Pesquisadores observam efeito da temperatura em processos evolutivos oscilatórios

Grupo da USP de São Carlos constata como o aumento de temperatura influencia o acoplamento entre escalas diferentes em uma reação eletroquímica

Elton Alisson  |  Agência FAPESP – Na maioria dos sistemas naturais, como o cérebro, é possível observar fenômenos oscilatórios que envolvem múltiplas escalas de tempo acopladas, como as ondas cerebrais, que ocorrem em ritmos e frequências diferentes. 

Em geral, esses ritmos biológicos apresentam uma mudança lenta espontânea dos padrões oscilatórios.

Um grupo de pesquisadores do Instituto de Química da Universidade de São Paulo em São Carlos (IQSC-USP) já havia descrito, em 2010, a existência de um lento processo evolutivo que distorce as oscilações rápidas e culmina na morte das oscilações de um sistema. Agora, o mesmo grupo identificou o efeito exercido pela temperatura sobre esse fenômeno de acoplamento entre escalas de tempo diferentes.

Resultado de um Projeto Temático realizado no âmbito do Programa de Pesquisa em Bioenergia (BIOEN), e de uma pesquisa de doutorado, realizada com Bolsa da FAPESP, o estudo foi publicado na revista Scientific Reports, do grupo Nature.

“Nossas descobertas possibilitam aumentar a compreensão sobre diversos processos que acontecem em escala de tempo acoplada”, disse Hamilton Varela, professor do IQSC-USP e um dos autores do estudo, à Agência FAPESP.

Os pesquisadores usaram a reação de eletro-oxidação de ácido fórmico em platina como modelo para estudar o efeito da temperatura sobre a dinâmica lenta e rápida acopladas.

O sistema, composto por um frasco de vidro com um eletrodo de platina de 0,2 centímetro quadrado (cm2), mergulhado em uma solução de ácido sulfúrico diluído em água e um pouco de ácido fórmico, funciona como uma célula eletroquímica – em que a eletricidade controla reações químicas.

A eletricidade aplicada no eletrodo desencadeia uma reação eletroquímica em que o ácido fórmico – cujas moléculas contêm um único átomo de carbono, dois de oxigênio e dois de hidrogênio (HCOOH) –, se liga temporariamente à platina e, depois de alguns passos intermediários, libera gás carbônico (CO2), que reveste o eletrodo de platina.

Essa reação eletroquímica é considerada um ótimo modelo para estudar aspectos fundamentais da eletrocatatálise de moléculas orgânicas pequenas que são de interesse para o desenvolvimento de sistemas de conversão de energia, como células de combustíveis a baixa temperatura – que convertem energia química em energia elétrica e são utilizadas, por exemplo, na propulsão de veículos.

Além disso, também é tida como um bom modelo para estudar a dinâmica lenta e rápida acopladas porque oscila de forma autônoma com o passar do tempo como um sistema vivo, explicou Alana Zülke, uma das autoras do artigo, que realizou doutorado com Bolsa da FAPESP sob orientação de Varela. 

"O interessante é que conseguimos observar em laboratório, em um ambiente não-biológico, um aspecto comum em organismos vivos com termoregulação [regulação de temperatura]. E, fazendo uso de sistemas eletroquímicos simples obtivemos pistas interessantes sobre o funcionamento de sistemas complexos e dos mecanismos envolvidos na compensão de temperatura", afirmou Zülke. 

Efeito da temperatura

O grupo de pesquisadores do IQSC-USP já havia descoberto, em 2009, que essa reação eletroquímica apresenta um comportamento de compensação de temperatura externa também observado em sistemas vivos.

Ao contrário do que ocorre comumente em outras reações, em que ao aumentar a temperatura em 10 ºC a velocidade da reação é multiplicada por um fator entre 2 e 4, isso não ocorre na eletro-oxidação de ácido fórmico em platina.

As etapas intermediárias da reação do ácido fórmico com a platina se acoplam de tal forma que a frequência das oscilações permanece constante quando a temperatura aumenta, disse Varela.

“Esse comportamento é semelhante ao observado em sistemas vivos, como animais de sangue quente, como mamíferos e aves, nos quais os batimentos cardíacos e os ritmos cerebrais se mantêm mais ou menos constantes quando a temperatura ambiente varia dentro de uma determinada faixa porque as redes bioquímicas associadas a esses processos passam a operar de forma a compensar essa variação de temperatura.”, explicou. “Isso foi importantíssimo para a evolução”, avaliou o pesquisador.

Não se sabia, contudo, qual a razão pela qual a reação de eletro-oxidação de ácido fórmico em platina apresenta essa particularidade de compensação da temperatura.

Ao variar a temperatura aplicada na célula eletroquímica em cinco níveis – entre 5 e 45 ºC – medir a frequência das oscilações em cada um desses níveis de temperatura e compará-los, os pesquisadores observaram que ao aumentar a temperatura de 5 para 25 ºC a frequência das oscilações diminui.

Já ao aumentar a temperatura de 25 para 45 ºC, a frequência da oscilação é prolongada. “Observamos completamente por acaso que, a 25 ºC, há uma quebra na frequência de oscilações”, afirmou Varela.

Por meio dessa quebra na frequência de oscilações – que os pesquisadores nomearam como ponto de viragem –, eles conseguiram analisar etapas da reação relacionadas com evoluções rápidas e lentas e identificar uma delas que pode estar relacionada com o comportamento de compensação de temperatura.

“Conseguimos interpretar a dinâmica do processo lento em comparação com o mais rápido e isolar uma etapa que pode estar envolvida com a compensação de temperatura, que é algo muito difícil em uma rede de reações”, disse Varela.

“Pela primeira vez, conseguimos sugerir uma forma de estudar o acoplamento entre escalas diferentes, que pode ser aplicada a outros sistemas para descobrir a dependência de temperaturas em redes químicas complexas”, avaliou.

O artigo “The effect of temperature on the coupled slow and fast dynamics of an electrochemical oscillator” (doi: 10.1038/srep24553), de Zülke e Varela, pode ser lido na revista Scientific Reports em www.nature.com/articles/srep24553.