Os sistemas vivos oferecem custos energéticos que a física mecânica tradicional não contabiliza. Um exemplo óbvio é que a energia necessária para manter certos processos bioquímicos em funcionamento, como os envolvidos na fotossíntese, impede ativamente a ocorrência de outras reações químicas. Na mecânica clássica, se nada se move, nenhum trabalho é realizado, o que significa que não há gasto de energia associado à prevenção de 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.
Um novo estudo foi publicado hoje (6 de janeiro). Jornal de Mecânica Estatística: Teoria e Experimento (JSTAT) introduz uma estrutura termodinâmica que permite calcular esses custos de energia anteriormente negligenciados. A abordagem fornece uma nova maneira de compreender como as vias metabólicas foram selecionadas e refinadas durante os primeiros estágios da vida na Terra.
Aprenda como controlar a química básica da vida
A vida provavelmente começou quando moléculas orgânicas simples formaram uma fronteira que separava o interior do ambiente circundante. Esta foi a primeira membrana celular a fazer uma distinção clara entre interior e exterior. A partir daí, o sistema teve que gastar energia para manter essa separação e limitar as reações químicas que poderiam ocorrer internamente. Em vez de permitir todas as reações possíveis, as células iniciais escolheram apenas um pequeno conjunto de vias metabólicas que poderiam usar materiais “externos” para produzir novos compostos úteis. O surgimento da vida foi inseparável dessa necessidade de administrar limites e escolhas.
Embora o custo energético óbvio do metabolismo esteja associado às reações químicas, há também um custo adicional associado à condução da atividade química ao longo de vias específicas. Este esforço extra evita que as respostas se ramifiquem para todas as outras opções fisicamente possíveis. Do ponto de vista da mecânica clássica, estas condições de contorno e restrições de reação não exigiriam energia, pois são consideradas estáticas e externas. Na realidade, contribuem para a geração de entropia e têm um forte valor.
Uma nova maneira de medir a eficiência metabólica
Praful Gagrani, pesquisador da Universidade de Tóquio e autor principal do estudo, trabalhou com os colegas Nino Lauber (Universidade de Viena), Eric Smith (Instituto de Tecnologia da Geórgia e Instituto de Ciências da Vida 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 com base na sua exigência energética, fornecendo informações valiosas sobre a eficiência biológica e a evolução.
“A motivação para o novo trabalho é que Eric Smith, um dos coautores, usou o MØD, um software desenvolvido por Flamm e colegas, para calcular todos os caminhos possíveis que as moléculas orgânicas podem ‘construir’ a partir do CO2.”
Gagrani aponta pesquisas anteriores de Smith e colegas sobre o ciclo de Calvin, a série de reações na fotossíntese que convertem dióxido de carbono em glicose.
“Eric usou algoritmos para contar todos os caminhos que poderiam fazer a mesma transição que o ciclo de Calvin, e depois usou o que hoje chamamos de custos de conservação em nosso artigo para classificá-los.”
Esta análise revelou que o caminho utilizado pela Natureza está entre as alternativas menos dissipativas, o que significa que requer menos energia do que a maioria das alternativas. “Extraordinário, não é?”, comentou Gagarani.
Medindo a improbabilidade em vez da força
Com base nesses insights, a equipe de pesquisa desenvolveu um método simples para estimar sistematicamente os custos termodinâmicos do metabolismo. No modelo deles, uma célula é considerada um sistema com fluxo constante, onde uma molécula entra, como um nutriente, e outra sai, como um produto ou resíduo. Com base na química envolvida, os cientistas podem criar cada via de reação possível que conecta a entrada à saída. Cada caminho carrega seu próprio custo termodinâmico.
Em vez de calcular a energia no sentido tradicional, o método avalia quão improvável seria para uma determinada rede de reação funcionar exatamente como funcionava se a química fosse conduzida apenas por processos espontâneos. Quanto mais improvável for o comportamento, maior será o custo.
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 definem o custo global de um processo metabólico. Isso permite que os pesquisadores comparem caminhos e determinem o quão fortemente uma célula favorece uma via química enquanto silencia outra.
Por que a natureza escolhe certos caminhos?
Os pesquisadores encontraram alguns padrões inesperados. “Vimos coisas que não esperávamos, mas quando você pensa sobre elas faz sentido”, disse Gagrani. “Por exemplo, usar vários caminhos ao mesmo tempo é mais barato do que usar apenas um. Aqui está uma analogia: imagine quatro pessoas que precisam ir de A a B através de um túnel estreito. Se cada pessoa tiver seu próprio túnel – quatro túneis – elas chegarão lá mais rápido do que se houvesse apenas três ou menos, porque duas ou mais pessoas bloqueariam umas às outras no mesmo caminho estreito.”
No entanto, os sistemas biológicos reais baseiam-se frequentemente numa única via dominante. Gagarani explica o porquê. “Isso é verdade, mas em sistemas biológicos a catálise muitas vezes interfere – moléculas, enzimas facilitam a ação – que aceleram as reações e as tornam menos dispendiosas, alcançando o mesmo efeito que ter múltiplas vias em paralelo. Esta escolha evolutiva ocorre porque a manutenção de múltiplas vias pode ter outras desvantagens, como múltiplas possibilidades.”
Uma nova ferramenta para estudar a origem da vida
“A nossa abordagem”, conclui Gagarani, “é uma ferramenta útil para estudar a origem e a evolução da vida porque nos permite avaliar os custos de escolha e manutenção de certos processos metabólicos. Ajuda-nos a compreender como surgem certos caminhos – mas é necessário um esforço verdadeiramente multidisciplinar para explicar porque é que esses caminhos específicos foram escolhidos.”
