Em um novo estudo publicado na Nature Physics , pesquisadores apresentaram evidências de invariância conforme universal em células biológicas vivas. Eles demonstram que uma característica universal no comportamento coletivo surge em grupos de células vivas.

Os pesquisadores estudaram quatro sistemas celulares para encontrar evidências de invariância conforme universal. Apesar de separados por bilhões de anos de evolução, os pesquisadores descobriram que todos os quatro sistemas geravam padrões de fluxo semelhantes a vórtices com propriedades estatísticas idênticas.

"Quando você mexe uma xícara de água, vê redemoinhos se formando e desaparecendo. Algo semelhante acontece quando bactérias ou células humanas se movem coletivamente; elas também formam padrões de redemoinhos", explicou um dos coautores do estudo, Dr. Amin Doostmohammadi, professor associado da Universidade de Copenhague.

O que nos surpreendeu foi descobrir que esses tipos de células tão diferentes exibem uma simetria oculta conhecida como invariância conforme em seus padrões de rotação. Isso significa que seu movimento coletivo segue os mesmos padrões estatísticos, mesmo quando você os amplia ou reduz, os estica ou os remodela.

O movimento coletivo surge devido às propriedades específicas dos constituintes individuais. Isso inclui sua interação, movimento e resposta a estímulos.

As propriedades emergentes resultantes variam de sistema para sistema, tornando desafiador estudar os princípios universais que governam o movimento coletivo — se eles estiverem presentes.

Em estudos anteriores, pesquisadores conseguiram identificar comportamentos universais próximos a regimes críticos em sistemas inanimados, como materiais metálicos ou de liga.

Esses comportamentos universais são descritos pela teoria de campos conformes (CFT), uma estrutura matemática poderosa. A CFT pode ser aplicada a sistemas invariantes de escala e com preservação de ângulo, frequentemente observados em pontos críticos (como mudanças de fase).

"Compreender como a matéria viva se organiza é um dos maiores enigmas não resolvidos da ciência. Nossa inspiração veio de uma pergunta ousada: Poderiam existir leis universais, semelhantes às da física, que governam como as células se auto-organizam?", disse o Dr. Doostmohammadi.

Os pesquisadores examinaram células da bactéria Pseudomonas aeruginosa de tipo selvagem, uma cepa mutante da mesma bactéria, células renais caninas Madin-Darby e células agressivas de câncer de mama humano.

Os quatro sistemas representam uma ampla gama de tipos de células (eucariotos e procariontes) com diferentes mecanismos de movimento e propriedades celulares.

Para cada sistema, os pesquisadores criaram monocamadas de células e rastrearam seu movimento usando imagens de alta resolução. Os campos de velocidade resultantes foram então analisados para calcular a vorticidade, que representa a rotação local em um ponto.

Para as regiões de vorticidade zero — que representam o limite onde o comportamento rotacional do sistema muda —, eles realizaram análises matemáticas. Essas análises incluíram a medição da dimensão fractal , o teste para verificar se os contornos seguem a evolução de Schramm-Loewner (SLE) e o cálculo dos ângulos de enrolamento.

"SLE é uma teoria normalmente usada em física para descrever percolação, magnetismo e até mesmo aspectos da gravidade quântica", disse o Dr. Doostmohammadi.

No SLE, curvas conformemente invariantes são caracterizadas por um único parâmetro, que identifica classes de universalidade específicas que exibem comportamentos emergentes semelhantes.

Os pesquisadores também desenvolveram um modelo computacional simples para recapitular os mesmos padrões observados nos quatro sistemas, sugerindo que essas propriedades universais emergem naturalmente da dinâmica coletiva, independentemente dos detalhes celulares.

Os pesquisadores descobriram que o parâmetro foi medido como seis para todos os quatro sistemas. Isso pertence à classe de universalidade da percolação — a mesma classe que descreve o movimento de partículas ou fluidos através de um meio poroso, como a água fluindo através de uma rocha porosa.

"Essa descoberta sugere que, em um nível fundamental, a matéria viva se organiza de acordo com leis universais — leis que se aplicam a toda a árvore da vida, desde bactérias até células humanas, com biologia e morfologias muito diferentes", observou o Dr. Doostmohammadi.

Essa descoberta de invariância conforme universal conecta a biologia com conceitos de matemática teórica e física.

Essa universalidade é ainda mais notável considerando que esses sistemas biológicos operam longe do equilíbrio, consumindo energia constantemente para manter seu movimento — diferentemente dos estados de equilíbrio, onde tais comportamentos universais são normalmente observados na física e na matemática.

Olhando para o futuro, o Dr. Doostmohammadi destaca que este trabalho pode ajudar a melhorar nossa compreensão da progressão do câncer, da cicatrização de feridas e do desenvolvimento de tecidos. Além disso, pode inspirar novas metodologias em biologia sintética e medicina regenerativa.

Além disso, esses sistemas biológicos agora podem servir como plataformas experimentais para testar previsões de CFT que antes eram limitadas principalmente a simulações teóricas e numéricas.