Recentemente, Datta e seu ex-aluno de pós-graduação, Sebastian Gonzalez La Corte, estudaram bactérias crescendo em fluidos de cristal líquido — aqueles cujas moléculas são alongadas e apontam todas na mesma direção. Sabe-se que esse estado de alinhamento ocorre em alguns fluidos biológicos, como certas matrizes de biofilme e revestimentos mucosos das vias aéreas e do intestino, mas os experimentos de laboratório normalmente estudam bactérias em fluidos cujos constituintes não têm uma direção preferencial. Mais uma vez, a equipe fez algumas observações inesperadas.

As conclusões são descritas em um artigo publicado na revista PNAS .

O grupo de Datta já havia estudado e modelado o crescimento bacteriano em fluidos poliméricos com moléculas dispostas aleatoriamente. Nesse contexto, a equipe descobriu que várias espécies bacterianas comumente estudadas, incluindo Escherichia coli , Vibrio cholerae (o patógeno causador da cólera) e Pseudomonas aeruginosa (uma espécie que frequentemente causa infecções em pacientes imunocomprometidos ou hospitalizados), crescem formando longos filamentos, com várias células de largura, que se entrelaçam e formam uma espécie de "gel vivo".

Em contraste, o novo estudo mostra que, em um fluido de cristal líquido alinhado, as bactérias constroem cadeias com a largura de uma única célula, que crescem e se alongam em linhas relativamente retas até que, repentinamente, se dobram de uma maneira inesperada.

Quando uma viga de aço é comprimida em ambas as extremidades, ela acaba flambeando, curvando-se gradualmente em forma de arco ao longo de todo o seu comprimento. Mas quando a "viga" é feita de bactérias em um fluido de cristal líquido, sua flambagem é localizada — apenas uma pequena seção se curva de forma muito acentuada. Por que essas vigas bacterianas se comportariam de maneira tão diferente?

"Este é um problema de mecânica peculiar. Os mecânicos estudam a flambagem de vigas finas e esbeltas há décadas", diz Datta. "Mas esta é uma versão incomum desse problema, porque esta viga é feita de células que se autorreplicam."

Datta e seus colegas colaboraram com matemáticos aplicados da Universidade de Wisconsin-Madison e da Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill para construir um modelo matemático do crescimento bacteriano em cristais líquidos. Para entender o sistema, Datta sugere considerar a metáfora de fósforos em uma caixa de fósforos; os fósforos seriam as moléculas de cristal líquido alinhadas. Agora imagine a introdução de uma bactéria no sistema; a célula bacteriana, que é muito maior que os cristais líquidos, poderia ser representada por um lápis em uma caixa de fósforos muito grande.

"Os fósforos não querem ser dobrados e saem de sua orientação original, então eles resistem. Eles forçam o lápis a se alinhar com eles", explica Datta. É o que os cientistas chamam de "elasticidade de flexão" no cristal líquido alinhado, e é isso que guia grande parte do comportamento bacteriano observado no sistema.

Continuando com a metáfora, imagine agora que o lápis está crescendo e se dividindo de ponta a ponta para produzir mais lápis, que também acabam alinhados e formando uma única corrente — o cenário energeticamente mais favorável, diz Datta. Na extremidade do lápis em crescimento dentro da caixa, os fósforos precisam se curvar ligeiramente para acomodar a largura do lápis, e essa curvatura custa energia ao sistema. A penalidade energética da curvatura é maior se vários lápis forem empilhados para formar uma corrente mais grossa.

Tudo isso ficou muito claro no novo modelo, que mostrou que as moléculas de cristal líquido empurram as bactérias, mantendo a cadeia observada em uma única célula. E, em combinação com a física bem estabelecida do comportamento do cristal líquido, a equipe conseguiu prever quantitativamente o grau de alinhamento de uma cadeia bacteriana em um fluido de cristal líquido.

A elasticidade de flexão dos cristais líquidos também ajuda a explicar a deformação incomum observada pelos cientistas. Quando as bactérias crescem em cristais líquidos, a alta viscosidade do fluido causa um acúmulo de resistência, uma força compressiva ao longo de toda a extensão da cadeia bacteriana. Ao contrário de uma viga de aço pressionada em suas duas extremidades, a cadeia se comprime: cada célula se divide, alongando a cadeia e aumentando a resistência do fluido até que, eventualmente, a força compressiva se torne tão forte que algo precisa ceder. Mas as moléculas de cristal líquido também resistem a serem desalinhadas. No caso de uma deformação normal, todas as moléculas de cristal líquido ao longo da cadeia bacteriana ficariam desalinhadas e se curvariam um pouco ao longo de toda a sua extensão. Quando a deformação é mais localizada, as moléculas de cristal líquido se curvam bastante, mas apenas em uma pequena região. Acontece que este último cenário é energeticamente menos custoso do que a situação em que todas as moléculas se curvam.

Utilizando microscopia confocal, os pesquisadores observaram que a cadeia de células bacterianas se dobrava várias vezes, criando essas pequenas torções apertadas. Eventualmente, as cadeias dobradas formavam uma rede emaranhada e serpentina.

As implicações biológicas desses comportamentos microbianos observados e modelados ainda não são conhecidas. Mas agora que conhecem esse tipo de crescimento, os pesquisadores podem formular e explorar uma série de outras questões testáveis, diz Datta, como, por exemplo, se o crescimento em cadeia de células individuais poderia ajudar as bactérias a se infiltrarem por pequenas frestas e colonizarem ambientes densos, como tecidos hospedeiros ou solos ambientais.

O modelo de crescimento também sugere um possível caminho para o desenvolvimento de materiais vivos projetados que incorporam bactérias para uso como sensores ou materiais de construção. Cultivar células bacterianas em ambientes de cristal líquido poderia permitir que a biologia realizasse o trabalho de organizar um material em escala microscópica, afirma Datta.

De forma mais ampla, diz Datta, o trabalho fornece mais uma peça do quebra-cabeça maior de como a vida bacteriana é moldada pelos ambientes complexos que elas normalmente habitam. "Esta é mais uma complexidade ambiental com a qual as bactérias frequentemente precisam lidar, e simplesmente não sabíamos como isso alteraria seu crescimento em colônias", afirma. "Agora sabemos não apenas como isso afeta o crescimento, mas também podemos interpretá-lo de maneiras quantitativas e previsíveis."

O artigo intitula-se "Morfogênese de colônias bacterianas em ambientes de cristal líquido". Os coautores principais são Sebastian Gonzalez La Corte, da Universidade de Princeton, e Thomas G. J. Chandler, da Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill. Outros autores são Saverio E. Spagnolie, da Universidade de Wisconsin-Madison, e Ned S. Wingreen (bacharel em 1984), da Universidade de Princeton. O trabalho foi financiado pela Fundação Nacional de Ciência (NSF), pelos programas Camille Dreyfus Teacher-Scholar e Pew Biomedical Scholars, pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais dos Institutos Nacionais de Saúde e pelo Centro de Física da Função Biológica da Universidade de Princeton. Parte do projeto foi iniciada no Centro de Física de Aspen, que recebe apoio da NSF.