Aplicar a física para compreender melhor processos biológicos complicados: foi o que Meike Bos fez durante seu doutorado. Ela usou modelos de computador para investigar como as células ciliadas nas vias aéreas se movem para garantir que o muco possa ser transportado. Sua pesquisa, que culminou com uma defesa de dissertação bem-sucedida em 29 de maio, destaca o poder da modelagem computacional na abordagem de fenômenos biológicos complexos. “Prefiro aplicar a física ao mundo real”, diz ela.
O muco, muitas vezes esquecido na sua simplicidade, desempenha um papel crucial na manutenção da saúde humana. Esta substância pegajosa atua como uma barreira protetora, prendendo partículas de poeira, bactérias e outros intrusos indesejados antes que possam atingir as profundezas dos pulmões. Mas como o corpo elimina efetivamente esse muco?
De acordo com Meike, desvendar esta questão aparentemente simples é muito mais complexo do que se poderia supor. “A biologia é incrivelmente complexa”, explica ela. “Considerando todos os fatores envolvidos, é virtualmente impossível explicar completamente estes fenômenos biológicos utilizando métodos tradicionais.” Para enfrentar este desafio, Meike recorreu a simulações de computador, modelos simplificados da realidade, para elucidar os mecanismos subjacentes em jogo.
Limpeza
As vias aéreas de todos os animais são revestidas por células ciliadas, equipadas com minúsculas estruturas semelhantes a pêlos, conhecidas como cílios. Esses cílios se movem ritmicamente, impulsionando uma fina camada de líquido ao longo das superfícies das vias aéreas. Em grandes mamíferos, incluindo humanos, esta camada fluida contém filamentos de muco que capturam e removem partículas nocivas. Os fios de muco são produzidos em pequenas glândulas e inicialmente se movem com o fluxo do fluido. Porém, a certa altura, eles dão uma guinada inesperada, girando 90 graus. “Isso é muito inteligente”, ilustra Meike. “Quando você limpa alguma coisa, você não move a vassoura na mesma direção da sujeira; em vez disso, você varre perpendicularmente.”
Regras em física
“Do ponto de vista da física, estes fios não deveriam ser capazes de fazer esta viragem abrupta”, explica Meike, apontando para a sua dissertação repleta de fórmulas físicas complexas. “De acordo com as leis da física, um objeto alongado em um fluxo deve continuar se movendo em linha reta. Imagine segurar uma corda em água corrente”, continua ela. “A corda seguirá a direção da corrente, assim como o vento.”
Com base nestes princípios, o comportamento dos fios de muco parece desafiar as leis da física. No entanto, Meike afirma que isto não implica uma falha na física, mas sugere a presença de factores adicionais em jogo. Através de suas simulações de computador, Meike explorou a influência de minúsculas partículas pegajosas nos pulmões sobre os longos fios de muco em rotação. Suas descobertas revelaram que essas gotículas menores de muco poderiam aderir aos fios mais longos, influenciando sua rotação, formato e velocidade.
O muco exibe propriedades tanto de líquido quanto de sólido, tornando-o uma substância viscoelástica. Isto significa que apresenta viscosidade (resistência ao fluxo) e elasticidade (a capacidade de retornar à sua forma original após a deformação). Curiosamente, os humanos não conseguem nadar em materiais viscoelásticos, pois os nossos membros não conseguem empurrar eficazmente o material. No entanto, alguns organismos minúsculos, conhecidos como micronadadores, dominaram este desafio. Eles empregam técnicas únicas de natação, como movimentos de cauda em forma de chicote (espermatozoides), movimento rotacional ou propulsão acionada por cílios (bactérias). Em um projeto paralelo à sua pesquisa principal, Meike investigou o movimento desses micronadadores em materiais viscoelásticos como o muco por meio de simulações. Nesses ambientes, os micronadadores modelo exibiram significativamente mais mudanças direcionais em comparação com materiais não viscoelásticos. Isso, descobriu Meike, foi atribuído às interações locais entre o micronadador e seu entorno.
Simulando muco
Embora a observação direta do transporte de muco nos pulmões humanos e animais continue a ser um desafio, as simulações oferecem uma ferramenta valiosa para a compreensão destes processos. “As simulações nos ajudam a pensar criticamente sobre um sistema e a testar várias hipóteses”, explica Meike. Além disso, eles preenchem a lacuna entre teoria e prática: “Quando a análise teórica atinge seus limites, recorremos às simulações. Da mesma forma, as simulações podem melhorar nossa compreensão dos resultados experimentais.”
Eu prefiro aplicar a física ao mundo real
Físico Meike Bos
Sobre Meike
A jornada acadêmica de Meike começou com uma graduação em física pela Universidade de Utrecht, onde sua paixão pela exploração se estendeu além dos limites de uma única disciplina. Sua pesquisa de doutorado sobre transporte de muco foi realizada no Instituto de Física Teórica (ITF). Atualmente, Meike iniciou como pesquisadora de pós-doutorado no Instituto de Pesquisas Marinhas e Atmosféricas (IMAU), onde aplica seus conhecimentos de física para estudar o movimento de macroplásticos no oceano.