Cílios são estruturas sensoriais que se estendem da superfície de algumas células. Essas estruturas semelhantes a pelos são conhecidas por contribuir para as capacidades sensório-motoras de vários organismos vivos, incluindo humanos.

Para servir suas funções fisiológicas, os cílios devem bater sincronizadamente. Embora muitos estudos anteriores tenham se proposto a explorar a sincronização ciliar, seus fundamentos biológicos e mecânicos ainda não são totalmente compreendidos. Isso ocorre em parte porque estudar cílios em amostras vivas e sob condições experimentais controladas é difícil.

Pesquisadores do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências introduziram recentemente uma nova plataforma que poderia ser usada para reproduzir a mecânica dos cílios e estudar seu comportamento em um ambiente controlado. Seu sistema proposto para modelar cílios, apresentado em um artigo publicado na Physical Review Letters, consiste em cadeias de robôs autopropulsores chamados HEXBUGs.

"Este projeto surgiu depois que Yiming Xia e Zixian Hu construíram uma cadeia de robôs HEXBUG por diversão, que foram inicialmente usados para estudar o movimento coletivo de agentes autopropulsores", disse Mingcheng Yang, coautor do artigo.

"Surpreendentemente, eles descobriram que duas cadeias HEXBUG ancoradas a uma base compartilhada podem bater sincronizadamente. Percebemos imediatamente que as cadeias HEXBUG ancoradas se comportam de forma semelhante aos cílios biológicos e podem ser usadas para estudar a sincronização entre cílios que é induzida exclusivamente por acoplamento mecânico (ou seja, sem efeitos hidrodinâmicos)."

O Dr. Da Wei, coautor do artigo, é um especialista em cílios biológicos e tem estudado a sincronização de cílios no organismo modelo biológico C. reinhardtii por algum tempo. Como parte deste trabalho recente, ele avaliou o potencial do sistema robótico para reproduzir experimentalmente o comportamento ciliar.

"Para entender a base mecânica da dinâmica interessante das cadeias HEXBUG ancoradas, construímos um modelo teórico reduzido com base na conexão de partículas autopropulsadas", disse Yang. "Posteriormente, Yiming Xia realizou simulações de dinâmica browniana em uma ampla gama de parâmetros do sistema, reproduzindo com sucesso as observações experimentais."

As simulações executadas por Xia foram usadas para modelar a competição e a transição entre diferentes andaduras em seu sistema, ao mesmo tempo em que previam com precisão sua termodinâmica. Isso, por sua vez, poderia ser usado para explorar a regra energética que pode governar a evolução dos comportamentos ciliares, particularmente como diferentes andaduras síncronas competem e emergem energeticamente.

"Após algumas tentativas, reconhecemos que o sistema simples atual evoluiu em direção ao estado estacionário com a dissipação máxima de energia (ou seja, a taxa máxima de produção de entropia)", disse Yang.

O sistema modelo criado por esta equipe de pesquisadores consiste em uma série de micro-robôs, conhecidos como robôs HEXBUG, conectados uns aos outros para formar cadeias. Para conectar os robôs, os pesquisadores usaram algumas tampas que eles fabricaram usando impressão 3D. As juntas nessas tampas definem o ângulo máximo no qual os robôs HEXABUG adjacentes podem dobrar. Este ângulo é o que, em última análise, controla a forma de onda do movimento de batimento ciliar produzido pelo sistema.

Após ancorar as duas cadeias na mesma base (semelhante ao corpo da célula de algas) e carregar a base com pesos diferentes, Yang e seus colegas descobriram que um atrito mais forte (um peso maior) dificulta a capacidade das cadeias de sincronizar. Além disso, eles mudaram a fonte de energia de seu sistema artificial semelhante a cílios para uma fonte de alimentação CC externa. Isso permitiu que eles controlassem a força motriz efetiva do sistema, que está associada à voltagem aplicada.

"Esses sistemas experimentais são bem modelados nas simulações", disse Yang. "HEXBUGS são abstraídos como hastes autopropulsoras, suas interações mecânicas são capturadas pelas molas de conexão, e o atrito da base e a força motriz ativa servem como dois parâmetros de controle principais. Após caracterizar sistematicamente o sistema de simulação e fazer benchmark com resultados experimentais, tivemos certeza de que as simulações capturaram a essência da configuração real."

Como parte do estudo, a equipe então implantou seu sistema em simulações e cenários experimentais. O sistema simulado ofereceu a eles vastas possibilidades para explorar o espaço de parâmetros do sistema, levando a previsões detalhadas sobre transições de marcha e física fundamental.

"As simulações permitiram o cálculo da energética, o que seria impossível de calcular com precisão por meio de experimentos", explicou Yang.

Yang e seus colegas desenvolveram com sucesso uma plataforma controlada que pode ser usada para estudar os comportamentos de sincronização mediados mecanicamente observados em cílios. No futuro, seu sistema proposto pode ser usado por outros pesquisadores em todo o mundo para avançar ainda mais a compreensão dos cílios e sua física subjacente, que é tipicamente difícil de sondar experimentalmente.

"Esta plataforma pode ser usada para perceber e estudar comportamento ciliar complexo de forma controlada", disse Yang. "Pode ser útil para biofísicos trabalhando na sincronização de cílios para testar suas hipóteses de trabalho."

Para esse sistema específico, os pesquisadores descobriram que, entre dois estados possíveis, ele tipicamente favorece o mais dissipativo. Isso sugere que pelo menos a evolução de alguns sistemas de não equilíbrio pode ser direcionada para a dissipação máxima de energia.

"Acreditamos que isso seria interessante para pesquisadores que buscam o princípio geral que rege sistemas fora do equilíbrio", acrescentou Yang.

"Estamos agora trabalhando em um modelo analítico para ajudar a explicar melhor o comportamento de batimento ciliar conectado mecanicamente. Enquanto isso, também estamos olhando para cenários mais complexos, como a sincronização entre vários cílios. Por meio dessas investigações adicionais, esperamos descobrir as condições necessárias sob as quais um sistema de estado estacionário de não equilíbrio favorece o estado com dissipação mais forte."