Tendemos a separar o cérebro e os músculos – o cérebro pensa; o músculo faz o trabalho. O cérebro absorve informações complexas sobre o mundo e toma decisões, e o músculo apenas executa. Isto também moldou a forma como pensamos sobre uma única célula; algumas moléculas dentro das células são vistas como “pensadores” que absorvem informações sobre o ambiente químico e decidem o que a célula precisa fazer para sobreviver; separadamente, outras moléculas são vistas como o “músculo”, construindo estruturas necessárias para a sobrevivência.



Mas um novo estudo mostra como as moléculas que constroem estruturas, ou seja, o músculo, podem elas próprias pensar e fazer. O estudo, realizado por cientistas da Universidade de Chicago, do Instituto de Tecnologia da Califórnia e da Universidade Maynooth, foi publicado na Nature. e pode sugerir caminhos para novas maneiras de pensar sobre a computação usando os princípios da física.

"Mostramos que um processo molecular natural - a nucleação - que tem sido estudado como um 'músculo' há muito tempo pode fazer cálculos complexos que rivalizam com uma rede neural simples", disse UChicago Assoc. Prof. Arvind Murugan, um dos dois coautores seniores do artigo. “É uma habilidade escondida à vista de todos – as moléculas do 'fazer' também podem fazer o 'pensar'. A evolução pode explorar este facto nas células para fazer mais com menos peças, com menos energia e com maior robustez.”

Pensando usando a física

Para sobreviver, as células precisam reconhecer o ambiente em que se encontram e responder de acordo. Por exemplo, algumas combinações de moléculas podem indicar um momento de estresse que exige agachamento, enquanto outras combinações de moléculas podem indicar um momento de abundância. No entanto, a diferença entre estes sinais moleculares pode ser subtil – ambientes diferentes podem envolver as mesmas moléculas, mas em proporções diferentes.

Constantine Evans, o principal autor do estudo, explicou que é como entrar em uma casa e sentir o cheiro de biscoitos recém-assados, em vez de sentir o cheiro de borracha queimada. “Seu cérebro alteraria seu comportamento dependendo de você sentir diferentes combinações de produtos químicos odoríferos”, disse ele. “Queremos perguntar se apenas a física de um sistema molecular pode fazer o mesmo, apesar de não ter nenhum tipo de cérebro”.

A visão tradicional tem sido a de que as células poderiam ser capazes de sentir e responder dessa maneira usando circuitos moleculares que conceitualmente se assemelham aos circuitos eletrônicos do seu laptop; algumas moléculas sentem a quantidade de sal e ácido no ambiente, outras moléculas tomam uma decisão sobre o que fazer e, finalmente, moléculas “musculares” podem realizar uma ação em resposta, como construir uma estrutura protetora interna ou uma bomba para remover moléculas indesejadas. .

Murugan e os seus colegas queriam explorar uma ideia alternativa:que todas estas tarefas – detecção, tomada de decisão, resposta – podem ser realizadas num só passo pela física inerente às moléculas “musculares” que constroem uma estrutura.

Eles fizeram isso trabalhando com o princípio das “transições de fase”. Pense em um copo de água congelando quando atinge 32F; primeiro, um pequeno fragmento de gelo 'nuclea' e depois cresce até que todo o copo de água congele.

À primeira vista, estes passos iniciais do ato de congelamento – chamados de “nucleação” em física – não se assemelham ao “pensamento”. Mas o novo estudo mostra que o ato de congelar pode “reconhecer” combinações químicas sutilmente diferentes – por exemplo, o cheiro de biscoitos de aveia e passas versus pedaços de chocolate – e construir diferentes estruturas moleculares em resposta.

Robustez em experimentos

Os cientistas testaram a robustez da tomada de decisões baseada em “transições de fase” utilizando a nanotecnologia de ADN, um campo que Erik Winfree (BS'91) ajudou a criar. Eles mostraram que uma mistura de moléculas formaria uma de três estruturas, dependendo das concentrações de moléculas presentes no copo.

"Em cada caso, as moléculas se uniram para construir diferentes estruturas em escala nanométrica em resposta a diferentes padrões químicos - exceto que o ato de construir a estrutura em si tomou a decisão sobre o que construir", disse Winfree.

A experiência revelou que esta tomada de decisão baseada em “músculos” era surpreendentemente robusta e escalável. Com experiências relativamente simples, os investigadores conseguiram resolver problemas de reconhecimento de padrões envolvendo cerca de mil tipos de moléculas – um problema quase 10 vezes maior do que o que tinha sido feito anteriormente utilizando outras abordagens que separavam componentes “cérebro” e “musculares”.

O trabalho aponta para uma nova visão de computação que não envolve projetar circuitos, mas sim projetar o que os físicos chamam de diagrama de fases. Por exemplo, para a água, um diagrama de fases pode descrever as condições de temperatura e pressão nas quais a água líquida irá congelar ou ferver, que são propriedades materiais semelhantes a músculos. Mas este trabalho mostra que o diagrama de fases também pode codificar “pensar”, além de “fazer”, quando ampliado para sistemas complexos com muitos tipos diferentes de componentes.

"Os físicos tradicionalmente estudam coisas como um copo d'água, que tem muitas moléculas, mas todas são idênticas. Mas uma célula viva está cheia de muitos tipos diferentes de moléculas que interagem entre si de maneiras complexas", disse o co-autor. Jackson O'Brien (Ph.D.'21), que esteve envolvido no estudo como estudante de pós-graduação em física da UChicago. "Isso resulta em capacidades emergentes distintas de sistemas multicomponentes."

A teoria deste trabalho traçou analogias matemáticas entre esses sistemas multicomponentes e a teoria das redes neurais; os experimentos apontaram como esses sistemas multicomponentes podem aprender as propriedades computacionais corretas por meio de um processo físico, da mesma forma que o cérebro aprende a associar diferentes cheiros a diferentes ações.

Embora as experiências aqui envolvessem moléculas de ADN num tubo de ensaio, os conceitos subjacentes – nucleação em sistemas com muitos tipos de componentes – aplicam-se amplamente a muitos outros sistemas moleculares e físicos, disseram os autores.

"O DNA nos permite estudar experimentalmente misturas complexas de milhares de tipos de moléculas e compreender sistematicamente o impacto de quantos tipos de moléculas existem e os tipos de interações que elas têm, mas a teoria é geral e deve ser aplicada a qualquer tipo de molécula, "explicou Winfree.

"Esperamos que este trabalho estimule o trabalho para descobrir habilidades ocultas de 'pensamento' em outros sistemas multicomponentes que atualmente parecem ser apenas 'músculos'", disse Murugan.

Mais informações: Constantine Glen Evans et al, Reconhecimento de padrões na cinética de nucleação da automontagem sem equilíbrio, Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06890-z
Informações do diário: Natureza

Fornecido pela Universidade de Chicago