Quiralidade: tesselações sphinx revelam padrões na biologia

Da hélice de uma cadeia de ADN à disposição dos blocos constituintes das proteínas, as torções e espirais da bioquímica seguem muitas vezes uma orientação, surpreendentemente consistente, de esquerda ou direita conhecida como quiralidade.

Um estudo recente sobre as tesselações de uma figura simples baseada em triângulos poderá ajudar a perceber melhor porque é que a biologia privilegia uma orientação em detrimento da outra.

Realizada por uma pequena equipa de investigadores dos Estados Unidos e da Alemanha, a investigação revela que a conjugação entre geometria e física elementar poderá estar na origem de alguns dos padrões mais intrigantes da vida.

«O Universo não deveria favorecer uma lateralidade em relação à outra, mas, a diferentes escalas, surgem preferências quirais», afirma Greg Huber, biofísico do Chan Zuckerberg Biohub. «A quiralidade pode ser muito misteriosa.»

Quiralidade em moléculas e minerais

Tal como acontece com as nossas duas mãos, quando colocadas com as palmas para cima, a imagem espelhada de moléculas quirais não pode sobrepor-se na perfeição, independentemente da forma como seja rodada. Por isso, apesar de moléculas canhotas e destras parecerem quase iguais, podem ter efeitos radicalmente distintos no mundo real. A utilização da versão invertida de uma molécula num medicamento, por exemplo, pode causar mais danos do que benefícios.

A orientação não é uma característica exclusiva das moléculas orgânicas. Os minerais também podem ser quirais quando se organizam em sistemas biológicos. A concha espiralada de carbonato de cálcio de um caracol e os minerais presentes nos nossos ossos são apenas dois exemplos.

No entanto, o modo como estes minerais se formam, átomo a átomo, em estruturas cristalinas quirais é mais uma das curiosidades da quiralidade.

Tesselações sphinx e padrões quirais

Para compreender melhor a emergência da quiralidade, sobretudo no espaço congestionado de um sistema biológico, Huber e os colegas recorreram à forma quiral bidimensional mais básica criada a partir de uma série de triângulos: uma figura assimétrica apelidada de sphinx.

A equipa de Huber usou modelos computacionais para testar a orientação esquerda e direita dos alinhamentos de peças sphinx, criando tesselações com diferentes quantidades e orientações. Conforme os investigadores explicam no artigo, pretendiam «explorar a mecânica estatística de, e revelar a natureza quiral inerente a, conjuntos de peças quirais densamente empacotadas sujeitas a limites espaciais finitos».

Por serem assimétricas, as peças sphinx podem encaixar de muitas formas distintas, ao contrário de uma figura tão simples como um quadrado. Por exemplo, apenas duas peças sphinx podem ser combinadas de mais de 45 formas diferentes para formar um par, enquanto dois quadrados só podem ser unidos de uma forma.

À medida que aumenta o número de sphinxes num padrão, as suas combinações crescem de modo superexponencial, oferecendo aos investigadores um sistema amplo e teoricamente aleatório para estudar.

Temperatura, fronteiras e agrupamento

Huber e os colegas modelaram as interações entre sphinxes quirais em condições de energia elevada e reduzida, equivalentes à temperatura. Em sistemas de alta temperatura, as sphinxes quirais quase não tinham oportunidade de interagir, pois agitavam-se até se posicionarem e acabavam por criar um padrão desordenado.

Com a descida da temperatura, as interações tornaram-se mais organizadas, e as sphinxes com a mesma quiralidade agruparam-se para formar os conjuntos visíveis no diagrama acima.

Contudo, de forma surpreendente, nos sistemas de alta temperatura limitados por uma fronteira exterior simétrica - como se estivessem numa sala cheia - as sphinxes com a mesma quiralidade também tendiam a agrupar-se, tal como mostra o diagrama abaixo.

Mesmo num modelo de quiralidade tão básico e simplificado, a modelação demonstra que podem nascer padrões a partir do caos e que moléculas semelhantes parecem aproximar-se de outras semelhantes.

A descoberta de regras subjacentes a estes padrões geométricos poderá ajudar investigadores de muitas áreas científicas, permitindo possivelmente compreender a estrutura dos revestimentos exteriores dos vírus ou a forma como o magnetismo poderá ter desencadeado uma reação em cadeia que acabou por dar à vida a sua assimetria molecular.

Esta investigação foi publicada na Physical Review Research.