Metabolismo celular economizado mediante design

Imagem gerada por IA (acervo de Lexica.art)

por Fazale Rana

15 de novembro de 2023

Durante meu primeiro ano de faculdade, tive duas aulas de economia: microeconomia e macroeconomia. (A propósito, fui aprovado em ambos os cursos.) Esses cursos foram tão divertidos, que pensei em me formar em economia. Não tenho certeza de qual foi o apelo. Talvez eu estivesse fascinado (e ainda estou) pela ideia de que existem princípios matemáticos que podem dar sentido a sistemas econômicos complexos e que eu poderia aprender a dominar esses princípios. Uma vez descobertos, estes princípios podem ser organizados para prever a forma como os consumidores e as economias responderão às mudanças na oferta e na procura.

Esse mesmo fascínio é uma das razões pelas quais a bioquímica é tão atraente para mim. Tal como as economias, os sistemas químicos das células são incrivelmente complexos. No entanto, apesar da sua complexidade desconcertante, os bioquímicos obtiveram informações importantes sobre a sua estrutura e função. Às vezes, podemos até prever como os sistemas bioquímicos responderão aos estímulos ambientais e celulares internos.

O Desafio de Prever Vias Metabólicas

O conjunto de sistemas bioquímicos chamados coletivamente de metabolismo intermediário é o auge da complexidade bioquímica. (Veja Metabolismo Intermediário.) Embora esses sistemas sejam complexos, cabe aos bioquímicos compreendê-los e serem capazes de prever seu comportamento. Distúrbios nos processos metabólicos causam inúmeras doenças. Por esta razão, as reações metabólicas são frequentemente alvos de medicamentos. Para que o desenvolvimento de medicamentos seja eficiente e bem-sucedido, os bioquímicos precisam saber como prever a resposta das vias metabólicas quando os medicamentos são administrados.

Além disso, biotecnólogos e biólogos sintéticos estão interessados na engenharia de vias metabólicas para que os organismos possam servir como biorreatores que produzem produtos valiosos (medicamentos, vacinas, biocombustíveis, bioplásticos etc.) a partir de materiais iniciais prontamente disponíveis e baratos. Os cientistas agrícolas também trabalham para manipular os processos metabólicos para produzir colheitas e gado que produzam alimentos mais nutritivos, ao mesmo tempo que prosperam sob as mudanças climáticas e ambientais da Terra.

Recentemente, dois biofísicos do Japão fizeram progressos nesse sentido ao aplicarem com sucesso uma equação usada em microeconomia – a equação de Slutsky – a sistemas metabólicos. Esta equação prevê a procura dos consumidores por bens em resposta às mudanças de preços e à renda dos consumidores. Também parece ser capaz de prever respostas metabólicas a alterações nos nutrientes ou à introdução de perturbadores metabólicos, como drogas e toxinas. [1]

O investigador principal da dupla encontrou inspiração para o estudo quando notou semelhanças impressionantes entre diagramas metabólicos e exibições gráficas usadas em economia. Esta semelhança topológica levou-o a questionar se os modelos econômicos poderiam ser utilizados para prever alterações nos sistemas metabólicos quando estes são perturbados por medicamentos ou deliberadamente alterados através de métodos de bioengenharia. [2]

Seu trabalho tem importantes implicações científicas e utilidade crítica em biotecnologia. Também tem implicações filosóficas e teológicas provocativas. Antes de discutir o trabalho dos biofísicos e explorar as implicações de suas descobertas, será útil uma breve introdução sobre o metabolismo intermediário. Os leitores versados em bioquímica podem optar por pular para A Microeconomia Prediz Perturbações Metabólicas.

Metabolismo Intermediário

Não são apenas as economias que partilham pontos em comum com as vias metabólicas, o mesmo acontece com as ruas interligadas das cidades. As reações químicas que compõem o metabolismo intermediário são organizadas como as ruas de uma cidade em rotas ou caminhos compostos por uma série de reações químicas. Essas reações transformam os compostos iniciais em produtos finais por meio de uma sequência de pequenas alterações químicas graduais. Cada etapa de uma rota metabólica é mediada por uma proteína (chamada enzima). Os caminhos podem ser lineares, ramificados ou circulares.

Os componentes químicos que fazem parte de uma sequência metabólica às vezes participam de outras vias. Estes compostos partilhados fazem com que as vias metabólicas sejam interconectadas e interligadas em rede, da mesma forma que as ruas formam cruzamentos quando se juntam. O conjunto de processos metabólicos representa uma teia complexa e reticulada de reações químicas, cada uma catalisada por uma enzima.

A Microeconomia Prevê Perturbações Metabólicas

Os dois biofísicos demonstraram que as operações das economias e as vias do metabolismo são ambas descritas pela equação de Slutsky. A equação tem dois termos: um que reflete o efeito substituição e outro que reflete o efeito renda.

