que a desvinculação permite que os filamentos de actina se reorganizem sob pressão, alinhando com a deformação aplicada, enquanto a ligação estabiliza o novo alinhamento, fornecendo ao tecido uma "memória" dessa pressão. Juntos, essas simulações demonstraram que as conexões impermanentes entre as proteínas permitem a histerese.

"As pessoas pensam que as células são muito complicadas, com muito feedback químico. Mas este é um sistema simplificado onde você pode realmente entender o que é possível, "disse Gardel.

A equipe espera essas descobertas, estabelecido em um material isolado de sistemas biológicos, para generalizar para outros materiais. Por exemplo, usar reticulantes impermanentes para ligar filamentos de polímero pode permitir que eles se reorganizem como os filamentos de actina fazem, e assim produzir materiais sintéticos capazes de histerese.

"Se você entende como os materiais naturais se adaptam, você pode transportá-lo para materiais sintéticos, "Disse Jantar.