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Um estudo conjunto da Universidade de Michigan e Harvard revela que o fluxo de água nas fibras musculares determina a velocidade de contração e introduz uma “elasticidade estranha”, o que pode revolucionar o design de materiais bioinspirados e músculos artificiais.
Pesquisadores da Universidade de Michigan descobriram que o fluxo de água dentro das fibras musculares influencia muito suas taxas de contração, desafiando a compreensão tradicional da mecânica muscular e potencialmente melhorando o design dos músculos artificiais.
De acordo com um estudo da Universidade de Michigan, a velocidade com que as fibras musculares se contraem pode ser determinada pelo fluxo de água dentro delas.
Quase todos os animais usam músculos para se mover, e há muito tempo se sabe que os músculos, como todas as outras células, são compostos de cerca de 70% de água. Mas os pesquisadores não sabem o que define o alcance e os limites superiores do desempenho muscular. Pesquisas anteriores sobre como os músculos funcionam se concentraram apenas em como eles funcionavam em um nível molecular, em vez de como as fibras musculares são moldadas, que elas são tridimensionais e estão cheias de fluido.
O físico da UM Suraj Shankar, juntamente com L. Mahadevan, professor de física na Universidade Harvard, criaram um modelo teórico do papel da água na contração muscular e descobriram que a maneira como o fluido se move através de uma fibra muscular determina a rapidez com que ela pode se contrair.
Eles também descobriram que o músculo exibe um novo tipo de elasticidade chamado elasticidade ímpar, que permite que o músculo gere energia usando deformações tridimensionais, demonstradas em uma observação comum de que quando uma fibra muscular se contrai longitudinalmente, ela também se projeta perpendicularmente.
Implicações e aplicações mais amplas
Os pesquisadores dizem que essa estrutura pode ser usada para descrever muitas outras células e tecidos, que também são amplamente compostos de água, e podem ser aplicados aos movimentos ultrarrápidos de microrganismos unicelulares e como eles podem ser controlados. Suas descobertas também podem impactar o design de atuadores suaves (um tipo de material que converte energia em movimento), músculos artificiais rápidos e materiais de metamorfose, todos os quais têm velocidades de contração muito lentas porque são acionados externamente. Seus resultados são publicados no periódico Física da Natureza.
“Nossos resultados sugerem que até mesmo questões básicas como quão rápido um músculo pode se contrair ou de quantas maneiras um músculo pode gerar energia têm respostas novas e inesperadas quando se adota uma visão mais integrada e holística do músculo como um material complexo e hierarquicamente organizado, em vez de apenas um saco de moléculas”, disse Shankar. “O músculo é mais do que a soma de suas partes.”
Os pesquisadores imaginam cada fibra muscular como uma esponja ativa autocompressiva, um material esponjoso cheio de água que pode se contrair e se comprimir por meio da ação de motores moleculares, diz ele.
O papel dos fluxos de fluidos na contração muscular
“As fibras musculares são compostas de muitos componentes, como várias proteínas, núcleos celulares, organelas como mitocôndrias e motores moleculares como miosina, que convertem combustível químico em movimento e impulsionam a contração muscular”, disse Shankar. “Todos esses componentes formam uma rede porosa que é banhada em água. Então, uma descrição apropriada e de granulação grossa para o músculo é a de uma esponja ativa.”
Mas o processo de compressão leva tempo para movimentar a água, então os pesquisadores suspeitaram que esse movimento da água através da fibra muscular estabelece um limite superior para a rapidez com que uma fibra muscular pode se contrair.
Para testar sua teoria, eles modelaram movimentos musculares em vários organismos entre mamíferos, insetos, pássaros, peixes e répteis, focando em animais que usam músculos para movimentos muito rápidos. Eles descobriram que músculos que produzem som, como o chocalho na cauda de uma cascavel, que podem se contrair de dez a centenas de vezes por segundo, normalmente não dependem de fluxos de fluidos. Em vez disso, essas contrações são controladas pelo sistema nervoso e são mais fortemente ditadas por propriedades moleculares, ou o tempo que leva para os motores moleculares dentro das células se ligarem e gerarem forças.
Mas em organismos menores, como insetos voadores que batem suas asas algumas centenas a milhares de vezes por segundo, essas contrações são rápidas demais para os neurônios controlarem diretamente. Aqui, os fluxos de fluidos são mais importantes.
“Nesses casos, descobrimos que os fluxos de fluidos dentro da fibra muscular são importantes e nosso mecanismo de hidráulica ativa provavelmente limita as taxas mais rápidas de contração”, disse Shankar. “Alguns insetos, como mosquitos, parecem estar próximos do nosso limite teoricamente previsto, mas testes experimentais diretos são necessários para verificar e desafiar nossas previsões.”
Os pesquisadores também descobriram que quando as fibras musculares agem como uma esponja ativa, o processo também faz com que os músculos ajam como um motor elástico ativo. Quando algo é elástico, como um elástico, ele armazena energia enquanto tenta resistir à deformação. Imagine segurar um elástico entre dois dedos e puxá-lo para trás. Quando você solta o elástico, o elástico também libera a energia armazenada quando está sendo esticado. Nesse caso, a energia é conservada — uma lei básica da física que determina que a quantidade de energia dentro de um sistema fechado deve permanecer a mesma ao longo do tempo.
Mas quando o músculo converte combustível químico em trabalho mecânico, ele pode produzir energia como um motor, violando a lei da conservação de energia. Neste caso, o músculo mostra uma nova propriedade chamada “elasticidade ímpar”, onde sua resposta quando esmagado em uma direção versus outra não é mútua. Ao contrário do elástico, quando o músculo se contrai e relaxa ao longo de seu comprimento, ele também se projeta perpendicularmente, e sua energia não permanece a mesma. Isso permite que as fibras musculares gerem energia a partir de deformações repetitivas, comportando-se como um motor suave.
“Esses resultados contrastam com o pensamento predominante, que foca em detalhes moleculares e negligencia o fato de que os músculos são longos e filamentosos, são hidratados e têm processos em múltiplas escalas”, disse Shankar. “Todos juntos, nossos resultados sugerem que uma visão revisada de como as funções musculares são essenciais para entender sua fisiologia. Isso também é crucial para entender as origens, extensão e limites que fundamentam as diversas formas de movimento animal.”
Referência: “Hidráulica ativa e elasticidade ímpar das fibras musculares” por Suraj Shankar e L. Mahadevan, 8 de julho de 2024, Física da Natureza.
DOI: 10.1038/s41567-024-02540-x