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Por milênios, os humanos usaram nós para todos os tipos de razões – para amarrar cordas, trançar cabelos ou tecer tecidos. Mas existem organismos que são melhores em amarrar nós e muito superiores – e mais rápidos – em desembaraçá-los.
Minúsculos vermes negros da Califórnia se emaranham intrincadamente aos milhares para formar bolhas em forma de bola que lhes permitem executar uma ampla gama de funções biológicas. Mas, o mais impressionante de tudo, enquanto os vermes se emaranham por um período de vários minutos, eles podem se desembaraçar em meros milissegundos, escapando ao primeiro sinal de ameaça de um predador.
Saad Bhamla, professor assistente na Escola de Engenharia Química e Biomolecular da Georgia Tech, queria entender exatamente como os vermes negros executam seus movimentos de emaranhamento e desembaraço. Para investigar, Bhamla e uma equipe de pesquisadores da Georgia Tech se uniram a matemáticos do MIT. Sua pesquisa, publicada em Ciência, poderia influenciar o design de robótica que muda de forma, semelhante a fibra, que se monta e se move de maneiras rápidas e reversíveis. O estudo também destaca como a colaboração interdisciplinar pode responder a algumas das questões mais desconcertantes em campos díspares.
Capturando o Interior de um Worm Blob
Fascinados pela ciência do movimento ultrarrápido e do comportamento coletivo, Bhamla e Harry Tuazon, um estudante de pós-graduação no laboratório de Bhamla, estudaram os vermes negros da Califórnia por anos, observando como eles usam o movimento coletivo para formar bolhas e depois se dispersar.
“Queríamos entender a mecânica exata por trás de como os vermes mudam sua dinâmica de movimento para alcançar o emaranhamento e o desembaraço ultrarrápido”, disse Bhamla. “Além disso, estes não são apenas filamentos típicos como cordas, cabos ethernet ou espaguete – são emaranhados vivos e ativos que estão fora de equilíbrio, o que adiciona uma camada fascinante à questão.”
Tuazon, um dos primeiros autores do estudo, coletou vídeos de seus experimentos com os vermes, incluindo vídeos macro do mecanismo de dispersão coletiva dos vermes e vídeos microscópicos de um, dois, três e vários vermes para capturar seus movimentos.
“Fiquei chocado quando apontei uma luz ultravioleta para as bolhas de vermes e elas se dispersaram de forma explosiva”, disse Tuazon. “Mas para entender essa manobra complexa e hipnotizante, comecei a fazer experimentos com apenas alguns vermes.”
Bhamla e Tuazon abordaram os matemáticos do MIT Jörn Dunkel e Vishal Patil (um estudante de pós-graduação na época e agora um pós-doutorando na Universidade de Stanford) sobre uma colaboração. Depois de ver os vídeos de Tuazon, os dois teóricos, especializados em nós e topologia, ficaram ansiosos para participar.
“Nós e emaranhados são uma área fascinante onde a física e a mecânica encontram uma matemática muito interessante”, disse Patil, co-primeiro autor do artigo. “Esses vermes pareciam um bom playground para investigar princípios topológicos em sistemas compostos por filamentos.”
Um momento chave para Patil foi quando ele viu o vídeo de Tuazon de um único worm que havia sido provocado na resposta de fuga. Patil notou que o verme se movia em um padrão de oito, girando a cabeça em espirais no sentido horário e anti-horário enquanto seu corpo o seguia.
Os pesquisadores pensaram que esse padrão de marcha helicoidal pode desempenhar um papel na capacidade dos vermes de se emaranhar e desemaranhar. Mas para quantificar matematicamente as estruturas do emaranhado de minhocas e modelar como elas se entrelaçam, Patil e Dunkel precisavam de dados experimentais.
Bhamla e Tuazon começaram a encontrar uma técnica de imagem que lhes permitisse espiar dentro da bolha de worm para que pudessem coletar mais dados. Depois de muitas tentativas e erros, eles chegaram a uma solução inesperada: o ultrassom. Ao colocar uma bolha de verme vivo em geléia não tóxica e usar uma máquina de ultrassom comercial, eles finalmente puderam observar o interior dos intrincados emaranhados de vermes.
