Mitocôndrias e física quântica: uma possível ligação à produção de ATP

Todas as células do corpo funcionam graças a minúsculas centrais de energia.

As mitocôndrias transformam a energia dos alimentos em ATP, a molécula que alimenta quase todas as atividades celulares. Ainda não é claro como conseguem fazê-lo com tanta eficiência.

Agora, investigadores na China consideram que parte da resposta poderá estar na física quântica.

Em experiências com células vivas, tecidos de ratos e mitocôndrias isoladas, a equipa detetou uma vibração invulgar que só surgia enquanto as estruturas mitocondriais permaneciam intactas.

Um modelo associou essa vibração a uma possível interação quântica. Quando os investigadores iluminaram células com determinadas frequências de infravermelhos, estas produziram mais 10% de ATP.

Em conjunto, os resultados sugerem que as mitocôndrias poderão conter um estado quântico capaz de influenciar a produção de energia celular.

O estudo foi publicado no bioRxiv como pré-publicação, o que significa que ainda não foi revisto por pares.

Um sinal invulgar nas mitocôndrias

Bo Song, da Escola de Engenharia Ótica, Eletrotécnica e Informática da Universidade de Ciência e Tecnologia de Xangai, e os seus colegas estudaram uma linha celular humana e tecidos dos rins, fígado, coração e músculos esqueléticos de ratos.

Os investigadores recorreram à espectroscopia de infravermelhos por transformada de Fourier, uma técnica que revela a resposta das amostras a diferentes frequências de luz infravermelha.

As moléculas e as estruturas vibram em frequências características, tal como as estações de rádio em canais distintos. Essas frequências dão pistas sobre o que acontece no interior de uma amostra.

A equipa identificou um sinal invulgar a 71 terahertz, o que significa que oscilava 71 biliões de vezes por segundo.

O sinal estava presente nas células vivas, nos tecidos de rato e nas mitocôndrias isoladas. No entanto, desapareceu depois de as amostras terem sido secas e moídas, um processo que destruiu as suas estruturas organizadas.

«O estado quântico mitocondrial oferece uma boa forma de explicar a frequência desconhecida», disse Song ao ScienceAlert.

Esta interpretação continua a ser uma hipótese e não uma prova direta.

A equipa centrou depois a atenção nas cristas, as membranas internas das mitocôndrias, que apresentam dobras muito compactas. Estas dobras estão repletas de lípidos com ligações carbono-hidrogénio, ou CH2, que vibram naturalmente a cerca de 87 terahertz.

Física quântica e produção de ATP

Mas o que é exatamente «quântico» neste processo?

Os investigadores não estão a propor uma forma misteriosa de energia. O seu modelo sugere que as partículas de luz no interior de uma mitocôndria se acoplam às vibrações coletivas das suas ligações CH2. Juntas, formam um estado híbrido partilhado, chamado polaritão, que combina propriedades da luz e da matéria.

Trata-se de um efeito quântico porque o sistema acoplado é descrito como uma sobreposição de luz e vibração molecular, com níveis de energia distintos e quantizados.

Segundo o modelo, a interação divide a vibração original de 87 terahertz em dois novos níveis: um próximo dos 71 terahertz e outro dos 103 terahertz.

É por isso que estes valores são importantes.

O nível inferior previsto coincide com o misterioso sinal de 71 terahertz detetado nas amostras vivas. O nível superior sobrepor-se-ia às vibrações da água e de outras moléculas biológicas, o que dificultaria a sua identificação.

O comprimento médio das mitocôndrias ativas correspondia ao comprimento de onda da luz de 87 terahertz no seu interior. Assim, as mitocôndrias poderão funcionar como câmaras microscópicas que confinam a luz por breves instantes e permitem esta interação.

Mas terá este estado proposto alguma função útil?

Song sugere uma ligação. A sua frequência sobrepõe-se às vibrações do dióxido de carbono. O CO2 é produzido durante o ciclo do ácido tricarboxílico, ou ciclo TCA, um processo que fornece energia para a produção de ATP.

Num estudo teórico anterior, Song e os seus colegas propuseram que a redução de NAD+ durante este ciclo poderia libertar fotões de 87 terahertz.

«O estado quântico mitocondrial poderá aumentar a eficiência dos ciclos TCA, influenciando a produção de ATP», afirmou.

Este mecanismo ainda não foi demonstrado diretamente.

Para investigar a questão, a equipa expôs células vivas a luz infravermelha média de baixa intensidade durante 10 minutos.

A luz de 71 terahertz correspondia ao sinal invulgar, enquanto a de 87 terahertz correspondia à vibração CH2 que se pensa estar na sua origem.

Ambas produziram resultados semelhantes. A luz de 71 terahertz aumentou a produção de ATP em 10,3%, enquanto a de 87 terahertz a aumentou em 10,1%.

Uma frequência de controlo sem relação com as anteriores não provocou alterações significativas, o que sugere que o resultado dependia da frequência e não apenas da exposição aos infravermelhos.

A equipa interpreta os resultados como indícios de que o estado quântico proposto poderá oferecer uma via energeticamente eficiente para influenciar a produção de ATP.

Os limites dos resultados

Esta interpretação não é definitiva.

Um sinal espectral invulgar não prova a existência de um estado quântico. A existência do polaritão foi inferida através da correspondência entre as observações e um modelo, não tendo sido observada diretamente. É ainda necessário excluir outras explicações.

A experiência com ATP envolveu também uma única linha de células humanas cultivadas, com oito amostras em cada grupo. Não demonstra que o mesmo mecanismo controle o metabolismo em animais completos ou em seres humanos.

O aquecimento é outra preocupação, embora a luz fosse muito fraca e a frequência de controlo não tivesse afetado o ATP.

«A nossa principal limitação é a falta de dados sobre a dinâmica da transferência de energia relacionada com a luz de 87 terahertz», acrescentou Song.

A medição dessa dinâmica poderá esclarecer a relação proposta. Será também necessário que laboratórios independentes reproduzam o sinal e testem diretamente a existência de comportamento quântico.

Para já, os resultados levantam uma possibilidade intrigante: as centrais de energia da célula poderão não funcionar apenas através da química.

Nas profundezas das suas membranas dobradas, as mitocôndrias poderão também tirar partido das estranhas regras da física quântica.

A investigação está disponível no bioRxiv.

Este artigo foi verificado e editado por Fiona MacDonald. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar algum erro, agradecemos que nos informe.