Um novo estudo publicado na revista científica Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (JSTAT) propõe uma forma inovadora de calcular a energia mínima que as células despendem para manter determinados processos metabólicos ativos e, simultaneamente, suprimir alternativas possíveis. Trata-se de um “custo da vida” que não é captável pela física mecânica clássica, mas que pode ter sido determinante na origem e evolução da vida.
Na física tradicional, se não há movimento, não há trabalho — e, por isso, não existe custo energético associado a impedir que algo aconteça. No entanto, cálculos rigorosos baseados na termodinâmica estocástica mostram que, nos sistemas vivos, manter certos processos bioquímicos ativos implica custos energéticos significativos, mesmo quando esses processos apenas garantem que outras reações não ocorram.
O estudo parte de uma questão fundamental: quando surgiram as primeiras células, no oceano primitivo, a formação de uma membrana criou, pela primeira vez, uma separação clara entre um “interior” e um “exterior”. A partir desse momento, esse sistema primitivo teve de gastar energia não só para manter essa compartimentação, mas também para selecionar, entre inúmeras reações químicas possíveis, apenas alguns caminhos metabólicos capazes de transformar nutrientes em produtos úteis. A vida, defendem os autores, nasceu juntamente com este esforço de escolha e manutenção.
Embora os processos metabólicos tenham custos energéticos diretos, existe ainda um custo adicional — o de forçar os fluxos químicos a seguir um determinado percurso, em vez de se dispersarem por todas as alternativas fisicamente possíveis. Estes custos, associados às “restrições” impostas pela célula, são geralmente ignorados pela mecânica clássica, que trata essas condições como externas e energeticamente neutras.
A equipa liderada por Praful Gagrani, investigador da Universidade de Tóquio, desenvolveu um método para quantificar estes custos ocultos e, com isso, comparar diferentes vias metabólicas em termos de eficiência biológica. O trabalho contou com a colaboração de investigadores das universidades de Viena e do Instituto de Tecnologia da Geórgia.
Inspirado por estudos anteriores sobre o ciclo de Calvin — um conjunto de reações químicas essenciais à fotossíntese — o grupo demonstrou que a via metabólica adotada pela natureza está entre as menos dissipativas, ou seja, entre as que implicam menor custo energético para serem mantidas. Para os investigadores, este resultado sugere que a evolução terá favorecido caminhos metabolicamente mais “económicos”.
No novo enquadramento teórico, a célula é vista como um sistema atravessado por um fluxo constante: uma molécula entra, outra sai. A partir da química subjacente, é possível gerar todas as vias que realizam essa conversão. Cada uma tem um custo termodinâmico associado, que não mede energia no sentido clássico, mas sim a improbabilidade de esse percurso ocorrer espontaneamente num sistema químico não controlado.
Essa improbabilidade tem duas componentes principais. A primeira é o custo de manutenção, que reflete o quão difícil é sustentar um fluxo constante numa determinada via. A segunda é o custo de restrição, que mede o quão improvável é bloquear todas as reações alternativas enquanto se mantém ativa apenas a via escolhida.
Os resultados revelaram fenómenos inesperados. Um deles é que, do ponto de vista puramente termodinâmico, usar várias vias metabólicas em paralelo pode ser menos dispendioso do que depender de apenas uma. Ainda assim, na natureza observa-se frequentemente a preferência por um único processo dominante. A explicação estará no papel da catálise biológica: as enzimas aceleram reações específicas, reduzindo os seus custos e tornando desnecessária a manutenção de múltiplos caminhos paralelos, que poderiam gerar subprodutos tóxicos.
Para os autores, esta nova abordagem constitui uma ferramenta valiosa para o estudo da origem e evolução da vida. Ao permitir quantificar o custo de escolher e manter determinados processos metabólicos, ajuda a compreender como surgiram certas vias químicas fundamentais. No entanto, sublinham, explicar por que razão essas vias específicas foram selecionadas continua a exigir um esforço verdadeiramente multidisciplinar, que una física, química, biologia e ciência da evolução.
