Growth and remodeling control shape memory in morphogenetic rods

Imagine tentar construir um castelo de areia em uma praia onde a maré está constantemente subindo e o vento está soprando grãos de areia em todas as direções. Esta é a realidade diária dos seres vivos tentando crescer. Da maneira como um embrião de mosca-das-frutas se retorce para atingir sua forma final até como um caule de planta se curva em direção ao sol, a natureza está constantemente tentando construir estruturas 3D complexas a partir de materiais macios e maleáveis. Mas há um porém: esses materiais são bagunçados. Eles são cheios de pequenos tremores aleatórios — como estática em um rádio ou o choque caótico de moléculas — que podem facilmente arruinar um design delicado. Cientistas há muito se perguntam como os seres vivos conseguem construir formas tão precisas e reproduzíveis quando seus blocos de construção são tão ruidosos e propensos a colapsar nas formas mais simples e entediantes possíveis. É um pouco como tentar dobrar um pedaço de papel para fazer um tsuru de origami enquanto alguém sacode a mesa e o papel está lentamente se transformando em água.

Para resolver esse enigma, pesquisadores frequentemente olham para "hastes" — estruturas longas e finas que atuam como os esqueletos de órgãos ou caules. Essas hastes têm uma tendência natural de sofrer flambagem ou dobrar quando ficam muito longas, muito parecido com um macarrão molhado ou um espaguete longo. Geralmente, se você deixar um macarrão dobrado parado, ele apenas relaxa em uma curva simples, esquecendo qualquer torção elaborada que você tenha tentado dar a ele. Este artigo faz uma grande pergunta: Como os sistemas vivos mantêm suas formas complexas e onduladas de não se suavizarem em curvas entediantes, mesmo quando estão sendo sacudidos pelo ruído aleatório? A resposta reside em uma dança delicada entre três coisas: a rapidez com que a haste cresce, o quão "maleável" ou adaptável o material é (uma propriedade chamada plasticidade) e o quanto o ruído aleatório tenta atrapalhar.

Os autores deste estudo, Nicolas Romeo, David B. Brückner e Noah P. Mitchell, construíram um modelo matemático para simular essas hastes onduladas e em crescimento. Eles trataram a haste como um tipo especial de material "morfodinâmico" que pode mudar sua própria memória. Imagine um pedaço de argila que, se você o deixar sozinho, lentamente esquece a forma que você acabou de moldar e se estabelece em seu estado padrão e relaxado. Os pesquisadores queriam ver se poderiam usar essa habilidade de "esquecer" em seu benefício. Eles descobriram que a resposta é uma história de "equilíbrio delicado": pouco "esquecimento", e a haste retorna bruscamente a uma forma simples; muito "esquecimento", e o ruído aleatório é incorporado à forma, transformando-a em uma massa caótica e desordenada. Mas, eles descobriram um truque de mágica: se a haste crescer rápido o suficiente, ela pode quebrar essa regra.

Aqui está o que eles descobriram. Primeiro, eles observaram o que acontece quando uma haste apenas fica parada sem crescer. Se o material for perfeitamente rígido (como plástico duro), qualquer forma complexa que você dê a ele eventualmente relaxará na curva mais simples possível. Eles chamam isso de "coarsening elástico" (engrossamento elástico). É como um pedaço de papel amassado que lentamente se suaviza até se tornar apenas uma folha plana. Para impedir isso, o material precisa ser um pouco "plástico" — o que significa que ele precisa ser capaz de se remodelar lentamente para corresponder à sua forma atual. Se a remodelação acontecer na velocidade certa, ela congela a forma complexa no lugar antes que ela possa se suavizar. Este é o zone de "no ponto certo", onde a forma é preservada.

No entanto, existe um segundo problema. Se o material for demais plástico (como mel muito fluido), ele se torna sensível demais ao ruído aleatório. Os pequenos tremores aleatórios ficam presos na memória do material, transformando a haste em uma bagunça caótica e desordenada. Os autores mostraram através de suas simulações que existe uma compensação: você precisa de plasticidade suficiente para impedir que a forma se suavize, mas não tanta que o ruído estrague o padrão. Isso cria uma janela estreita onde uma forma pode ser lembrada, mas apenas se a forma não for muito complicada.

A verdadeira inovação surge quando se adiciona o crescimento. Os autores simularam a haste crescendo, como um caule de planta se esticando em direção ao sol. Eles descobriram que o crescimento atua como um superpoder que resolve ambos os problemas de uma só vez. À medida que a haste cresce, ela naturalmente suprime a tendência de se suavizar em uma curva simples. Ao mesmo tempo, o crescimento dilui o efeito do ruído aleatório, tornando o ruído menos propenso a arruinar o padrão. Em suas simulações, descobriram que, se combinarem crescimento rápido com uma alta taxa de remodelação, podem criar formas complexas e reproduzíveis que seriam impossíveis de outra forma.

Em resumo, o artigo sugere que os sistemas vivos não dependem apenas de serem rígidos ou macios; eles dependem de uma combinação específica de crescer rápido e remodelar sua estrutura em uma taxa ideal. Isso permite que eles "lembrem" de suas instruções iniciais de padronização, apesar do caos do ruído e da tendência de colapsar em formas simples. Os autores usaram simulações de computador para mostrar que isso funciona e até derivaram fórmulas matemáticas para prever exatamente o quão rápido o crescimento e a remodelação precisam ocorrer para manter uma forma específica. Embora isso seja atualmente um modelo de uma única haste, os autores sugerem que este princípio pode explicar como órgãos complexos, como as alças de um intestino ou as dobras de um cérebro, conseguem se formar de maneira tão confiável no mundo bagunçado e ruidoso de um embrião em desenvolvimento. Acontece que, para construir algo complexo, às vezes você tem que crescer rápido e estar disposto a mudar de ideia o suficiente para manter a forma, mas não tanto que a esqueça inteiramente.