“Capturar a estrutura interna de uma bolha de verme viva foi um verdadeiro desafio”, disse Tuazon. “Tentamos todos os tipos de técnicas de imagem por meses, incluindo raios X, microscopia confocal e tomografia, mas nenhuma delas nos deu a resolução em tempo real de que precisávamos. Por fim, o ultrassom acabou sendo a solução.”
Depois de analisar os vídeos de ultrassom, Tuazon e outros pesquisadores no laboratório de Bhamla rastrearam meticulosamente o movimento dos vermes manualmente, traçando mais de 46.000 pontos de dados para Patil e Dunkel usarem para entender a matemática por trás dos movimentos.
Explicando o Emaranhamento e o Desembaraço
Responder às perguntas sobre como os vermes se desenredam rapidamente exigia uma combinação de mecânica e topologia. Patil construiu um modelo matemático para explicar como as marchas helicoidais podem levar ao emaranhamento e ao desembaraço. Ao testar o modelo usando uma estrutura de simulação, Patil conseguiu criar uma visualização do emaranhado de minhocas.
O modelo previu que cada verme formava um emaranhado com pelo menos dois outros vermes, revelando por que as bolhas de vermes eram tão coesas. Patil então mostrou que a mesma classe de movimentos helicoidais poderia explicar como eles se desenredam. As simulações foram surpreendentes em sua semelhança com imagens reais de ultrassom e mostraram que os movimentos de onda helicoidal alternados dos vermes permitiram o mecanismo de escape de emaranhamento e desembaraçamento ultrarrápido.
“O que é impressionante é que essas estruturas emaranhadas são extremamente complicadas. Eles são estruturas desordenadas e complexas, mas essas estruturas de vermes vivos são capazes de manipular esses nós para funções cruciais”, disse Patil.
Embora se saiba há décadas que os vermes se movem em uma marcha helicoidal, ninguém jamais havia feito a conexão entre esse movimento e como eles escapam. O trabalho dos pesquisadores revelou como os movimentos mecânicos de vermes individuais determinam seu comportamento coletivo emergente e dinâmica topológica. É também a primeira teoria matemática de emaranhamento e desembaraço ativos.
“Esta observação pode parecer uma mera curiosidade, mas suas implicações são de longo alcance. Os filamentos ativos são onipresentes nas estruturas biológicas, desde cadeias de DNA até organismos inteiros”, disse Eva Kanso, diretora do programa da National Science Foundation e professora de engenharia mecânica da University of Southern California.
“Esses filamentos atendem a inúmeras funções e podem fornecer um motivo geral para a engenharia de estruturas e materiais multifuncionais que mudam as propriedades sob demanda. Assim como as bolhas de minhocas realizam proezas notáveis de emaranhamento e desembaraço, os futuros materiais bioinspirados podem desafiar os limites das estruturas convencionais, explorando a interação entre mecânica, geometria e atividade”.
O modelo dos pesquisadores demonstra as vantagens de diferentes tipos de emaranhados, que podem permitir a programação de uma ampla gama de comportamentos em materiais multifuncionais semelhantes a filamentos, de polímeros a sistemas robóticos macios que mudam de forma. Muitas empresas, como a 3M, já usam materiais não tecidos feitos de fibras emaranhadas em produtos, incluindo bandagens e máscaras N95. Os vermes podem inspirar novos materiais não tecidos e matéria de mudança topológica.
“Atualmente, a matéria topológica que muda de forma é matéria de ficção científica”, disse Bhamla. “Imagine um material não tecido macio feito de milhões de filamentos semelhantes a fios que podem se emaranhar e desembaraçar sob comando, formando uma bandagem adesiva inteligente que se transforma à medida que uma ferida cicatriza ou um material de filtragem inteligente que altera a topologia dos poros para prender partículas de tamanhos diferentes ou propriedades químicas. As possibilidades são infinitas.”
Os pesquisadores da Georgia Tech Emily Kaufman, Tuhin Chakrabortty e David Qin contribuíram para este estudo.
CITAÇÃO: Patil, et al. “Automontagem reversível ultrarrápida de matéria viva emaranhada.” Ciência. 28 de abril de 2023.
DOI: https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade7759
Escritor: Catherine Barzler, Georgia Tech
Vídeo: Candler Hobbs, Georgia Tech
Imagens e fotos originais: Tecnologia da Geórgia
Simulações: MIT
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