Os organismos vivos adaptam seu comportamento e movimentos com base nas informações que adquirem do ambiente circundante. Mas muitas vezes essa informação éimperfeita e o organismo precisa agir sob incerteza. Então, a informação imperfeita limita o desempenho de um organismo em tarefas especa­ficas?

Pesquisadores da Universidade de Yale investigaram recentemente essa possibilidade, examinando especificamente o comportamento da bactanãria coliforme Escherichia coli (E. coli). Suas descobertas, publicadas na Nature Physics , mostram que as informações que as bactanãrias E. coli coletam de seu ambiente limitam seu desempenho na quimiotaxia, o processo pelo qual elas guiam seus movimentos em resposta a sinais químicos .

“Ha¡ muito se sabe que as células funcionam em face do rua­do e da incerteza”, disseram Henry Mattingly, Keita Kamino, Benjamin Machta e Thierry Emonet, os pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org por e-mail. “Desde que a teoria da informação foi inventada por volta de 1950, os pesquisadores reconheceram que ela poderia ser uma ferramenta poderosa para entender como os organismos lidam com o rua­do”.

A maioria das pesquisas anteriores se concentrou na quantidade de informações que as células podem adquirir de seu ambiente. As medições coletadas atéagora sugerem que a evolução seleciona sistemas biola³gicos para efetivamente transmitir informações, atingindo as restrições fundamentais impostas pela física.

"No entanto, a aquisição de informações não énecessariamente o fim da história para a biologia: a informação deve ser posta em prática de forma adequada", explicaram os pesquisadores. "Quera­amos testar uma ampla hipa³tese biológica: que os organismos fazem o melhor uso da informação que adquirem para realizar comportamentos e outras funções. a bactanãria E. coli éum exemplo perfeito de tal comportamento."

As bactanãrias E. coli adquirem continuamente informações sobre os sinais químicos em seu ambiente usando sensores biola³gicos. Eles então usam essas informações para adaptar seu comportamento e navegar pelos gradientes qua­micos. Se as bactanãrias E. coli não coletassem informações de seus arredores, elas seriam incapazes de identificar se estãose dirigindo para nutrientes ou para longe de substâncias ta³xicas.

"As ferramentas experimentais estãoagora disponí­veis para medir esse comportamento e para sondar a dina¢mica do caminho qua­mico que liga os sensores da canãlula aos motores que ela usa para navegar", disse a equipe. “Combinando essas medidas com modelos simples para seu comportamento, percebemos que podera­amos medir a quantidade de informações que uma bactanãria era capaz de coletar (em bits por segundo), enquanto também entenda­amos quanta informação ela precisaria para navegar nas velocidades observadas”.

O objetivo principal dos autores era obter uma melhor compreensão de se os limites de seus sensores biola³gicos afetaram o comportamento da quimiotaxia em E. coli. Para conseguir isso, eles começam a calcular o limite de desempenho tea³rico, que éa velocidade máxima na qual uma bactanãria pode navegar em um gradiente qua­mico, com base em uma taxa fixa na qual ela adquire informações sobre sinais qua­micos.

"Para fazer isso, Henry modelou como o comportamento de natação da bactanãria responde aos sinais que ela experimenta", explicaram os pesquisadores. “Diferentes estratanãgias de resposta tem diferentes 'custos de informação' para implementar, mas uma estratanãgia que requer um alto custo de informação não necessariamente faz com que a canãlula suba gradientes rapidamente. o limite de desempenho."

Para determinar a taxa na qual as células de E. coli adquirem informações durante a quimiotaxia, a equipe teve que entender como eles traduziram os sinais que perceberam, na forma demudanças nas concentrações de nutrientes, na atividade de sua rede de sinalização interna. Eles conseguiram isso usando uma abordagem microflua­dica desenvolvida por Kamino. Essa abordagem funciona fornecendo pulsos calibrados de nutrientes a s bactanãrias, ao mesmo tempo em que mede a atividade em sua rede de resposta química.

