Novas Perspectivas sobre Nemáticos Ativos e Comportamento das Células

Células são as partes básicas dos seres vivos, e elas vêm em várias formas e tamanhos. Cada forma tem trabalhos e comportamentos específicos. Entender as regras por trás dessas formas não é fácil. Neste estudo, criamos novos blocos de construção que imitam estruturas biológicas. Fazemos isso envolvendo gotículas elipsoidais preenchidas com um cristal líquido especial em um gel à base de proteínas que age como a estrutura interna da célula. Isso nos dá estruturas com um núcleo e uma casca.

Usando a textura e a forma únicas do cristal líquido, conseguimos controlar como o material ativo se comporta. Encontramos novos estados onde os defeitos nesse material mudam seus movimentos com o tempo, alternando entre girar e se mover em linha reta. Nossas simulações mostram que o movimento desse material é muito influenciado pela forma da gotícula e forças externas, o que nos ajuda a entender melhor os processos biológicos e pode levar a novos designs para máquinas minúsculas inspiradas na natureza.

#Contexto

Nematices ativos são materiais compostos por unidades alongadas que se movem sozinhas. Esses materiais ajudam a aprender sobre diferentes ações biológicas, incluindo como fibras mudam durante o desenvolvimento e como grupos de bactérias se movem juntos. Usando a estrutura desenvolvida para cristais líquidos, podemos aplicá-la a sistemas biológicos.

Defeitos nemáticos são pontos onde a ordem usual é interrompida. Esses defeitos são importantes para como as células funcionam individualmente e em grupos. No entanto, ainda não sabemos exatamente como esses defeitos interagem com o ambiente para criar resultados específicos. Em configurações de laboratório, os nematices ativos fornecem um bom modelo para estudar essas interações. Forças como fricção, textura da superfície e confinamento podem ser usadas para controlar os movimentos dos defeitos e os padrões de fluxo no material, oferecendo novas perspectivas para projetar máquinas inspiradas em sistemas biológicos. No entanto, estudar os efeitos de superfícies curvas sobre os defeitos não tem sido feito muito devido às dificuldades em criar experimentos controlados.

Em estudos anteriores, pesquisadores analisaram como uma superfície curva constante influenciou um tipo de nemático ativo feito de Microtúbulos e motores de quinesina. Esses motores ajudam a mover feixes de fibras, criando um campo bidimensional. Quando esses materiais foram colocados em uma superfície esférica, os defeitos se comportaram de forma caótica. No entanto, ao limitar o nemático ativo a uma superfície esférica, os pesquisadores conseguiram criar um estado dinâmico mais ordenado, com defeitos se movendo de forma previsível. Estudos preveem que, sob alta atividade, novos padrões de fluxo, como vórtices e bandas rotativas, podem aparecer.

Quando um gradiente de curvatura é introduzido, ele pode levar a movimentos ainda mais complexos. Em superfícies com curvatura desigual, os defeitos tendem a se mover em direção a áreas com curvatura semelhante ou podem até se separar sob certas condições. Esses comportamentos podem mudar muito como o sistema ativo se move. Por exemplo, com uma gotícula alongada, a curvatura pode fazer os defeitos se reunirem nos polos e criarem movimentos rotativos. Experimentos anteriores em gotículas toroidais mostraram esses efeitos, mas o tamanho das gotículas era maior do que a distância típica entre os defeitos. Como resultado, o grande número de defeitos gerou movimentos caóticos, e padrões ordenados não foram observados.

Neste estudo, usamos as propriedades dos cristais líquidos para criar gotículas elipsoidais do tamanho certo para estudar nemáticos ativos. Colocando essas gotículas em um banho ativo de microtúbulos e motores de quinesina, conseguimos estabilizar uma camada ativa na superfície da gotícula. Nessa configuração, observamos dois novos estados dinâmicos que têm movimentos distintos controlados pela oscilação de pares de defeitos topológicos.

#Construindo Nematices Ativos

#Criando Gotículas Elipsoidais Smecticas

Nossos nemáticos ativos são feitos de gotículas alongadas de um cristal líquido chamado octilo-cianobifenil (8CB) revestidas com feixes de microtúbulos movidos por motores de quinesina. Para criar essas gotículas, usamos um processo especial que faz emulsões duplas de água e 8CB se romperem quando aquecidas, formando formas elipsoidais.

As gotículas precisam ser formadas quando o 8CB está em uma fase específica. Quando a temperatura é reduzida, ocorre uma transição, e as emulsões duplas se desintegram em gotículas elipsoidais. Normalmente, gotículas formadas dessa maneira seriam esféricas, mas a forma como o líquido é estruturado antes da formação da gotícula faz com que elas adquiram essa forma incomum.

As gotículas elipsoidais resultantes não são estáveis por muito tempo e se transformarão em esferas após cerca de 48 horas, mas permanecem estáveis para nossos experimentos. Para o nosso estudo, focamos em gotículas com tamanhos específicos, que nos permitem observar as propriedades do nemático ativo. Sob diferentes tipos de iluminação, essas gotículas revelam uma estrutura com certas linhas mostrando como o líquido é organizado, indicando onde a direção do fluxo muda.

