Os sistemas vivos pagam custos de energia que a física mecânica tradicional não leva em consideração. Um exemplo proeminente é a energia necessária para manter certos processos bioquímicos, como os relacionados com a fotossíntese, ao mesmo tempo que previne ativamente outras reações químicas. Na mecânica clássica, se nada se move, nenhum trabalho é realizado, o que significa que não há custo de energia envolvido para impedir que algo aconteça. Contudo, cálculos termodinâmicos mais sofisticados mostram que esta suposição não é válida para sistemas vivos. Estes custos ocultos são reais e podem ser surpreendentemente elevados.
Um novo estudo publicado hoje (6 de janeiro) no Jornal de Mecânica Estatística: Teoria e Experimento (JSTAT) introduz uma estrutura termodinâmica que permite o cálculo desses custos de energia anteriormente não contabilizados. Esta abordagem oferece uma nova maneira de compreender como as vias metabólicas foram selecionadas e refinadas durante os primeiros estágios da vida na Terra.
Como ele aprendeu a administrar a química desde cedo
A vida provavelmente começou quando moléculas orgânicas simples formaram uma fronteira que separava o interior do meio ambiente. Esta primeira membrana celular criou uma distinção clara entre o interno e o externo. A partir de então, o sistema teve que gastar energia para manter essa separação e limitar as reações químicas que poderiam ocorrer no seu interior. Em vez de permitir todas as reações possíveis, as células iniciais escolheram apenas um pequeno conjunto de vias metabólicas que poderiam utilizar materiais provenientes do exterior para produzir compostos novos e úteis. O surgimento da vida foi inseparável dessa necessidade de administrar limites e escolhas.
Embora o metabolismo tenha custos energéticos óbvios associados às próprias reações químicas, também existem custos adicionais associados ao direcionamento da atividade química ao longo de vias específicas. Este esforço extra evita que as respostas se ramifiquem para todas as outras alternativas fisicamente possíveis. Do ponto de vista da mecânica clássica, essas condições de contorno e restrições de reação não deveriam exigir energia porque são consideradas fixas e extrínsecas. Na realidade, contribuem para a produção de entropia e têm um custo energético.
Uma nova maneira de medir a eficiência metabólica
Praful Gagrani, pesquisador da Universidade de Tóquio e principal autor do estudo, trabalhou com os colegas Nino Lauber (Universidade de Viena), Eric Smith (Instituto Georgiano de Tecnologia e Instituto de Ciências da Terra) e Christoph Flamm (Universidade de Viena) para desenvolver um método para calcular esses custos ocultos. A sua abordagem permite aos cientistas classificar as vias metabólicas de acordo com a sua exigência energética, oferecendo informações valiosas sobre a eficiência biológica e a evolução.
“O novo trabalho foi inspirado quando Eric Smith, um dos coautores, usou o MØD, um software desenvolvido por Flamm e seus colegas, para enumerar todos os caminhos possíveis que podem ‘construir’ moléculas orgânicas começando com o CO2.”
Ghagrani aponta para um estudo anterior realizado por Smith e seus colegas sobre o ciclo de Calvin, a série de reações fotossintéticas que convertem dióxido de carbono em glicose.
“Eric usou um algoritmo para listar todos os caminhos que poderiam fazer a mesma conversão que o ciclo de Calvin e, em seguida, usou o que hoje chamamos de custo de manutenção em nosso trabalho para classificá-los.”
Esta análise mostrou que o caminho utilizado pela natureza está entre as opções menos dissipativas, o que significa que requer menos energia do que a maioria das alternativas. “É estranho, não é?” comenta Gagrani.
Medindo improbabilidade em vez de energia
Com base neste entendimento, a equipe de pesquisa desenvolveu um método geral para estimar sistematicamente os custos termodinâmicos do metabolismo. No seu modelo, a célula é vista como um sistema de fluxo constante no qual uma molécula, como um nutriente, entra e outra, como um produto ou resíduo, sai. Com base na química envolvida, os cientistas podem criar todos os caminhos de reação possíveis conectando a entrada à saída. Cada caminho tem seu próprio custo termodinâmico.
Em vez de calcular a energia no sentido tradicional, este método avalia quão improvável seria uma determinada rede de reação se comportar dessa maneira se a química fosse impulsionada apenas por processos espontâneos. Quanto mais improvável for o comportamento, maior será o seu valor.
Essa improbabilidade tem duas partes. O primeiro é o custo de manutenção, que reflete o quão difícil é manter um fluxo constante através de um determinado caminho. O segundo é o custo de restrição, que mede o quão difícil é suprimir todas as respostas alternativas, mantendo ativa apenas a via desejada.
Juntos, esses fatores determinam o custo global do processo metabólico. Isso permite que os pesquisadores comparem caminhos e determinem o quão energeticamente exigente é para uma célula favorecer uma via química enquanto silencia outras.
Por que a natureza escolhe certos caminhos
Os pesquisadores descobriram alguns padrões inesperados. “Vimos coisas que não esperávamos, mas faz sentido quando você pensa sobre elas”, diz Gagrani. “Por exemplo, o uso simultâneo de vários caminhos é mais barato do que o uso de apenas um. Aqui está uma analogia: imagine quatro pessoas que precisam ir do ponto A ao ponto B através de túneis estreitos. Se cada pessoa tiver seu próprio túnel – quatro túneis – eles chegam mais rápido do que se houver apenas três ou menos, porque duas ou mais pessoas estarão no caminho uma da outra na mesma passagem estreita.”
No entanto, os sistemas biológicos reais baseiam-se frequentemente numa única via dominante. Gagrani explica porquê. “Isso é verdade, mas em sistemas biológicos, a catálise – a ação de moléculas que facilitam as enzimas – muitas vezes intervém para acelerar as reações e torná-las menos dispendiosas, alcançando o mesmo efeito que ter múltiplas vias paralelas. Esta seleção evolutiva ocorre porque a manutenção de múltiplas vias pode ter outras desvantagens, como a produção de um grande número de moléculas potencialmente tóxicas.”
Uma nova ferramenta para estudar a origem da vida
“Nosso método”, conclui Gagrani, “é uma ferramenta útil para estudar a origem e a evolução da vida porque nos permite estimar os custos de seleção e manutenção de certos processos metabólicos”. Ajuda-nos a compreender como surgem determinados caminhos – mas explicar porque é que estes caminhos são escolhidos requer um esforço verdadeiramente interdisciplinar.”