"Usando o mesmo sistema experimental, Keita também mediu a magnitude do rua­do esponta¢neo na rede de resposta na ausaªncia de sinais", disseram os pesquisadores. "Com essas medições, bem como as medições dos sinais ta­picos que uma canãlula nadadora experimenta em um gradiente, estimamos quanta informação a E. coli extrairia de seu ambiente qua­mico enquanto navegava em um gradiente natural, pela primeira vez".

Como etapa experimental final, a equipe teve que determinar a rapidez com que a E. coli escala gradientes químicos usando as informações coletadas. Para fazer isso, Mattingly estabeleceu gradientes químicos rasos entre dois reservata³rios e rastreou as trajeta³rias de natação das bactanãrias enquanto navegavam pelos gradientes. Depois de observar horas dessas trajeta³rias em diferentes gradientes, os pesquisadores puderam determinar as velocidades em que escalaram os gradientes.

"Combinar nossas medidas de aquisição de informações e velocidade de escalada de gradiente nos permitiu determinar quanto bem E. coli usa informações para navegar em relação ao limite tea³rico", disseram os pesquisadores. "Descobrimos que, ao escalar gradientes rasos, a E. coli obtanãm muito pouca informação de seu ambiente, cerca de 0,01 bits/s. Com uma conexão a  Internet dessa taxa, levaria vários milhares de anos para baixar um filme ta­pico em resolução 4K."

Mattingly e seus colegas descobriram que as bactanãrias usam a pouca informação que obtem para escalar gradientes em velocidades quase tão rápidas quanto teoricamente possa­veis, considerando as limitações de seu sistema sensorial. Isso sugere que, para sobreviver, os organismos devem usar eficientemente as informações que adquirem para realizar tarefas especa­ficas.

"Os 0,01 bits/s que a E. coli precisa e obtanãm são ordens de magnitude menores do que ~1 bit por segundo que uma canãlula precisaria para determinar se estãonadando no gradiente ou não antes de escolher uma nova direção aleatoriamente, ", disseram os pesquisadores. "Nosso estudo éo primeiro a usar a teoria da informação para colocar limites no desempenho de um organismo em uma tarefa comportamental, conectando a fidelidade da via de transdução de sinal a  sua capacidade de realizar funções cra­ticas para sua sobrevivaªncia".

Este trabalho fornece novos insights interessantes sobre os efeitos da aquisição de informações na quimiotaxia de E. coli. No futuro, podera¡ informar novos estudos destinados a compreender a ligação entre a capacidade de um organismo de processar sinais em seu ambiente e realizar tarefas de sobrevivaªncia.

Em seus pra³ximos estudos, Mattingly, Kamino, Machta e Emonet planejam medir a fidelidade de detecção da E. coli e compara¡-la com as previsaµes tea³ricas. Isso permitira¡ que eles testem ainda mais a hipa³tese de que o processamento de informações dos sistemas biola³gicos estãopra³ximo dos limites impostos pela física.

"Atéagora, medimos quanta informação as células de E. coli obtem durante a quimiotaxia e com que eficiência elas usam essas informações, mas não abordamos quanta informação elas poderiam obter com um sensor ideal", disse a equipe. "E. coli detecta substâncias químicas em seus ambientes contando moléculas que colidem aleatoriamente com suasuperfÍcie, e isso impaµe limites em sua fidelidade de detecção. Isso éalgo sobre o qual outros pensaram muito, mas atéagora sem compara¡-lo ao real sentindo a fidelidade."

As bactanãrias E. coli se reproduzem com extrema rapidez, dobrando de quantidade em apenas 30 minutos. Sua velocidade de reprodução os torna candidatos ideais para estudar a evolução em ambientes de laboratório. Em seu trabalho futuro, os pesquisadores também gostariam de aproveitar essa qualidade vantajosa para testar hipa³teses sobre como a seleção evolutiva atua no processamento de informações .

“Finalmente, modelos e medições de comportamentos e processamento de sinais em organismos mais complexos podem estar no ponto em que podemos aplicar as mesmas ideias para estudar seus comportamentos também”, acrescentaram os pesquisadores. "A simplicidade da quimiotaxia da E. coli tornou-a um sistema ideal para comea§ar, mas ideias semelhantes podem se aplicar ao comportamento dos animais".