Um novo estudo publicado hoje (6 de janeiro) na Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (JSTAT) apresenta uma estrutura termodinâmica que permite calcular essas despesas energéticas anteriormente negligenciadas. A abordagem oferece uma nova perspectiva sobre como os caminhos metabólicos foram selecionados e refinados nas primeiras etapas da vida na Terra.

Como a Vida Primordial Aprendeu a Controlar a Química

A vida provavelmente começou quando moléculas orgânicas simples formaram uma barreira que separava o interior do ambiente circundante. Essa primeira membrana celular criou uma distinção clara entre o interior e o exterior. A partir daquele ponto, o sistema precisou gastar energia para manter essa separação e limitar quais reações químicas podiam ocorrer internamente. Em vez de permitir todas as reações possíveis, as células primitivas selecionaram apenas um conjunto reduzido de caminhos metabólicos que poderiam utilizar materiais do “exterior” para produzir novos compostos úteis. O surgimento da vida estava intrinsecamente ligado a essa necessidade de gerenciar limites e escolhas.

Embora o metabolismo tenha custos energéticos óbvios associados às reações químicas em si, existe um custo adicional relacionado à orientação da atividade química ao longo de caminhos específicos. Esse esforço extra impede que as reações se ramifiquem em todas as outras alternativas fisicamente possíveis. Do ponto de vista da mecânica clássica, essas condições de contorno e restrições de reação não deveriam exigir energia, pois são tratadas como fixas e externas. Na realidade, elas contribuem para a produção de entropia e implicam um custo energético.

Uma Nova Maneira de Medir a Eficiência Metabólica

Praful Gagrani, um 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 Terrestre) e Christoph Flamm (Universidade de Viena) para desenvolver um método de cálculo desses custos ocultos. Sua abordagem permite aos cientistas classificar os caminhos metabólicos com base em quão energeticamente exigentes eles são, oferecendo insights valiosos sobre eficiência biológica e evolução.

“O que inspirou esse trabalho foi que Eric Smith, um dos coautores, utilizou o MØD, um software desenvolvido por Flamm e colaboradores, para enumerar todos os caminhos possíveis que podem ‘construir’ moléculas orgânicas a partir do CO2.”

Gagrani menciona 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 realizar a mesma conversão que o ciclo de Calvin, e depois ele aplicou o que chamamos de custo de manutenção em nosso artigo para classificá-los.”

A análise revelou que o caminho escolhido pela natureza classifica-se entre as opções menos dissipativas, significando que requer menos energia do que a maioria das alternativas. “Incrível, não é?” comenta Gagrani.

Medindo a Improbabilidade em vez da Energia

Com base nesse insight, a equipe de pesquisa desenvolveu um método geral para estimar sistematicamente os custos termodinâmicos do metabolismo. Em seu modelo, uma célula é considerada 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 energia de forma convencional, o método avalia quão improvável seria para uma rede de reações específica operar exatamente daquela forma, se a química fosse guiada apenas por processos espontâneos. Quanto mais improvável o comportamento, maior o seu custo.

Essa improbabilidade tem duas partes. A primeira é o custo de manutenção, que reflete quão difícil é sustentar um fluxo constante ao longo de um caminho específico. A segunda é o custo de restrição, que mede quão desafiador é suprimir todas as reações alternativas enquanto mantém ativa apenas a via desejada.

Juntas, essas variáveis definem o custo total de um processo metabólico. Isso permite que os pesquisadores comparem caminhos e determinem quão energeticamente exigente é para uma célula favorecer uma rota química enquanto silencia outras.

Por que a Natureza Escolhe Certos Caminhos

Os pesquisadores identificaram padrões inesperados. “Observamos coisas que não esperávamos, mas que fazem sentido uma vez que você para para pensar sobre elas,” diz Gagrani. “Por exemplo, o uso de múltiplos caminhos ao mesmo tempo é menos custoso do que utilizar 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 – elas chegam mais rapidamente do que se houver apenas três ou menos, porque duas ou mais pessoas obstruiriam umas às outras no mesmo espaço estreito.”

Entretanto, sistemas biológicos reais frequentemente dependem de uma única via dominante. Gagrani explica o porquê. “É verdade, mas em sistemas biológicos a catálise muitas vezes intervém — a ação de moléculas facilitadoras, enzimas — que aceleram reações e tornam-nas menos custosas, alcançando o mesmo efeito que ter múltiplos caminhos em paralelo. Essa escolha evolutiva ocorre porque manter várias 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, pois permite avaliar os custos de escolher e manter processos metabólicos específicos. Ajuda a entender como certos caminhos surgem — mas explicar por que esses caminhos específicos foram selecionados requer um esforço verdadeiramente multidisciplinar.”