Linguagem de programação para matéria ativa controla células com precisão

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/03/2025

A superposição linear permite controlar fluxos de fluidos induzidos por matéria ativa usando luz. A escala de comprimento da superposição é definida por interações hidrodinâmicas.
[Imagem: Fan Yang et al. - 10.1038/s41563-024-02090-w]

Matéria ativa

Em 2019, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia demonstraram um novo método para usar luz para controlar matéria ativa, um tipo de material feito de peças individuais consumidoras de energia que agem como um todo para criar movimento mecânico.

O processo funciona de forma semelhante a como muitos pássaros individuais formam um enxame que parece se mover como um todo, em uma harmonia impressionante.

Naquele trabalho, a equipe se concentrou na matéria ativa na forma de filamentos de proteína de tamanho milimétrico, que normalmente compõem o esqueleto de uma célula, ou citoesqueleto.

Agora, buscando inspiração na teoria computacional, a mesma equipe desenvolveu a primeira "linguagem de programação" para matéria ativa, o que permitirá que os pesquisadores da área realizem operações precisas em pequenos volumes de fluido no nível celular.

O método tem grandes aplicações em nanotecnologia e para estudar interações celulares.

"A matéria ativa tem sido um novo material ou recurso para a bioengenharia, mas, até este ponto, vinha sendo impossível controlá-la," contextualizou o professor Matt Thomson. "Usando modelagem teórica e computacional, [nosso aluno] Fan Yang utilizou princípios de superposição linear - que só se mantêm em regimes de tamanho específicos - para desenvolver a primeira linguagem de programação para matéria ativa. A percepção teórica de Fan permitiu o desenvolvimento da estrutura de programação."

A superposição fornece um princípio simples para o transporte otimizado de partículas, a microrreologia de polímeros e o isolamento de células.
[Imagem: Fan Yang et al. - 10.1038/s41563-024-02090-w]

Movimento celular

Esqueletos celulares, ou citoesqueletos, são redes de minúsculos filamentos de proteínas que mudam de forma, permitindo que as células se movimentem, carreguem carga e se dividam. Os "ossos" do citoesqueleto são filamentos finos, semelhantes a tubos, chamados microtúbulos, que se juntam para formar andaimes tridimensionais.

Cada microtúbulo tem cerca de 10 micrômetros de comprimento, o que é cerca de 1.000 vezes mais fino que um fio de cabelo humano. Junto com proteínas motoras, que fornecem a propulsão, essas estruturas incrivelmente pequenas se combinam para impulsionar a célula relativamente grande - é como se um enxame de formigas impulsionasse um carro.

As células usam gradientes de substâncias químicas para induzir mudanças na estrutura dos esqueletos de seus microtúbulos, e assim levar sua vida. No trabalho original, a equipe replicou essa motorização alimentando suas estruturas usando gradientes de luz. Mas o sistema não era programável porque ninguém sabia como projetar padrões de luz para gerar campos de fluxo de fluidos para realizar tarefas específicas. Funcionava, mas funcionava meio aleatoriamente.

[Imagem: Fan Yang et al. - 10.1038/s41563-024-02090-w]

Linguagem de programação de fluxo

Agora, Yang desenvolveu uma linguagem de programação para projetar fluxos de fluidos de matéria ativa que podem mover, classificar e montar células, misturar produtos químicos e aplicar tensões mecânicas a pequenos objetos, como vesículas lipídicas em células. Toda a programação já foi testada em experimentos reais com os microtúbulos e funcionou como previsto.

Essa linguagem de programação terá aplicações importantes que dependem da manipulação de células, da biologia básica à descoberta e teste de medicamentos. Normalmente, os cientistas precisam usar micropipetas semelhantes a agulhas para esticar e separar células individuais, arriscando danos a essas células. Com a matéria ativa, é possível adicionar microtúbulos ativados por luz a um aglomerado de células e gentilmente empurrá-las para as posições desejadas usando apenas luz.

E tudo sem trabalho manual, projetando antecipadamente os movimentos necessários e então programando-os usando a "linguagem de programação de fluxo" criada pela equipe.

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