O interesse em determinar quanto custa manter as partes químicas diretamente na célula levou um grupo de pesquisadores internacionais a desenvolver um método para estimar esse custo mínimo, fundamental para a compreensão da seleção metabólica na evolução. Conforme publicado no Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (JSTAT), o método não só abre caminhos para classificar vias biológicas por eficiência, mas também nos permite considerar como os organismos celulares, desde a sua origem, têm utilizado recursos energéticos para apoiar vias metabólicas com outras opções possíveis.
De acordo com informações fornecidas pelo JSTAT, a equipe foi liderada pela Universidade de Tóquio e incluiu especialistas da Universidade de Viena, do Instituto de Tecnologia da Geórgia e do Instituto de Ciências da Terra e da Vida. O estudo aborda uma limitação comum dos mecanismos clássicos: o modelo tradicional assume que a distribuição e seleção de processos, como a manutenção de certas vias metabólicas ativas, não deve ter um custo forte. Contudo, os investigadores mostram que, do ponto de vista termodinâmico, estes custos existem e podem ser importantes para o funcionamento e desenvolvimento das células.
O trabalho começa com o surgimento da vida na Terra, quando a primeira membrana celular formou uma distinção física entre o interior e o exterior das protocélulas. Desde então, o sistema biológico não só teve que utilizar energia para manter essa divisão, mas também para favorecer as reações químicas dos demais, em competição entre outras metabólicas. Conforme detalhado no artigo do JSTAT, os processos metabólicos não só requerem energia para completar o seu ciclo, mas devem gastar dinheiro adicional para evitar que o fluxo de produtos químicos se espalhe para outras reações, função essencial para a organização e eficiência biológica.
O pesquisador Praful Gagrani, da Universidade de Tóquio, liderou o desenvolvimento desse modelo, junto com Nino Lauber, Eric Smith e outros especialistas. Gagrani explicou que a inspiração surgiu após um trabalho em que Eric Smith utilizou o software M*D, criado por Flamm e sua equipe, que permite listar todas as vias que podem converter o dióxido de carbono em moléculas orgânicas, segundo o estudo do ciclo de Calvin. Esse ciclo de reação, relacionado à fotossíntese, transforma CO2 em glicose e, por meio do algoritmo, Smith conseguiu visualizar e comparar todas as cadeias metabólicas que atuam nessa mudança química.
Usando a fórmula desenvolvida pela equipe, eles mapearam as vias metabólicas conhecidas para os seus custos de manutenção. Eles descobriram que o caminho escolhido pela natureza – o próprio ciclo de Calvin – era um dos mais caros em termos de energia. Inspirados por esses resultados, os pesquisadores criaram um método geral para calcular os custos termodinâmicos de todos os processos metabólicos. O modelo considera a célula como um sistema fluido, onde entra uma molécula de nutriente e sai outra, como um produto ou resíduo. A química existente descreve todos os caminhos possíveis para converter uma molécula que entra em uma molécula que sai, e cada caminho é estudado com seu “custo termodinâmico”.
A abordagem não só acrescenta energia direta, mas avalia o mau funcionamento das redes metabólicas que operam de uma forma específica sem orientação biológica, num ambiente controlado pela química automática. Essa improbabilidade possui dois componentes: o custo de manutenção, correspondente à dificuldade de manter o fluxo desejado em um determinado caminho, e o custo de restrição, que representa o esforço necessário para evitar todos os outros caminhos na escolha daquele de interesse.
Este conjunto de parâmetros permite calcular o gasto energético total associado à manutenção das vias metabólicas ativas e à eliminação de outras opções da rede celular. O resultado é uma ferramenta que permite classificar estes caminhos de acordo com o “custo” da sua manutenção, ajudando a compreender porque é que certos caminhos dominam na natureza e como a evolução tem favorecido os caminhos mais eficientes.
Durante o estudo, a equipe liderada por Gagrani encontrou dados surpreendentes ao analisar o custo de manutenção de múltiplas vias metabólicas versus uma. O investigador explicou que utilizar vários percursos em paralelo pode ser mais caro do que escolher apenas um, conclusão que ilustrou com uma analogia: se quatro pessoas tentarem atravessar uma faixa estreita, cada uma com o seu túnel avançará mais rápido e com menos obstáculos do que se tivessem de partilhar um caminho. No entanto, em sistemas biológicos domina uma única via, em parte devido à interferência de enzimas que causam reações específicas e reduzem os custos de energia, bem como para evitar a acumulação de moléculas potencialmente tóxicas derivadas de múltiplas vias ativas.
O método desenvolvido, conforme apontado por Gagrani ao JSTAT, oferece uma importante ferramenta para o estudo da origem e da evolução da vida, ao realizar pesquisas sobre como avaliar o “custo” dinâmico da seleção e manutenção de processos metabólicos específicos. Os resultados permitem perceber um padrão no aparecimento de determinados caminhos, embora a explicação completa da escolha final exija lidar com fatores adicionais, o que exige a integração de conhecimentos de diferentes disciplinas.
O progresso relatado pelo JSTAT tem implicações para a biologia evolutiva e a compreensão do desempenho dos organismos, além de abrir a porta para investigar quais outros caminhos estão disponíveis em diferentes condições dinâmicas e ambientais.
