O custo energético dos sistemas vivos não pode ser explicado pela física mecânica tradicional. Um exemplo óbvio é a energia necessária para manter certos processos bioquímicos, como os que envolvem a fotossíntese, em funcionamento, ao mesmo tempo que evita ativamente a ocorrência de outras reações químicas. Na mecânica clássica, se não houver movimento, nenhum trabalho será realizado, o que significa que não há custo de energia para evitar que algo aconteça. Contudo, cálculos termodinâmicos mais avançados mostram que esta suposição não se aplica aos sistemas vivos. Estes custos ocultos são reais e podem ser surpreendentemente elevados.
Publicado hoje (6 de janeiro) em ” Jornal de Mecânica Estatística: Teoria e Experimento (JSTAT) É introduzida uma estrutura termodinâmica que permite o cálculo desses gastos energéticos anteriormente negligenciados. O método fornece uma nova maneira de compreender como as vias metabólicas foram selecionadas e refinadas durante os primeiros estágios da vida na Terra.
Como a infância aprendeu a controlar a química
A vida pode ter começado quando moléculas orgânicas simples formaram uma fronteira que separava o interior do ambiente. A primeira membrana celular criou uma distinção clara entre o interior e o exterior. A partir daí, o sistema deve gastar energia para manter essa separação e limitar as reações químicas que podem ocorrer em seu interior. Em vez de permitir todas as reações possíveis, as primeiras células selecionaram apenas um pequeno subconjunto de vias metabólicas que poderiam explorar substâncias “externas” para produzir novos compostos úteis. A emergência da vida é inseparável desta necessidade de gerir 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 a reação se ramifique 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 externas. Na verdade, contribuem para a geração de entropia e têm um preço pela energia.
Nova maneira de medir a eficiência metabólica
Praful Gagrani, pesquisador da Universidade de Tóquio e principal autor do estudo, colaborou com os colegas Nino Lauber (Universidade de Viena), Eric Smith (Instituto de Tecnologia da Geórgia e Instituto de Ciências da Vida Terrestre) e Christoph Flamm (Universidade de Viena) para desenvolver um método para calcular esses custos ocultos. Seu método permite que os cientistas classifiquem as vias metabólicas de acordo com seu grau de demanda energética, fornecendo informações valiosas sobre a eficiência e a evolução biológica.
“O novo trabalho foi inspirado no uso do MØD pelo coautor Eric Smith, um software desenvolvido por Flamm e colegas, para enumerar todos os caminhos possíveis pelos quais as moléculas orgânicas poderiam ser ‘construídas’ a partir do dióxido de carbono.”
Gaglani aponta para as primeiras pesquisas de Smith e colegas sobre o ciclo de Calvin, a série de reações que convertem dióxido de carbono em glicose durante a fotossíntese.
“Eric usou o algoritmo para enumerar todos os caminhos que poderiam fazer a mesma transformação de um ciclo de Calvin e, em seguida, classificou-os usando o que hoje chamamos de custo de manutenção no artigo.”
A análise mostrou que o caminho utilizado pela natureza é um dos menos dissipativos, o que significa que requer menos energia do que a maioria dos caminhos alternativos. “É ótimo, não é?” disse Gagrani.
Medir impossibilidade, não energia
Com base nesta percepção, a equipe de pesquisa desenvolveu um método geral para estimar sistematicamente os custos termodinâmicos do metabolismo. Em seu modelo, a célula é vista como um sistema de fluxo constante no qual uma molécula entra, como um nutriente, e outra molécula sai, como um produto ou resíduo. Dependendo da reação química envolvida, os cientistas podem gerar todos os caminhos de reação possíveis que conectam entradas a saídas. Cada caminho tem seu próprio custo termodinâmico.
Em vez de calcular a energia no sentido tradicional, o método avalia a probabilidade de uma determinada rede de reação se comportar exatamente da mesma maneira se a química fosse conduzida apenas por processos espontâneos. Quanto mais improvável for o comportamento, maior será o seu custo.
Existem duas partes nesta situação impossível. O primeiro é o custo de manutenção, que reflete a dificuldade de manter um fluxo constante de tráfego através de um determinado caminho. O segundo é o custo de restrição, que mede a dificuldade de inibir todas as respostas alternativas enquanto mantém ativa apenas a via desejada.
Juntos, esses fatores determinam o custo global dos processos metabólicos. Isso permitiu aos pesquisadores comparar caminhos e determinar quanta energia é necessária para as células apoiarem um caminho químico enquanto silenciam outros.
Por que a natureza escolhe certos caminhos
Os pesquisadores encontraram alguns padrões inesperados. “Vimos coisas inesperadas, mas quando você pensa sobre elas, elas fazem sentido”, disse Gaglani. “Por exemplo, usar vários caminhos simultaneamente é mais barato do que usar apenas um. Uma analogia: imagine quatro pessoas precisando ir de A a B através de um túnel estreito. Se cada pessoa tivesse seu próprio túnel (quatro túneis), chegaria mais rápido do que se tivesse apenas três ou menos túneis, porque duas ou mais pessoas estariam bloqueando umas às outras na mesma passagem estreita.”
No entanto, os sistemas biológicos reais baseiam-se frequentemente numa única via dominante. Gaglani explica porquê. “Isso é verdade, mas em sistemas biológicos, a catálise frequentemente intervém – facilitando a ação de moléculas, enzimas – para acelerar reações e reduzir custos, alcançando o mesmo efeito que a execução de múltiplas vias em paralelo. Esta seleção evolutiva ocorre porque a manutenção de muitas vias pode criar outras desvantagens, como a produção de muitas moléculas potencialmente tóxicas.”
Nova ferramenta para estudar as origens da vida
“Nosso método é uma ferramenta útil para estudar a origem e evolução da vida porque nos permite avaliar os custos de seleção e manutenção de processos metabólicos específicos. Ajuda-nos a compreender como surgem certas vias, mas explicar por que essas vias específicas foram selecionadas requer um esforço verdadeiramente multidisciplinar”, concluiu Gaglani.