O Efeito Substituição

A ideia por trás do efeito substituição parece simples à primeira vista. Se o preço de um determinado bem (ou serviço) aumentar, os consumidores comprarão menos dele. Se o preço diminuir, os consumidores comprarão mais. Mas pode ser mais complicado do que isso. Às vezes, quando o preço de um bem cai, a demanda do consumidor permanece inalterada. Neste caso, os consumidores têm mais rendimentos e decidem utilizar o seu novo poder de compra para comprar outros bens. Em alguns casos, se o preço cai, o mesmo acontece com a procura de um determinado bem. Nesse caso, o consumidor percebe o item como menos valioso ou de qualidade inferior e adquirirá itens mais caros em seu lugar. Na mesma linha, à medida que o preço aumenta, a procura desse bem pelos consumidores tenderá a aumentar. Nesse cenário, o consumidor percebe o bem como mais valioso ou de maior qualidade.

Os economistas referem-se aos bens que sofrem um aumento na procura quando os preços caem ou uma diminuição na procura quando os preços sobem como bens normais ou comuns. Por outro lado, definem os bens de Giffen (em homenagem ao economista escocês Sir Robert Giffen) como bens que apresentam comportamento oposto. Sua demanda aumenta à medida que o preço aumenta e cai à medida que o preço cai.

O Efeito Renda

O efeito renda refere-se ao impacto que uma mudança na renda tem sobre a demanda por bens. À medida que a renda aumenta, os consumidores ganham poder de compra. À medida que a renda diminui, os consumidores perdem poder de compra. Conforme observado, uma mudança no preço dos bens também altera o poder de compra do consumidor. Por esta razão, os efeitos substituição e rendimento podem funcionar em conjunto ou em oposição um ao outro.

Quando o rendimento de um consumidor muda, também muda a procura que este tem de determinados bens. Tal como acontece com o efeito substituição, a mudança na procura em resposta à mudança no rendimento é complexa. Por exemplo, se o rendimento de um consumidor aumentar, a procura de um determinado bem pode aumentar. Noutros casos, pode permanecer inalterado se o consumidor redirecionar o seu aumento de poder de compra para outro lugar. Ou a procura poderá diminuir se o consumidor decidir utilizar o seu maior poder de compra para substituir a compra desse bem específico por outro de melhor qualidade.

Análogos Bioquímicos ao Preço e à Procura

Utilizando conhecimentos da microeconomia, os biofísicos decidiram tratar a disponibilidade de nutrientes como rendimento e as “inibições” metabólicas (tais como restrições de nutrientes ou exposições a medicamentos ou toxinas) como preço. Utilizando a equação de Slutsky como ponto de partida, modificaram-na para corresponder aos sistemas metabólicos, nos quais a mudança na procura de um bem se torna uma medida da resposta metabólica.

Não é surpreendente que tenham descoberto que muitos sistemas metabólicos se comportavam como esperado, aumentando o seu fluxo quando mais nutrientes se tornavam disponíveis e diminuindo o seu rendimento quando prevaleciam as inibições metabólicas. Eles também descobriram cenários em que a produção metabólica se comportava de forma contraintuitiva. Por exemplo, para certas células cancerígenas, a taxa de respiração metabólica aumenta quando expostas a medicamentos anticancerígenos específicos (que são análogos a um aumento de preço). Ou seja, a alteração metabólica (mudança na demanda) da célula cancerosa corresponde a um bem de Giffen.

Os investigadores também demonstraram que, utilizando as suas equações, as alterações na produção metabólica podem ser previstas simplesmente medindo o fluxo de um sistema metabólico sob diferentes condições nutricionais, ou quando exposto a drogas ou toxinas. Estas previsões podem ser feitas mesmo que nada se saiba sobre os sistemas metabólicos. Em outras palavras, estes pesquisadores descobriram uma relação fundamental que se aplica a todos os sistemas metabólicos. Notavelmente, é a mesma relação encontrada na microeconomia, tornando-a uma lei universal.

Esta visão dos investigadores japoneses tem utilidade prática para o desenvolvimento de medicamentos e a criação de biotecnologias. Também nos dá uma melhor compreensão dos sistemas metabólicos e, portanto, da química da vida. Ainda mais importantes são as interessantes implicações filosóficas – talvez até teológicas – que este avanço científico acarreta.

A Inteligibilidade da Natureza

É notável que uma equação única e conceitualmente simples descreva universalmente o comportamento dos sistemas metabólicos e a resposta do consumidor – ambos os quais, à primeira vista, parecem ser intratáveis. Compreender os sistemas metabólicos com uma única equação universalmente aplicável é um princípio que não permanece isolado. É endêmico ao empreendimento científico. Abundam as leis matemáticas que descrevem habilmente os fenômenos em nosso mundo, tornando a natureza inteligível para nós. Esse recurso é um dos aspectos mais intrigantes do nosso universo. A inteligibilidade da natureza é surpreendente.