#Adicionando Material Ativo às Gotículas

Para criar o nemático ativo, misturamos nossas gotículas elipsoidais em um gel ativo feito de microtúbulos e motores de quinesina. Esse gel ajuda a unir e mover os microtúbulos, e, ao contrário dos métodos anteriores, o gel ativo envolve as gotículas em vez de estar contido dentro delas. Os microtúbulos gradualmente se acumulam na interface das gotículas, formando a camada ativa.

Quando o gel ativo é misturado em um tubo capilar de vidro, isso nos permite observar como as gotículas se comportam. Uma fonte constante de energia é fornecida para manter os motores funcionando, permitindo um movimento contínuo. Após alguns minutos de mistura, conseguimos ver os microtúbulos se formando ao redor da superfície das gotículas.

Com o passar do tempo, o material ativo se acumula na superfície, levando a texturas e fluxos organizados. Dois estados principais aparecem: o estado quadrupolar e o estado dipolar final, cada um com padrões e fluxos distintos.

#Estados Dinâmicos

#Estado Quadrupolar

Após as primeiras duas horas do experimento, o material ativo se acumulou o suficiente para criar um estado dinâmico organizado. O sistema mostra uma clara alternância entre padrões de movimento. Os defeitos nesse estado regularmente vão e vêm entre um padrão de rotação e um em que se movem ao longo da superfície.

No estado rotacional, pares de defeitos ocupam os polos da gotícula enquanto bandas de outros defeitos aparecem ao redor do equador. Os defeitos nos polos se movem em trajetórias circulares enquanto permanecem afastados devido às forças elásticas que atuam sobre eles. O padrão visto se alinha com a estrutura do cristal líquido, mostrando uma simetria semelhante a um espelho.

No entanto, como esses nemáticos ativos são propensos a instabilidades, isso pode levar a mudanças em como os defeitos se comportam. Durante essa fase, os defeitos podem se mover de polo a polo, criando novos padrões de fluxo. A dinâmica se repete com o tempo, mostrando comportamentos periódicos à medida que o material ativo continua a se acumular.

#Estado Dipolar

Conforme o experimento avança, a quantidade de material ativo na gotícula se estabiliza e as dinâmicas mudam para um estado dipolar final. Nesse estado, apenas dois pares de defeitos se movem, e seu comportamento é menos caótico do que antes. A principal diferença nesse estado é como os defeitos nos polos agora giram em direções opostas, criando um padrão dipolar.

À medida que os defeitos alternam entre girar e se mover em linha reta, a configuração mantém uma estrutura mais organizada, sem a necessidade de uma faixa equatorial de defeitos. Esse estado final permanece estável devido ao aumento da rigidez do material ativo. Os defeitos se reúnem principalmente nos polos, confirmando previsões anteriores sobre onde os defeitos provavelmente seriam encontrados com base na forma da gotícula.

#Entendendo os Movimentos dos Defeitos

#Acoplamento de Curvatura e Forças

O estado final observado nos experimentos é apoiado por simulações que exploram como a curvatura afeta os movimentos dos defeitos. Na ausência de forças ativas, os defeitos formam pares nos polos para minimizar a energia. Quando a atividade aumenta, os defeitos começam a se comportar de forma caótica, se movendo em direção aos polos e mostrando padrões de fluxo organizados.

As simulações revelam ainda que os defeitos preferem ficar perto de áreas onde a curvatura é maior. À medida que os defeitos se movem, eles mudam de direção, mas mantêm um senso de rotação e podem levar a diferentes tipos de movimentos com base na interação com a superfície da gotícula.

#Papel da Fricção

A presença de fricção também desempenha um papel significativo em como os defeitos se comportam. Ao adicionar uma força de amortecimento nas simulações, podemos ver como a fricção pode estabilizar o material e ajudar a prevenir padrões de fluxo caóticos. Em cenários onde a fricção é desigual, vemos a formação de faixas organizadas de fluxo, indicando como as forças de fricção podem guiar o comportamento dos nemáticos ativos.

#Conclusão

Este estudo mostra que usar nemáticos ativos elipsoidais pode nos ajudar a entender processos biológicos complexos. A interação entre a dinâmica dos defeitos e a curvatura, junto com os efeitos da fricção, resulta em comportamentos interessantes nesses sistemas. Controlando esses fatores, podemos criar padrões dinâmicos organizados que se assemelham aos vistos em sistemas biológicos, potencialmente ajudando no design de máquinas minúsculas que imitam a natureza.

Continuando a explorar esses materiais, podemos descobrir insights mais profundos sobre como as células funcionam e como aproveitar esses princípios em aplicações práticas. As descobertas têm o potencial de inspirar novos métodos para criar materiais avançados e tecnologias baseadas nos princípios dos sistemas vivos.