O custo invisível da energia que impede a vida de desmoronar

Um novo estudo publicado hoje (6 de janeiro) no Jornal de Mecânica Estatística: Teoria e Experimento (JSTAT) introduz uma estrutura termodinâmica que permite calcular esses gastos energéticos anteriormente negligenciados. A abordagem oferece 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 provavelmente começou quando moléculas orgânicas simples formaram uma fronteira que separava o interior do ambiente circundante. Esta primeira membrana celular criou uma distinção clara entre o interior e o exterior. A partir daí, o sistema teve que gastar energia para manter essa separação e limitar quais reações químicas poderiam ocorrer internamente. Em vez de permitir todas as reações possíveis, as primeiras células selecionaram apenas um pequeno conjunto de vias metabólicas que poderiam usar materiais recebidos do “exterior” para produzir novos compostos úteis. O surgimento da vida foi inseparável dessa necessidade de administrar limites e escolhas.

Embora o metabolismo tenha custos energéticos óbvios ligados às próprias reações químicas, há também um custo adicional associado à orientação da atividade química ao longo de caminhos específicos. Este esforço extra evita que as reações se ramifiquem em todas as outras alternativas fisicamente possíveis. Do ponto de vista da mecânica clássica, estas condições de contorno e restrições de reação não deveriam exigir energia, porque são tratadas como fixas e externas. Na realidade, contribuem para a produção de entropia e têm um preço energético.

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, oferecendo informações valiosas sobre a eficiência biológica e a evolução.

“O que inspirou o novo trabalho é que Eric Smith, um dos co-autores, usou o MØD, um software desenvolvido por Flamm e colegas de trabalho, para enumerar todos os caminhos possíveis que podem ‘construir’ moléculas orgânicas a partir do CO2.”

Gagrani aponta para pesquisas anteriores de Smith e colegas sobre o ciclo de Calvin, a série de reações na fotossíntese que converte dióxido de carbono em glicose.

“Eric usou o algoritmo para enumerar todos os caminhos que podem fazer a mesma conversão que o ciclo de Calvin faz, e então usou o que hoje chamamos de custo de manutenção em nosso artigo para classificá-los.”

Essa análise revelou 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. “Incrível, não é?”, comenta Gagrani.

Medindo Improbabilidade em vez de Energia

Com base nesta visão, a equipe de pesquisa desenvolveu um método geral para estimar sistematicamente os custos termodinâmicos do metabolismo. Em seu modelo, uma célula é tratada como 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 gerar todos os caminhos de reação possíveis que conectam 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 operar exatamente dessa maneira se a química fosse impulsionada apenas por processos espontâneos. Quanto mais improvável for o comportamento, maior será o seu 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 caminho específico. O segundo é o custo de restrição, que mede o quão difícil é suprimir todas as reações alternativas enquanto mantém 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 energeticamente exigente é para uma célula favorecer uma rota química enquanto silencia outras.

Por que a natureza escolhe certos caminhos

Os pesquisadores encontraram alguns padrões inesperados. “Vimos coisas que não esperávamos, mas que fazem sentido quando você pensa sobre elas”, diz Gagrani. “Por exemplo, usar vários caminhos ao mesmo tempo é menos dispendioso do que usar apenas um. Aqui está uma analogia: imagine quatro pessoas que precisam ir de A a B através de túneis estreitos. Se cada pessoa tiver seu próprio túnel – quatro túneis – eles chegam mais rapidamente do que se houvesse apenas três ou menos, porque duas ou mais pessoas obstruiriam umas às outras na mesma passagem estreita.”

No entanto, os sistemas biológicos reais baseiam-se frequentemente numa única via dominante. Gagrani explica porquê. “É verdade, mas nos sistemas biológicos muitas vezes intervém a catálise – a ação de moléculas facilitadoras, enzimas – que aceleram as reações e as tornam menos dispendiosas, alcançando o mesmo efeito que ter múltiplas vias em paralelo. Esta escolha evolutiva acontece porque a manutenção de muitas vias pode ter outras desvantagens, como a produção de muitas moléculas potencialmente tóxicas.”

Uma nova ferramenta para estudar as origens da vida

“Nosso método”, conclui Gagrani, “é uma ferramenta útil para estudar a origem e a evolução da vida porque nos permite avaliar os custos de escolha e manutenção de processos metabólicos específicos. Ajuda-nos a compreender como surgem certos caminhos – mas explicar por que esses caminhos específicos foram selecionados requer um esforço verdadeiramente multidisciplinar.”