Cientistas desvendam o segredo por trás dos misteriosos padrões de pele de animais: WebCuriosos

Padrões na pele de animais, como listras de zebra e manchas coloridas de sapo venenoso, desempenham várias funções biológicas, incluindo regulação de temperatura, camuflare sinais de alerta.

As cores que compõem esses padrões devem ser distintas e bem separadas para serem eficazes. Por exemplo, como sinal de alerta, cores distintas tornam-nos claramente visíveis para outros animais. E como camuflagem, cores bem separadas permitem que os animais se misturem melhor ao ambiente.

Em nossa pesquisa recém-publicada em Avanços da Ciênciameu aluno Muito bem Alessio e eu propor um mecanismo potencial explicando como esses padrões distintos se formam – que poderiam ser potencialmente aplicados a diagnósticos médicos e materiais sintéticos.

Um experimento mental pode ajudar a visualizar o desafio de alcançar padrões de cores distintos. Imagine adicionar suavemente uma gota de corante azul e vermelho a um copo de água.

As gotas se dispersarão lentamente pela água devido ao processo de difusãoonde as moléculas se movem de uma área de maior concentração para menor concentração. Eventualmente, a água terá uma concentração uniforme de corantes azuis e vermelhos e ficará roxa. Assim, a difusão tende a criar uniformidade de cores.

Surge naturalmente uma questão: como podem formar-se padrões de cores distintos na presença de difusão?

Movimento e limites

O matemático Alan Turing abordou esta questão pela primeira vez em seu artigo seminal de 1952, “A Base Química da Morfogênese.” Turing mostrou que, sob condições apropriadas, as reações químicas envolvidas na produção da cor podem interagir umas com as outras de uma forma que neutraliza a difusão.

Isso possibilita que as cores se auto-organizem e criem regiões interconectadas com cores diferentes, formando o que hoje são chamados de padrões de Turing.

No entanto, em modelos matemáticos, os limites entre as regiões de cores são confusos devido à difusão. Isso é diferente da natureza, onde os limites costumam ser nítidos e as cores bem separadas.

Nossa equipe pensou que uma pista para descobrir como os animais criam padrões de cores distintos poderia ser encontrada em experimentos de laboratório com partículas de tamanho mícron, como o células envolvidas na produção das cores da pele de um animal.

Meu trabalho e trabalhar de outros laboratórios descobriram que partículas de tamanho mícron se formam estruturas em faixas quando colocado entre uma região com alta concentração de outros solutos dissolvidos e uma região com baixa concentração de outros solutos dissolvidos.

No contexto da nossa experiência mental, alterações na concentração dos corantes azul e vermelho na água podem impulsionar outras partículas no líquido a moverem-se em determinadas direções. À medida que o corante vermelho se move para uma área onde está em concentração mais baixa, partículas próximas serão carregadas junto com ele. Este fenômeno é chamada difusioforese.

Você se beneficia da difusioforese sempre que lave sua roupa: As partículas de sujeira se afastam de suas roupas à medida que as moléculas de sabão se espalham de sua camisa para a água.

Desenhando limites nítidos

Nós nos perguntamos se os padrões de Turing compostos por regiões de diferenças de concentração também poderiam mover partículas de tamanho micrométrico. Em caso afirmativo, os padrões resultantes destas partículas seriam nítidos e não confusos?

Para responder a esta pergunta, nós conduziu simulações de computador dos padrões de Turing – incluindo hexágonos, listras e pontos duplos – e descobriu que a difusioforese torna os padrões resultantes significativamente mais distintos em todos os casos.

Essas simulações de difusioforese foram capazes de replicar os padrões intrincados na pele do peixe-caixa ornamentado e da moreia-joia, o que não é possível apenas com a teoria de Turing.

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Apoiando ainda mais nossa hipótese, nosso modelo foi capaz de reproduzir as descobertas de um estudo de laboratório sobre como a bactéria E. coli move a carga molecular dentro de si. A difusioforese resultou em padrões de movimento mais nítidos, confirmando seu papel como mecanismo físico por trás da formação de padrões biológicos.

Como as células que produzem os pigmentos que compõem as cores da pele de um animal também têm tamanho micrométrico, nossas descobertas sugerem que a difusioforese pode desempenhar um papel fundamental na criação de padrões de cores distintos de forma mais ampla na natureza.

Aprendendo o truque da natureza

Compreender como a natureza programa funções específicas pode ajudar os pesquisadores a projetar sistemas sintéticos que executam tarefas semelhantes.

Experimentos de laboratório mostraram que os cientistas podem usar a difusioforese para criar filtros de água sem membrana e ferramentas de desenvolvimento de medicamentos de baixo custo.

Nosso trabalho sugere que a combinação das condições que formam os padrões de Turing com a difusioforese também poderia formar a base de manchas artificiais na pele. Tal como os padrões adaptativos da pele nos animais, quando os padrões de Turing mudam – digamos, de hexágonos para listras – isto indica diferenças subjacentes nas concentrações químicas dentro ou fora do corpo.

Manchas na pele que podem detectar essas alterações podem diagnosticar condições médicas e monitorar a saúde do paciente, detectando alterações em marcadores bioquímicos. Essas manchas na pele também podem detectar mudanças na concentração de produtos químicos nocivos no meio ambiente.

O trabalho pela frente

Nossas simulações focaram exclusivamente em partículas esféricas, enquanto as células que criam pigmentos na pele apresentam formas variadas. O efeito da forma na formação de padrões intrincados permanece obscuro.

Além disso, as células pigmentares movem-se num ambiente biológico complicado. Mais pesquisas são necessárias para entender como esse ambiente inibe o movimento e potencialmente congela os padrões.

Além dos padrões de pele animal, os padrões de Turing também são cruciais para outros processos, como desenvolvimento embrionário e formação de tumor. Nosso trabalho sugere que a difusioforese pode desempenhar um papel subestimado, mas importante, nesses processos naturais.

Estudar como os padrões biológicos se formam ajudará os pesquisadores a dar um passo mais perto de imitar suas funções no laboratório – um empreendimento antigo que poderia beneficiar a sociedade.

Ankur GuptaProfessor Assistente de Engenharia Química e Biológica, Universidade do Colorado em Boulder

Este artigo foi republicado de A conversa sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.