Para muitos processos importantes para a vida, como divisão celular, migração celular e desenvolvimento de órgãos, a formação espacial e temporal correta de padrões biológicos é essencial. Para entender esses processos, a tarefa principal não consiste em explicar como os padrões se formam a partir de uma condição inicial homogênea, mas em explicar como padrões simples se transformam em padrões cada vez mais complexos. Iluminar os mecanismos dessa complexa auto-organização em várias escalas espaciais e temporais é um desafio fundamental para a ciência.
As chamadas técnicas de "granulação grosseira" permitem que tais sistemas multiescala sejam simplificados, de modo que possam ser descritos com um modelo reduzido em grandes escalas de comprimento e tempo. "O preço que você paga pela granulação grossa, no entanto, é que informações importantes sobre os padrões em pequenas escalas - como o tipo de padrão - são perdidas. Mas o fato é que esses padrões desempenham um papel decisivo nos sistemas biológicos. Para dar um exemplo , eles controlam processos celulares importantes", explica Laeschkir Würthner, membro da equipe liderada pelo físico da LMU, Prof Erwin Frey e principal autor de um novo estudo publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences que supera esse problema.

Em colaboração com o grupo de pesquisa do Prof. Cees Dekker (TU Delft), a equipe de Frey desenvolveu uma nova abordagem de granulação grossa para os chamados sistemas de reação-difusão de conservação de massa, nos quais a análise em larga escala das densidades totais de as partículas envolvidas permitem a previsão de padrões em pequenas escalas.

Os cientistas ilustraram o potencial de sua abordagem com o sistema de proteínas Min, um modelo paradigmático para a formação de padrões biológicos. A bactéria E. coli usa várias proteínas Min que circulam em uma célula para determinar em que local ocorre a divisão celular. Um fator decisivo aqui é que as proteínas envolvidas ocorrem em diferentes frequências, dependendo de sua localização na célula e do estado químico – ou seja, elas têm uma variedade de densidades diferentes.

"Conseguimos agora reduzir a complexidade desse sistema desenvolvendo uma teoria que se baseia apenas nas densidades totais das proteínas, de modo que podemos espelhar completamente a dinâmica da formação de padrões", diz Frey. "Esta é uma redução enorme. Os cálculos numéricos agora são realizados em questão de minutos em vez de meses."

Os pesquisadores conseguiram confirmar experimentalmente as previsões teóricas do modelo, segundo as quais a distribuição das proteínas depende da geometria do ambiente. Eles fizeram isso reconstruindo o sistema de proteína Min em uma célula de fluxo in vitro, com os resultados mostrando os mesmos padrões de proteína que foram revelados na simulação.

"Tal reconstrução de informações em uma escala de pequeno comprimento a partir de dinâmicas reduzidas no nível macroscópico abre novos caminhos para uma melhor compreensão de sistemas multiescala complexos, que ocorrem em uma ampla gama de sistemas físicos", diz Frey. + Explorar mais

Sistemas biológicos de formação de padrões caracterizados melhor através da geometria do que simulações