Todos os seres vivos devem obedecer às leis da física – incluindo a segunda lei da termodinâmica, que afirma que a desordem do universo, ou entropia, só pode crescer. Células e organismos altamente ordenados parecem contradizer este princípio, mas na verdade eles se conformam porque geram calor que aumenta a entropia geral do Universo.
Ainda isso, questões permanecem: Qual é o limiar teórico para quanto calor uma célula viva deve gerar para cumprir suas restrições termodinâmicas? E até que ponto as células se aproximam desse limite?
Em um artigo recente no Journal of Chemical Physics, o físico do MIT Jeremy England modelou matematicamente a replicação da bactéria E. coli e descobriu que o processo é quase tão eficiente quanto possível: A E. coli produz, no máximo, seis vezes mais calor do que o necessário para satisfazer as restrições da segunda lei da termodinâmica.
“Dada a composição da bactéria e a rapidez com que cresce, qual seria a quantidade mínima de calor que a bactéria teria de exaurir no seu ambiente? Quando você compara isso com a quantidade de calor que está realmente esgotando, eles estão aproximadamente na mesma escala”, diz a Inglaterra, um professor assistente de Física. “Está relativamente perto da eficiência máxima”
A abordagem da Inglaterra para modelar sistemas biológicos envolve mecânica estatística, que calcula as probabilidades de diferentes arranjos de átomos ou moléculas. Ele se concentrou no processo biológico de divisão celular, através do qual uma célula se torna duas. Durante o processo de replicação de 20 minutos, uma bactéria consome uma grande quantidade de alimento, rearranja muitas de suas moléculas – incluindo DNA e proteínas – e depois se divide em duas células.
Para calcular a quantidade mínima de calor que uma bactéria precisa gerar durante este processo, a Inglaterra decidiu investigar a termodinâmica do processo inverso – ou seja, duas células se tornam uma. Isto é tão improvável que provavelmente nunca irá acontecer. No entanto, a probabilidade de isso acontecer pode ser estimada agregando as probabilidades de inverter todas as reacções de menor dimensão que ocorrem durante a replicação.
Uma das reacções comuns que ocorrem durante a replicação é a formação de novas ligações peptídicas, que formam a espinha dorsal das proteínas. Reverter espontaneamente esse tipo de reação levaria cerca de 600 anos, diz a Inglaterra. O número de ligações peptídeo em uma bactéria típica é de cerca de 1,6 bilhões, e a potência de calor necessária para quebrar todas essas ligações é de cerca de 100 bilhões de unidades naturais.
“Eu teria que esperar muito tempo para ver todas essas ligações se desfazerem”, diz a Inglaterra.
Ao estimar o tempo de espera necessário para observar uma reversão espontânea da replicação, a Inglaterra calculou que a quantidade mínima de calor que uma bactéria precisa gerar ao se dividir é um pouco mais de um sexto da quantidade que uma célula de E. coli realmente produz durante a replicação.
“Como um físico tentando contribuir para o estudo da vida, acho seu sucesso extremamente encorajador”, diz Carl Franck, professor associado de física da Universidade de Cornell. “Com elegância, ele fornece uma visão quantitativa sobre um aspecto central da matéria viva: a replicação”. Ele está a introduzir o que é simples e interessante em algo muito complicado”.
A descoberta sugere que as bactérias podem crescer dramaticamente mais rápido do que agora e ainda obedecer à segunda lei da termodinâmica. A Inglaterra diz que como a replicação celular é apenas uma das muitas tarefas que a E. coli precisa realizar, é improvável que elas evoluam para a sua taxa de crescimento mais eficiente possível. Entretanto, para aplicações de biologia sintética, pode ser útil criar bactérias que possam se dividir mais rapidamente, o que este trabalho mostra ser teoricamente possível.
O trabalho também pode oferecer alguma evidência para o porquê do DNA, e não do RNA, ter evoluído como a principal forma de material genético, diz a Inglaterra: O DNA é mais durável e não quebra espontaneamente as suas ligações tão prontamente como o RNA. Isto significa que o RNA pode ter uma vantagem sobre o DNA porque ele pode crescer mais rápido e usar os recursos disponíveis. Isto suporta uma hipótese previamente sugerida que o RNA pode ter evoluído primeiro, antes da vida surgir na Terra, e o DNA apareceu mais tarde.
“Eu penso que é uma maneira útil de tentar obter um pouco mais de um cabo nos tipos diferentes de forças de seleção que podem ter agido em ácidos nucléicos,” Inglaterra diz.
Ele está usando agora a mesma aproximação teórica para modelar como as células auto-replicantes evoluem trabalhando em novas maneiras de adaptar-se às flutuações ambientais.