Tecnologia Científica

Explorando o crescimento em um espaço confinado
Incorporar bactérias em materiais macios testa as teorias dos pesquisadores.
Por Becky Ham - 09/01/2022


Os pesquisadores desenvolveram uma estrutura teórica para explicar a mecânica de como os corpos em crescimento respondem ao confinamento. Créditos:Foto: moonimage / Flickr


Plante um tomate dentro de uma caixa quadrada e você terá um tomate quadrado. É um experimento que mostra claramente como o confinamento pode influenciar a evolução da forma de um corpo.

Agora, pesquisadores do MIT e da Universidade de Yale desenvolveram uma estrutura teórica para explicar a mecânica de como os corpos em crescimento respondem ao confinamento. Para testar sua teoria, uma equipe de pesquisa liderada por Tal Cohen, professor associado do MIT de engenharia civil e ambiental e de engenharia mecânica, cultivou bactérias da cólera dentro de um gel macio, observando a arquitetura dos biofilmes bacterianos em expansão em resolução de célula única à medida que cresciam 10.000 vezes maior.

Seguindo a teoria, os biofilmes adoptar vias de crescimento que otimizam a sua forma em resposta a confinamento e ao dano no gel circundante, uma vez que se deforma para conter o biofilme, de acordo com o estudo publicado no Journal dos mecânica e física de sólidos .

O estudo dos problemas de inclusão foi revolucionado na década de 1950 pelo cientista britânico John Eshelby, mas o trabalho de Cohen e colegas é um passo significativo, diz Pradeep Sharma, o MD Anderson Chair Professor of Mechanical Engineering da University of Houston.

“Uma das principais limitações do trabalho de Eshelby é que ele se restringe a materiais que se deformam apenas ligeiramente. No entanto, rotineiramente encontramos contextos onde as deformações dificilmente são 'leves' ”, explica Sharma, que não fez parte do estudo do MIT-Yale. “Cohen e colegas de trabalho engenhosamente resolveram o problema de inclusão de Eshelby para grandes deformações. Problemas de inclusão em matéria mole como géis, elastômeros usados ​​em robótica mole, membranas biológicas, como as células interagem nos tecidos agora estão acessíveis graças ao artigo de Cohen. ”

Os pesquisadores gostariam de aprender mais sobre como os biofilmes crescem, uma vez que podem contribuir para a resistência aos antibióticos e incrustação mecânica de barcos e sistemas de filtragem de água. Mas as descobertas de Cohen e colegas também se aplicam a uma variedade de cenários de crescimento confinado, desde a formação de um precipitado dentro de uma liga metálica até um tumor crescendo no pulmão.

Esferas Smooshed

Os cientistas estudaram a interação entre crescimento e estresse ambiental para corpos confinados ou inclusões por 70 anos. Esses estudos usam uma estrutura linear para entender a relação - quanto mais força o corpo em crescimento exerce sobre seus limites confinantes, mais deslocamento esses limites experimentam.

Mas o comportamento dos materiais no mundo real é muito mais complicado, explica Cohen. Empurrados por um corpo em crescimento, os limites confinantes podem resistir ao deslocamento ou podem ser rompidos. O relacionamento está sempre evoluindo à medida que a forma mutável da inclusão interage com as respostas mutáveis ​​de seu material envolvente. O laboratório de Cohen é especializado em estudar esses efeitos não lineares em materiais sólidos. A teoria de inclusão não linear desenvolvida pelos pesquisadores previu diferenças significativas nas formas de inclusão, dependendo de seus ambientes de crescimento. No caso dos biofilmes, as bactérias formaram uma esfera achatada ou “amassada” em vez de uma esfera regular quando o material circundante era mais rígido.

O sistema experimental de biofilme foi importante para refinar sua teoria, diz Cohen. “Na verdade, observar essas enormes deformações acontecendo internamente em um material de uma forma muito controlada teria sido muito difícil sem isso.”

Os experimentos e a teoria são um ponto de partida, acrescenta Cohen. Por exemplo, os pesquisadores também estão curiosos sobre como sua teoria poderia explicar a forma como os nutrientes se difundem em um sistema de cultivo e se “isso poderia nos explicar ainda melhor o acoplamento entre as restrições e o próprio crescimento”, diz ela.

Entender como as inclusões crescem - e talvez como e por que param de crescer ou como causam danos ao corpo ao redor - pode ser importante para lidar com o crescimento do tumor, sugere ela. A teoria também poderia ser aplicada ao processamento de metal, para controlar melhor o crescimento e as tensões criadas por um precipitado no metal para criar ligas com características diferentes.

Abordagem diferente para o crescimento

O exemplo extremo de um biofilme bacteriano crescendo 10.000 vezes maior está no centro do trabalho do laboratório de Cohen. Ela e seus alunos estão interessados ​​no que acontece com os materiais quando eles são levados ao limite. O impulso pode vir de uma carga extrema, ou uma onda de choque, ou tensões relacionadas ao crescimento.

Cohen diz que seu laboratório vê o crescimento de uma maneira diferente da maioria, no entanto. A maioria das pessoas começa com uma observação. Eles vêem uma árvore, por exemplo, fazem hipóteses sobre como ela cresce e, então, criam uma teoria que reproduz a observação.

Em vez disso, Cohen e seus colegas começam examinando os fundamentos do próprio crescimento. “Dissecamos um sistema e tentamos entendê-lo microscopicamente”, diz ela, “e perguntamos: 'quais são os mecanismos básicos que estão gerando crescimento aqui?' E, com sorte, podemos encontrar os princípios físicos que induzem diferentes morfologias. ”

Os pesquisadores então perguntam em que um sistema com esses princípios poderia se transformar. Essa abordagem aberta, diz Cohen, torna suas teorias úteis em uma variedade de problemas em biologia e sistemas físicos.

Este trabalho exigiu um esforço de equipe para combinar ferramentas analíticas, computacionais e experimentais avançadas. Os autores principais, Jian Li e Mrityunjay Kothari, ambos pós-doutorandos do MIT, lideraram os esforços computacionais e analíticos, respectivamente. Os alunos de PhD do MIT, Chockalingam Senthilnathan, Thomas Henzel e Xuanhe Li contribuíram com o esforço teórico. Os experimentos foram conduzidos por Qiuting Zhang, um pós-doutorado na Universidade de Yale no grupo do Professor Assistente Jing Yan.

A pesquisa foi apoiada pelo Office of Naval Research e pela National Science Foundation.

 

.
.

Leia mais a seguir