Auto-organização de estruturas complexas

Complexidade do tempo. (A–C) O tempo mínimo de montagem T^min ₉₀ nos quatro cenários em dependência do tamanho S da estrutura alvo, obtido a partir de simulações estocásticas para diferentes dimensionalidades das estruturas:(A) 1D, (B) 2D e (C) 3D. A escala de tempo reativa (Cν)⁻¹ define a escala de tempo básica no sistema, que depende da concentração inicial C de monômeros por espécie. Portanto, o tempo mínimo de montagem é medido em unidades de (Cν)⁻¹ . Cada ponto de dados representa uma média sobre várias realizações independentes da simulação estocástica para o mesmo valor de parâmetro (ótimo), determinado por uma varredura de parâmetro (Apêndice SI, seção 1). Encontramos dependências da lei de potência do tempo mínimo de montagem no tamanho da estrutura de destino. Os expoentes de complexidade de tempo correspondentes θ_sim resultantes das simulações estão resumidos nas tabelas em A–C juntamente com suas estimativas teóricas θ_th (que derivamos no Apêndice SI, seção 3). Indicamos os cenários como rev, reversible binding; ato, ativação; jis, apenas em sequência; e dim, dimerização. Crédito:DOI:10.1073/pnas.2116373119

Pesquisadores da Universidade Ludwig Maximilian de Munique desenvolveram uma nova estratégia para fabricar estruturas em nanoescala de maneira eficiente em termos de tempo e recursos.
Macromoléculas como estruturas celulares ou capsídeos de vírus podem emergir de pequenos blocos de construção sem controle externo para formar estruturas espaciais complexas. Essa auto-organização é uma característica central dos sistemas biológicos. Mas esses processos auto-organizados também estão se tornando cada vez mais importantes para a construção de nanopartículas complexas em aplicações nanotecnológicas. No origami de DNA, por exemplo, estruturas maiores são criadas a partir de bases individuais.

Mas como essas reações podem ser otimizadas? Esta é a questão que o físico da LMU Prof. Erwin Frey e sua equipe estão investigando. Os pesquisadores agora desenvolveram uma abordagem baseada no conceito de complexidade de tempo, que permite a criação de novas estratégias para a síntese mais eficiente de estruturas complexas, como relatam na revista PNAS .

Um conceito das ciências da computação

A complexidade do tempo descreve originalmente problemas do campo da informática. Envolve investigar como a quantidade de tempo necessária para um algoritmo aumenta quando há mais dados para processar. Quando o volume de dados dobra, por exemplo, o tempo necessário pode dobrar, quadruplicar ou aumentar para uma potência ainda maior. Na pior das hipóteses, o tempo de execução do algoritmo aumenta tanto que um resultado não pode mais ser gerado dentro de um prazo razoável.

"Aplicamos esse conceito à auto-organização", explica Frey. "Nossa abordagem foi:como o tempo necessário para construir grandes estruturas muda quando o número de blocos de construção individuais aumenta?" Se assumirmos - de forma análoga ao caso da computação - que o período de tempo necessário aumenta em uma potência muito alta à medida que o número de componentes aumenta, isso praticamente impossibilitaria a síntese de grandes estruturas. "Assim, as pessoas querem desenvolver métodos em que o tempo dependa o mínimo possível do número de componentes", explica Frey.

Os pesquisadores da LMU já realizaram essas análises de complexidade de tempo usando simulações de computador e análises matemáticas e desenvolveram um novo método para fabricar estruturas complexas. Sua teoria mostra que diferentes estratégias para construir moléculas complexas têm complexidades de tempo completamente diferentes – e, portanto, também diferentes eficiências. Alguns métodos são mais e outros menos adequados para sintetizar estruturas complexas em nanotecnologia. "Nossa análise de complexidade de tempo leva a uma descrição simples, mas informativa dos processos de automontagem, a fim de prever com precisão como os parâmetros de um sistema devem ser controlados para atingir a eficiência ideal", explica Florian Gartner, membro do grupo de Frey e principal autor do livro o papel.

A equipe demonstrou a praticabilidade da nova abordagem usando um exemplo bem conhecido do campo da nanotecnologia:os cientistas analisaram como fabricar com eficiência um envelope viral altamente simétrico. Simulações de computador mostraram que dois protocolos de montagem diferentes levaram a altos rendimentos em um curto espaço de tempo.

Uma nova estratégia de auto-organização

Ao realizar tais experimentos até agora, os cientistas confiaram em um método experimentalmente complicado que envolve a modificação das forças de ligação entre os blocos de construção individuais. "Por outro lado, nosso modelo é baseado exclusivamente no controle da disponibilidade dos blocos de construção individuais, oferecendo assim uma opção mais simples e eficaz para regular os processos artificiais de auto-organização", explica Gartner. No que diz respeito à eficiência de tempo, a nova técnica é comparável e, em alguns casos, melhor que os métodos estabelecidos. "Acima de tudo, esse esquema promete ser mais versátil e prático do que as estratégias convencionais de montagem", diz o físico.

"Nosso trabalho apresenta uma nova abordagem conceitual para a auto-organização, que estamos convencidos de que será de grande interesse para física, química e biologia", diz Frey. "Além disso, apresenta sugestões práticas concretas para novos protocolos experimentais em nanotecnologia e biologia sintética e molecular." + Explorar mais