Um acelerador de partículas ajudou os cientistas a criar formigas 3D impressionantes

“Uma limitação é que você pode obter esse rico conjunto de dados 3D, mas pode levar 10 horas para digitalizar um espécime”, explicou Economo, presidente do Departamento de Entomologia da Universidade de Maryland e titular dos cargos de professor James B. Gahan e Margaret H. Gahan.

Em um estudo publicado na revista Métodos da Natureza em 5 de março de 2026, Economo e colegas testaram uma nova abordagem concebida para acelerar drasticamente o processo. O projeto reuniu pesquisadores liderados por Economo e Thomas van de Kamp do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT), na Alemanha. Sua equipe combinou um acelerador de partículas síncrotron, imagens de raios X, robótica e inteligência artificial (IA) para gerar reconstruções digitais interativas representando 800 espécies de formigas.

Juntas, essas tecnologias permitiram que os cientistas digitalizassem espécimes com muito mais rapidez e convertessem dados brutos de imagens em modelos 3D detalhados.

“Estimamos que se realizássemos este projeto com um tomógrafo de laboratório, seriam necessários seis anos de operação contínua”, disse Julian Katzke, primeiro autor do estudo e graduado no laboratório do Economo no Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST), no Japão. “Com a configuração do KIT, digitalizamos 2.000 amostras em uma única semana.”

O esforço, conhecido como Antscan, poderá orientar futuros projetos de digitalização em grande escala para muitos tipos de organismos. Os dados brutos usados ​​para construir os modelos estão disponíveis publicamente para download, e um visualizador integrado permite aos usuários explorar on-line as formigas 3D completas.

“O valor deste estudo não é apenas sobre formigas – é muito mais amplo”, disse Economo, que agora é professor adjunto no OIST, além de sua função na UMD. “Quando os espécimes são digitalizados, podemos construir bibliotecas de organismos que podem agilizar seu uso desde laboratórios científicos até salas de aula e estúdios de Hollywood”.

Construindo uma Biblioteca Digital da Biodiversidade de Formigas

Para montar este extenso arquivo digital, a equipe de pesquisa reuniu espécimes de formigas preservadas em etanol de museus, instituições parceiras e especialistas em todo o mundo. Depois de organizar as amostras por espécie e casta, as amostras foram transportadas para o KIT para imagens de micro TC de alto rendimento. O método funciona de forma semelhante às tomografias computadorizadas médicas, mas com uma ampliação muito maior.

Na instalação, um acelerador de partículas síncrotron gerou um intenso feixe de raios X capaz de escanear muitas amostras rapidamente. Um trocador de amostras robótico manipulou os insetos durante o processo, girando cada amostra e substituindo-a pela próxima a cada 30 segundos. Esse rápido fluxo de trabalho produziu pilhas de imagens 2D que os pesquisadores posteriormente combinaram para criar modelos 3D completos.

Inicialmente, as varreduras capturaram formigas em posições torcidas ou estranhas. Essas poses distorcidas estavam longe dos modelos realistas que os cientistas queriam produzir. Para resolver esse problema, os alunos do curso CMSC 435: “Engenharia de Software” do Professor Associado de Ciência da Computação da UMD, James Purtilo, começaram a desenvolver ferramentas de IA que automatizam a “estimativa de pose”. A tecnologia ajusta as imagens digitalizadas para que as formigas apareçam em posições naturais semelhantes às que apareceriam na natureza.

“Esta colaboração foi uma grande oportunidade para nós”, disse Purtilo. “O objetivo principal é desafiar os alunos a integrar habilidades, funcionar como uma equipe eficaz e demonstrar sua capacidade de resolver problemas reais. E esse problema foi incrível.”

Os modelos Antscan resultantes revelam detalhes internos, como músculos, sistema nervoso, órgãos digestivos e ferrões com resolução em nível micrométrico. Essas formigas digitais também podem ser animadas ou colocadas em ambientes de realidade virtual para pesquisa científica, educação ou entretenimento.

