Cientistas da Universidade Técnica de Dresden realizaram experimentos com células humanas indicando que as leis termodinâmicas existentes podem não capturar completamente o desequilíbrio em sistemas vivos. Suas descobertas apontam para a necessidade de uma nova lei adaptada a processos biológicos. O estudo destaca diferenças entre sistemas vivos e não vivos por meio da análise de flutuações de membrana.
As leis da termodinâmica fornecem ferramentas para medir o quão longe os sistemas se desviam do equilíbrio, mas são insuficientes para as dinâmicas intricadas de células vivas, de acordo com um estudo recente. Os pesquisadores N Narinder e Elisabeth Fischer-Friedrich, da Universidade Técnica de Dresden, na Alemanha, exploraram essa lacuna usando células HeLa, uma linhagem de células cancerosas derivadas sem consentimento de Henrietta Lacks na década de 1950.
Em seus experimentos, a equipe interrompeu a divisão celular no meio com produtos químicos e usou um microscópio de força atômica para sondar as membranas externas das células. Isso permitiu a medição precisa das flutuações da membrana — o quanto a ponta do microscópio se movia — e como essas mudavam quando processos como morphing de moléculas ou movimento de proteínas eram interrompidos. Os resultados mostraram que uma abordagem termodinâmica padrão, incluindo o conceito de 'temperatura efetiva', não descrevia com precisão esses comportamentos em células vivas, ao contrário dos sistemas não vivos.
Em vez disso, os pesquisadores identificaram a 'assimetria de reversão temporal' como uma medida mais eficaz de desequilíbrio. Essa propriedade avalia o quanto um processo biológico, como moléculas se conectando e se separando repetidamente, diferiria se revertido no tempo. 'A presença de assimetria de reversão temporal pode estar diretamente relacionada ao fato de que os processos biológicos servem a um propósito como sobrevivência e proliferação', diz Fischer-Friedrich.
Especialistas saudaram o trabalho. 'Sabemos na biologia que há muitos processos que realmente dependem de um sistema estar fora do equilíbrio, mas é importante saber o quão longe o sistema está do equilíbrio', diz Chase Broedersz, da Vrije Universiteit Amsterdam, na Holanda. Yair Shokef, da Universidade de Tel Aviv, em Israel, chamou-o de um passo importante para entender sistemas biológicos ativos, notando a novidade de medir múltiplos indicadores de não equilíbrio simultaneamente.
A equipe de Fischer-Friedrich visa derivar uma quarta lei da termodinâmica aplicável apenas à matéria viva, que apresenta 'pontos de ajuste' internos como termostatos biológicos. Eles agora buscam observáveis fisiológicos em células para apoiar esse desenvolvimento. O estudo aparece em Physical Review X.