Pesquisadores Simulam Movimento de Organismos de Célula Única

Uma equipe de pesquisa na TU Wien (Viena) conseguiu simular com sucesso o processo de organismos de célula única se movendo em uma direção desejada, apesar de não terem um cérebro ou sistema nervoso. Antes dos novos desenvolvimentos, os pesquisadores não sabiam como os pequenos organismos eram capazes de tal processo.

A equipe calculou a interação física entre um organismo modelo simples e seu ambiente, sendo este um líquido com uma composição química não uniforme contendo fontes de alimento distribuídas de forma irregular.

A pesquisa foi publicada no jornal PNAS.

O Organismo Simulado

Os pesquisadores equiparam o organismo simulado com a capacidade de processar dados sobre sua comida e ambiente. Com base em um algoritmo de aprendizado de máquina, o processamento de informações poderia ser modificado e otimizado em etapas evolutivas. Isso significou que os pesquisadores desenvolveram um organismo de computador capaz de se mover e procurar comida de forma semelhante a organismos reais.

Andreas Zöttl liderou o projeto de pesquisa no Instituto de Física Teórica da TU Wien.

“À primeira vista, é surpreendente que um modelo tão simples possa resolver uma tarefa tão difícil”, diz Zöttl. “Bactérias podem usar receptores para determinar em qual direção, por exemplo, a concentração de oxigênio ou nutrientes está aumentando, e essa informação então desencadeia um movimento na direção desejada. Isso é chamado de quimiotaxia.”

Enquanto organismos multicelulares têm uma interconexão de células nervosas, organismos de célula única não têm células nervosas. Devido a isso, eles só podem passar por etapas de processamento simples dentro da célula.

“Para poder explicar isso, você precisa de um modelo físico realista para o movimento desses organismos unicelulares”, diz Zöttl. “Nós escolhemos o modelo mais simples possível que permite movimento independente em um fluido. Nosso organismo de célula única consiste em três massas conectadas por músculos simplificados. A pergunta agora é: podem esses músculos ser coordenados de tal forma que o organismo todo se mova na direção desejada? E, acima de tudo: pode esse processo ser realizado de forma simples, ou requer controle complicado?”

Implementando o Modelo de Computador

Benedikt Hartl foi quem implementou o modelo no computador.

“Mesmo que o organismo unicelular não tenha uma rede de células nervosas — os passos lógicos que ligam suas ‘impressões sensoriais’ com seu movimento podem ser descritos matematicamente de forma semelhante a uma rede neuronal”, diz Hartl.

Organismos de célula única têm conexões lógicas entre diferentes elementos da célula, e o movimento ocorre quando sinais químicos são acionados.

Maximilian Hübl completou vários cálculos na pesquisa.

“Esses elementos e a forma como eles influenciam um ao outro foram simulados no computador e ajustados com um algoritmo genético: geração após geração, a estratégia de movimento dos organismos unicelulares virtuais foi alterada ligeiramente”, relata Hübl.

Quando os organismos unicelulares conseguiram direcionar seu movimento para os químicos desejados, eles foram permitidos para “reproduzir”, enquanto aqueles que não o fizeram “morriam”. Após várias gerações, um tipo de evolução ocorreu e uma rede de controle emergiu. Essa rede permitiu que um organismo unicelular virtual convertesse percepções químicas em movimento direcionado, e o faz de forma simples e com circuitos básicos.

“Você não deve pensar nisso como um animal altamente desenvolvido que percebe conscientemente algo e então corre em sua direção”, diz Zöttl. “É mais como um movimento de balanço aleatório. Mas um que ultimately leva na direção certa, em média. E é exatamente o que você observa com organismos de célula única na natureza.”