Hóquei microbiano: cientistas da ISTA descobrem como as bactérias fazem girar pequenos discos e criam materiais invulgares
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No Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA), os investigadores assemelham-se a ferreiros quando trabalham com bactérias. Quando colocadas na água, as E. coli ajudam a formar agregados semelhantes a gel e, como agora demonstrado pelo Laboratório Materiali Molli, fazem rodar pequenos discos semelhantes a discos de hóquei, gerando binário. Financiada pelo Conselho Europeu de Investigação (CEI) e publicada na revista Nature Physics, esta descoberta contribui para a compreensão das bactérias em espaços confinados e poderá levar à criação de materiais macios.
As faíscas voam. Um martelo bate repetidamente numa bigorna. Golpe após golpe, o pedaço de metal em brasa toma lentamente a forma de uma espada. O ferreiro, satisfeito, ergue-a no ar antes de a devolver ao forno a arder para a reaquecer até ficar incandescente. Esta cena poderia facilmente pertencer a uma série de fantasia medieval como The Witcher ou a jogos de vídeo como Elden Ring.
No Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA), Jérémie Palacci, bolseiro do ERC, e o seu grupo de investigação estão a aventurar-se na metalurgia - embora com uma reviravolta. Em vez de ferramentas tradicionais, os cientistas utilizam a bactéria E. coli, frequentemente associada a infecções ligadas a alimentos contaminados. Quando colocadas na água, os seus longos flagelos - caudas que as impulsionam para a frente - criam o chamado banho ativo. Este ambiente dinâmico ajuda a formar agregados semelhantes a gel, actuando como uma pequena fogueira e aumentando a "temperatura" para um equivalente a 2000 °C, semelhante à que um ferreiro necessita para fabricar metais. Consegue mesmo fazer girar minúsculos microdiscos.
Na sua nova publicação conjunta, Daniel Grober e Jérémie Palacci, da ISTA, juntamente com Tanumoy Dhar e David Saintillan, da Universidade da Califórnia, em San Diego, revelam o processo subjacente a esta descoberta. A investigação foi efectuada no Laboratório Materiali Molli, situado no campus da ISTA, em colaboração com o Departamento de Física da UC San Diego.
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Micro-rotores
Em uma publicação da Nature Physics de 2023, Palacci, Grober e colegas demonstraram que esses banhos ativos alimentados por bactérias impulsionam com sucesso colóides pegajosos - contas redondas que se unem quando em contato - para formar agregados semelhantes a gel que giram no sentido horário, originados do giro no sentido horário do flagelo de E. coli. No entanto, a razão por detrás deste comportamento não era clara.
Inspirados por um estudo de 2010 em que bactérias que interagiam com engrenagens - tanto simétricas como assimétricas - faziam girar apenas as engrenagens assimétricas, Grober e Palacci investigaram mais a fundo.
"Neste trabalho, as bactérias actuaram como pequenos veículos, empurrando constantemente a engrenagem assimétrica para girar", teorizou Palacci na altura.
Os investigadores especularam que a forma assimétrica poderia também ser a causa dos seus aglomerados rotativos. No entanto, a medição deste efeito revelou-se um desafio, uma vez que a assimetria aleatória dos aglomerados provocou demasiado ruído nos dados.
Discos de hóquei a girar
Os cientistas tiveram, por isso, de dar um passo atrás e criar uma experiência para esclarecer o que estava a acontecer. Para o efeito, Grober utilizou uma nanoprinter 3D para criar micro discos lisos e simétricos, semelhantes a discos de hóquei. Depois de introduzirem estes "discos" nos banhos activos cheios de E. coli, ficaram surpreendidos ao vê-los rodar no sentido dos ponteiros do relógio, o que negou a hipótese anterior de que as formas simétricas não rodam.
Os investigadores também descobriram que um disco ligeiramente mais detalhado, com, por exemplo, quatro compartimentos que se estendiam em direção ao centro, girava ainda mais depressa do que os seus equivalentes mais básicos. Os espaços confinados permitiram que as bactérias actuassem como pequenas pás, aumentando a rotação. Curiosamente, um disco de compartimento único sem extremidade fechada girava assim que uma E. coli passava por ele, o que implica que o contacto mecânico com a parede da câmara não era necessário para o seu movimento.
Interação hidrodinâmica
Palacci esclareceu que o contacto direto não é a chave para fazer girar os discos. Isto é diferente do que se tinha visto com as engrenagens assimétricas. Em vez disso, o novo estudo mostra que as E. coli nadadoras torcem o fluido à sua volta simplesmente devido à forma como nadam. Os seus corpos giram numa direção enquanto os flagelos giram na direção oposta.
Esta ação de torção, ou binário, faz com que o líquido gire tanto à frente como atrás da E. coli nadadora, criando uma força de tração na parede superior da câmara. Embora estes movimentos de rotação se anulem mutuamente e o centro do disco permaneça estável, é criado um binário global que faz com que o disco gire. Isto deve-se ao facto de as rotações ocorrerem em pontos diferentes ao longo da câmara.
Pense em tentar abrir um frasco de compota torcendo a tampa, mas o centro não se move. Os modelos matemáticos estão em consonância com estas observações, provando que a E. coli impulsiona o movimento através da interação hidrodinâmica.
"É um resultado bem conhecido no nosso campo que a contra-rotação do corpo e do flagelo (cauda) de uma E. coli faz com que nade em círculos no sentido dos ponteiros do relógio perto de uma superfície sólida", explica Grober.
"Percebemos que podíamos inverter esta dinâmica confinando a E. coli num canal microscópico por baixo do disco. Estas experiências utilizam exatamente o mesmo efeito hidrodinâmico para criar, essencialmente, um motor microscópico e sem contacto, que impulsiona a rotação persistente do disco."
Impacto na terapêutica médica e na sustentabilidade?
Esta é uma descoberta importante porque a capacidade das bactérias flageladas para rodar objectos depende do confinamento e é cumulativa e agnóstica em relação à forma do objeto que roda. Essencialmente, este fenómeno deve ser observado sempre que as bactérias se encontram em espaços apertados - uma ocorrência comum na natureza, quer em biofilmes, que são cruciais para a resistência bacteriana, quer nos solos, onde as bactérias desempenham um papel vital na manutenção do equilíbrio do ecossistema. "Apesar da sua importância, este efeito tem sido ignorado até agora", diz Palacci. "Esperamos que esta nova compreensão tenha um impacto significativo na terapêutica médica ou nos esforços de sustentabilidade."
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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