“Fazer isso manualmente levaria anos, então sem essas ferramentas computacionais basicamente nunca teria sido feito”, disse Economo. “Agora, estamos a fazer grandes progressos na criação de uma biblioteca viva de modelos interactivos correspondentes à biodiversidade da Terra. A IA permitir-nos-á explorar a diversidade da vida e partilhá-la com o mundo.”

Dados Antscan alimentam novas pesquisas

A crescente base de dados Antscan já se revelou útil para estudos científicos. Economo também atuou como autor sênior em um artigo publicado na revista Avanços da Ciência em 19 de dezembro de 2025. Nessa pesquisa, os cientistas usaram dados do Antscan para investigar se as colônias de formigas se beneficiam mais por terem muitas operárias menores ou menos indivíduos com corpos mais fortes.

A equipe examinou as relações entre o volume da cutícula, o tamanho das colônias e a diversificação evolutiva em mais de 500 espécies de formigas. A cutícula forma a camada externa protetora do exoesqueleto de uma formiga. Como sua produção requer nitrogênio e outros minerais, uma armadura mais espessa representa um investimento maior em recursos para cada formiga individual.

A análise revelou uma forte correlação negativa entre o volume da cutícula e o tamanho das colônias. Por outras palavras, as colónias que investem menos em armaduras espessas podem ser capazes de sustentar mais trabalhadores, permitindo-lhes potencialmente crescer e diversificar com mais sucesso.

O Antscan tornou essas medições possíveis porque os modelos 3D permitem aos pesquisadores calcular com precisão o volume da cutícula, algo que antes era difícil de medir. O projeto também escaneou as mesmas espécies de formigas examinadas em um estudo de junho de 2025 publicado na revista Célula e de co-autoria de Economo que gerou um conjunto de genomas de formigas de alta qualidade. Juntos, esses conjuntos de dados poderiam ajudar os cientistas a compreender melhor as conexões entre características físicas e variação genética.

Como as varreduras são tão detalhadas, elas também podem ser úteis para treinar sistemas de aprendizado de máquina para reconhecer formigas no campo durante estudos comportamentais. Economo planeja continuar expandindo o banco de dados digitalizando espécimes adicionais e colaborando com estudantes de ciência da computação da UMD para aplicar essas técnicas de IA a novos conjuntos de dados biológicos.

“Este trabalho nos leva ainda mais adiante na era do big data de captura, análise e compartilhamento da forma e forma do organismo”, disse Economo. “O potencial para integração destes dados com outros tipos de dados e tecnologias é imenso e muito excitante”.

O artigo deles, “Fenômica de alto rendimento da biodiversidade global de formigas”, foi publicado na revista Métodos da Natureza em 5 de março de 2026.

Este artigo foi adaptado do texto fornecido pelo Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa.

Esta pesquisa foi apoiada pelo Ministério Alemão de Pesquisa e Educação; o Ministério da Ciência, Pesquisa e Artes de Baden-Württemberg; a Fundação Alemã de Pesquisa (Grant Nos. INST 35/1503-1 FUGG e 502787686); a Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa; a Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência (Grant Nos. 18K14768, 21K06326 e 22KJ3077); o Australian Research Council (Prêmio nº IC 180100008); HUN-REN Pesquisa Húngara e Fundo Nacional de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação (Grant No. K 147781); o Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (Processo nº 301495/2019-0); o Fundo de Parceria para Ecossistemas Críticos, uma iniciativa conjunta da l’Agence Française de Développement, da Conservação Internacional, da União Europeia, do Fundo para o Meio Ambiente Global, do governo do Japão e do Banco Mundial; a Fundação Nacional de Ciência dos EUA (Grant Nos. DEB-1932467, DEB 1927161 e IOS-2128304); o Ministério Italiano da Universidade e da Pesquisa; o Fundo para o Ambiente e a Conservação em Hong Kong (Prémio n.º Nb. ECF 137/2020); e Fundação para a Ciência e a Tecnologia. Este artigo não reflete necessariamente as opiniões dessas organizações.