Durante a maior parte da história da ciência, a descoberta e exploração da natureza matemática do universo esteve confinada à física e, em menor grau, à química. Devido à complexidade e diversidade dos sistemas bioquímicos, muitas pessoas que trabalham nas ciências da vida têm se perguntado se existem regras matemáticas simples na bioquímica e se algum dia poderiam ser descobertas. Esta descoberta de uma regra simples que prevê o comportamento dos sistemas metabólicos sugere que as relações matemáticas, de fato, descrevem e governam os fenômenos bioquímicos.

Um universo governado por relações matemáticas sugere que uma lógica profunda e subjacente sustenta a natureza, o que é precisamente o que eu esperaria se uma Mente estivesse por trás do universo. Em outras palavras, se um Criador fosse responsável pelo universo, como cristão eu esperaria que as relações matemáticas definissem a estrutura e a função do universo. Da mesma forma, se a origem e o design dos sistemas vivos se originassem de um Criador, faria sentido que os sistemas bioquímicos possuíssem também uma estrutura matemática subjacente – embora possa ser difícil para nós discernir estas relações devido à complexidade dos sistemas.

Ainda mais surpreendente é a nossa capacidade, como seres humanos, de dar sentido ao mundo que nos rodeia e depois usar essa compreensão para desenvolver tecnologia e exercer algum controle sobre a natureza. A nossa capacidade de compreender a natureza com precisão matemática é o que esperaríamos se os seres humanos tivessem sido feitos à imagem de Deus (como descrevem as Escrituras), com a capacidade de discernir a obra de Deus no mundo que nos rodeia.

Mas e se os humanos fossem remendados por processos evolutivos? Por que esperaríamos que os seres humanos fossem capazes de dar sentido ao mundo que nos rodeia? Aliás, por que esperaríamos que o universo – incluindo o domínio biológico – aderisse a relações matemáticas?

Em outras palavras, a base matemática da natureza enquadra-se melhor numa concepção teísta da realidade do que numa concepção enraizada no materialismo. E para esse fim, a descoberta dos dois investigadores aponta para o papel de Deus na origem e no design da vida.

Existe um Princípio Antrópico Bioquímico?

Os cientistas japoneses acreditam que a descoberta de uma equação matemática universal que descreve o comportamento das vias metabólicas pode vir a ser a regra e não a exceção. Os dois investigadores estão a embarcar num projeto para determinar se podem ser encontradas outras leis universais que descrevam os sistemas vivos. [3]

A sua descoberta também implica que os sistemas metabólicos não surgiram através do desenrolar aleatório da história evolutiva. Dado que uma lei universal rege o funcionamento dos sistemas metabólicos, a estrutura destes sistemas parece ser fundamentalmente ditada e restringida pelas leis da natureza. Por outras palavras, o comportamento dos sistemas metabólicos parece ser inevitável num universo como o nosso.

É estranho pensar que o universo parece estar estruturado da forma correta para que os sistemas metabólicos – fundamentais para a vida – se comportem de forma previsível. Se o universo fosse de outra forma, talvez não fosse esse o caso.

Uma forma de interpretar esta “coincidência” é vê-la como evidência de que o nosso universo foi concebido para um propósito (o princípio antrópico). E o propósito deve vir de uma Mente – ou seja, de Deus.

E você pode levar essa conclusão ao banco.

Recursos para Exploração Adicional

• The Cell's Design (Reasons to Believe): How Chemistry Reveals the Creator's Artistry {O design da célula: como a química revela a arte do criador}, de Fazale Rana (livro)
• Fit for a Purpose: Does the Anthropic Principle Include Biochemistry? {Adequado para um propósito: o princípio antrópico inclui bioquímica?} por Fazale Rana (livro)

    

O Design Ideal do Metabolismo

• “Metabolismo: Uma Cascata de Design” por Fazale Rana (artigo)
• “O Design Ideal do Metabolismo” por Fazale Rana (artigo)
• “Tornando a defesa do design inteligente mais robusta” por Fazale Rana (artigo)

A Origem do Metabolismo e o Princípio Antrópico

• “A origem do ciclo de Krebs traz um círculo completo para a criação” por Fazale Rana (artigo)
• “Evidência de que o metabolismo da célula é planejado” por Fazale Rana (artigo)

Leis Biológicas e a Inteligibilidade da Natureza

• “Regras Biológicas Simples Afirmam a Criação” por Fazale Rana (artigo)

Notas de Fim

1. Jumpei F. Yamagishi e Tetsuhiro S. Hatakeyama, “Linear Response Theory of Evolved Metabolic Systems”, Physical Review Letters 131, n.º 2 (14 de julho de 2023): 028401, doi:10.1103/PhysRevLett.131.028401. 
2. University of Tokyo, “The Economic Life of Cells”, ScienceDaily, 13 de julho de 2023.
3. University of Tokyo, “The Economic Life of Cells.”

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Traduzido de Cell’s Metabolism Economized for Design

Etiquetas:

química da vida - fisiologia humana