Em 2019, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia apresentaram uma nova abordagem para controlar matéria ativa usando luz. A matéria ativa é um tipo de material composto por unidades individuais que consomem energia e, juntas, criam movimento mecânico. O processo é análogo ao comportamento de um enxame de pássaros, que se move de forma coordenada como se fosse um único organismo.
Naquele estudo, a equipe focou em filamentos de proteína de tamanho milimétrico, que formam o esqueleto das células, conhecido como citoesqueleto.
[Imagem: Fan Yang]
Agora, com base em princípios da teoria computacional, a mesma equipe desenvolveu a primeira “linguagem de programação” para matéria ativa. Essa inovação permitirá aos pesquisadores realizar operações precisas em pequenos volumes de fluido no nível celular.
Essa técnica tem um grande potencial em nanotecnologia e no estudo das interações celulares.
“O uso de matéria ativa na bioengenharia tem sido promissor, mas, até agora, era impossível controlá-la”, explicou o professor Matt Thomson. “A partir de modelagem teórica e computacional, nosso aluno Fan Yang aplicou princípios de superposição linear – válidos em regimes de tamanho específicos – para criar a primeira linguagem de programação para matéria ativa. Sua percepção teórica possibilitou o desenvolvimento dessa estrutura de programação.”
[Imagem: Fan Yang]
Movimento Celular
Os esqueletos celulares, ou citoesqueletos, são redes de finos filamentos de proteínas que se moldam, permitindo que as células se movam, transportem cargas e se dividam. Os “ossos” do citoesqueleto são microtúbulos, filamentos finos e tubulares que formam andaimes tridimensionais. Cada microtúbulo tem cerca de 10 micrômetros de comprimento, aproximadamente 1.000 vezes mais fino que um fio de cabelo humano. Junto com proteínas motoras, que fornecem a propulsão, essas estruturas minúsculas trabalham em conjunto para movimentar células, como se um enxame de formigas impulsionasse um carro.
As células utilizam gradientes químicos para induzir mudanças na estrutura dos microtúbulos e assim realizar suas funções vitais. No estudo original, a equipe replicou essa motorização alimentando as estruturas com gradientes de luz. No entanto, o sistema não era programável, pois não havia como projetar padrões de luz específicos para gerar campos de fluxo de fluidos que realizassem tarefas específicas. Embora funcionasse, era de forma meio aleatória.
Linguagem de Programação de Fluxo
Yang desenvolveu uma linguagem de programação capaz de projetar fluxos de fluidos de matéria ativa para mover, classificar e montar células, misturar produtos químicos e aplicar tensões mecânicas a pequenos objetos, como vesículas lipídicas em células. Toda a programação foi testada em experimentos reais com microtúbulos e funcionou como esperado.
Essa linguagem de programação tem grandes aplicações, especialmente em áreas que envolvem a manipulação de células, desde a biologia básica até a descoberta e o teste de medicamentos. Tradicionalmente, os cientistas utilizam micropipetas semelhantes a agulhas para esticar e separar células, o que pode danificar as células. Com a matéria ativa, é possível adicionar microtúbulos ativados por luz a um aglomerado de células e movê-las delicadamente para as posições desejadas, usando apenas luz.
Tudo isso é feito sem trabalho manual, projetando e programando os movimentos necessários com a “linguagem de programação de fluxo” criada pela equipe.
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