O (Custo Metabólico) da Vida

Existem “custos da vida” que a física mecânica não consegue calcular. Um exemplo claro é a energia necessária para manter ativos processos bioquímicos específicos — como os que compõem a fotossíntese, embora os exemplos sejam inúmeros — ao mesmo tempo em que se impede a ocorrência de processos alternativos. Na mecânica, a ausência de deslocamento implica trabalho zero e, de forma simples, não há custo energético para impedir que algo aconteça. No entanto, cálculos cuidadosos de termodinâmica estocástica mostram que esses custos existem — e muitas vezes são bastante significativos.

Um novo artigo publicado no Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (JSTAT) propõe uma forma de calcular esses custos a partir de uma perspectiva termodinâmica, oferecendo assim uma nova ferramenta para compreender a seleção e a evolução das vias metabólicas na origem da vida.

Quando, em um oceano antigo, um punhado de moléculas orgânicas formou um limite externo — a primeira membrana celular — surgiu pela primeira vez uma distinção nítida entre interior e exterior. A partir desse momento, esse sistema primordial precisou investir energia para manter essa compartimentalização e para selecionar, entre as muitas reações químicas possíveis, apenas algumas vias metabólicas capazes de explorar substâncias valiosas vindas do “exterior” e transformá-las em novos produtos. A vida nasceu junto com esse esforço de compartimentalização e escolha.

Os processos metabólicos têm um custo energético direto, mas também exigem um “custo extra” para continuar direcionando os fluxos químicos por uma via preferencial, em vez de deixá-los se dispersar por todas as alternativas fisicamente possíveis. Do ponto de vista da mecânica clássica, porém, a compartimentalização e a seleção de reações — as “restrições” impostas nas fronteiras de um sistema — não deveriam ter custo algum, pois são tratadas como condições externas fixas que não contribuem para a produção de entropia.

Praful Gagrani, pesquisador da Universidade de Tóquio e primeiro autor do novo estudo, juntamente com seus colegas — Nino Lauber (Universidade de Viena), Eric Smith (Georgia Institute of Technology e Earth-Life Science Institute) e Christoph Flamm (Universidade de Viena) — desenvolveu um método para calcular esses custos até então negligenciados e classificar as vias metabólicas. Isso permite aos pesquisadores avaliar sua eficiência biológica — uma informação valiosa para estudos evolutivos sobre como a vida surgiu em nosso planeta.

“O que inspirou este novo trabalho foi o fato de Eric Smith, um dos coautores, ter usado o MØD, um software desenvolvido por Flamm e colaboradores, para enumerar todas as vias possíveis capazes de ‘construir’ moléculas orgânicas a partir do CO₂”, explica Gagrani.

Ele se refere a um estudo anterior de Smith e colaboradores sobre o ciclo de Calvin, um conjunto de reações químicas da fotossíntese que converte dióxido de carbono em glicose.

“Eric usou o algoritmo para enumerar todas as vias que realizam a mesma conversão do ciclo de Calvin e depois utilizou o que hoje chamamos de custo de manutenção, no nosso artigo, para classificá-las.”

Dessa forma, Smith e colaboradores mostraram que o ciclo utilizado pela natureza está entre as vias menos dissipativas — aquelas com o menor custo energético. “Incrível, não é?”, comenta Gagrani.

Inspirados pelo trabalho de Smith, Gagrani e seus colegas elaboraram um método geral para estimar sistematicamente os custos termodinâmicos dos processos metabólicos. Em sua abordagem, a célula é imaginada como um sistema atravessado por um fluxo constante, no qual, por exemplo, uma molécula (um nutriente) entra e outra (um produto ou resíduo) sai. Dada a química subjacente, é possível gerar todas as vias quimicamente possíveis que convertem a entrada na saída. Cada via tem seu próprio “custo termodinâmico”. Em vez de calcular energia no sentido clássico, o método estima quão improvável seria — em um mundo regido apenas pela química espontânea — observar a rede (o conjunto de moléculas e reações que convertem a entrada na saída) se comportar exatamente daquela maneira.

Essa improbabilidade tem dois componentes. O primeiro é o custo de manutenção, ou seja, quão improvável é sustentar um fluxo constante por uma determinada via. O segundo é o custo de restrição, que mede quão improvável é bloquear todas as reações alternativas da rede enquanto se mantém ativa apenas a via de interesse.

A improbabilidade calculada representa o custo desse processo e pode ser usada para classificar as vias metabólicas de acordo com o quão “caro” é para a célula manter uma via ativa e silenciar as demais.

“Vimos coisas que não esperávamos, mas que fazem sentido quando se pensa nelas”, explica Gagrani. “Por exemplo, que usar várias vias ao mesmo tempo é menos custoso do que usar apenas uma. Aqui vai uma analogia: imagine quatro pessoas que precisam ir de A a B por túneis estreitos. Se cada pessoa tiver seu próprio túnel — quatro túneis — elas chegam mais rapidamente do que se houvesse apenas três ou menos, porque duas ou mais pessoas se atrapalhariam no mesmo corredor estreito.”

Na natureza, porém, normalmente observamos que um processo é favorecido em detrimento de muitos outros. Como explicar isso? “É verdade, mas em sistemas biológicos a catálise frequentemente entra em ação — a atuação de moléculas facilitadoras, as enzimas — que aceleram as reações e as tornam menos custosas, alcançando o mesmo efeito de ter várias vias em paralelo. Essa escolha evolutiva ocorre porque manter muitas vias também pode ter outras desvantagens, como a produção de muitas moléculas potencialmente tóxicas.”

“Nosso método”, conclui Gagrani, “é uma ferramenta útil para estudar a origem e a evolução da vida, pois nos permite avaliar os custos de escolher e manter processos metabólicos específicos. Ele nos ajuda a entender como certas vias surgem — mas explicar por que exatamente aquelas foram selecionadas exige um esforço verdadeiramente multidisciplinar.”