Plante um tomate dentro de uma caixa quadrada e vocêtera¡ um tomate quadrado. a‰ 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 tea³rica para explicar a meca¢nica 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 meca¢nica, cultivou bactanãrias da ca³lera dentro de um gel macio, observando a arquitetura dos biofilmes bacterianos em expansão em resolução de canãlula única a  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 meca¢nica e física de sãolidos .

O estudo dos problemas de inclusão foi revolucionado na década de 1950 pelo cientista brita¢nico John Eshelby, mas o trabalho de Cohen e colegas éum 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 éque 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 ganãis, elasta´meros usados ​​em roba³tica mole, membranas biológicas, como as células interagem nos tecidos agora estãoacessa­veis 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 antibia³ticos e incrustação meca¢nica de barcos e sistemas de filtragem de a¡gua. 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 meta¡lica atéum tumor crescendo no pulma£o.

Os cientistas estudaram a interação entre crescimento e estresse ambiental para corpos confinados ou inclusaµes 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 émuito mais complicado, explica Cohen. Empurrados por um corpo em crescimento, os limites confinantes podem resistir ao deslocamento ou podem ser rompidos. O relacionamento estãosempre evoluindo a  medida que a forma muta¡vel da inclusão interage com as respostas muta¡veis ​​de seu material envolvente. O laboratório de Cohen éespecializado em estudar esses efeitos não lineares em materiais sãolidos. 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 bactanãrias formaram uma esfera achatada ou “amassada” em vez de uma esfera regular quando o material circundante era mais ra­gido.

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 difa­cil sem isso.”

Os experimentos e a teoria são um ponto de partida, acrescenta Cohen. Por exemplo, os pesquisadores também estãocuriosos 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 pra³prio crescimento”, diz ela.

Entender como as inclusaµes 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 tensaµes criadas por um precipitado no metal para criar ligas com caracteri­sticas diferentes.

O exemplo extremo de um biofilme bacteriano crescendo 10.000 vezes maior estãono centro do trabalho do laboratório de Cohen. Ela e seus alunos estãointeressados ​​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 tensaµes relacionadas ao crescimento.

Cohen diz que seu laboratório vaª o crescimento de uma maneira diferente da maioria, no entanto. A maioria das pessoas comea§a com uma observação. Eles vaªem uma a¡rvore, por exemplo, fazem hipa³teses sobre como ela cresce e, então, criam uma teoria que reproduz a observação.

Em vez disso, Cohen e seus colegas comea§am examinando os fundamentos do pra³prio crescimento. “Dissecamos um sistema e tentamos entendaª-lo microscopicamente”, diz ela, “e perguntamos: 'quais são os mecanismos ba¡sicos que estãogerando crescimento aqui?' E, com sorte, podemos encontrar os princa­pios fa­sicos que induzem diferentes morfologias. ”

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

Este trabalho exigiu um esfora§o de equipe para combinar ferramentas anala­ticas, computacionais e experimentais avana§adas. Os autores principais, Jian Li e Mrityunjay Kothari, ambos pa³s-doutorandos do MIT, lideraram os esforços computacionais e anala­ticos, respectivamente. Os alunos de PhD do MIT, Chockalingam Senthilnathan, Thomas Henzel e Xuanhe Li contribua­ram com o esfora§o tea³rico. Os experimentos foram conduzidos por Qiuting Zhang, um pa³s-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.