Matéria viva quebra regras clássicas de simetria física no movimento coletivo, revela estudo

Uma equipe de pesquisa liderada por cientistas da Ben-Gurion University of the Negev revelou que a matéria viva viola sistematicamente os princípios clássicos de simetria física ao formar e dissolver padrões de movimento coletivo, de acordo com um estudo publicado no periódico Nature Physics. As descobertas desafiam os modelos físicos tradicionais emprestados de cristais líquidos passivos e da teoria da matéria mole, que há muito tempo vêm sendo usados para aproximar a forma como grupos de células vivas se movem. Ao estudar sistemas que vão desde bactérias em enxame até camadas de células teciduais, os pesquisadores demonstraram que unidades biológicas consumidoras de energia geram fluxos fora do equilíbrio que quebram simetrias espaciais e temporais fundamentais. A descoberta fornece um arcabouço mais claro para compreender como o tecido biológico se auto-organiza durante processos de desenvolvimento, cicatrização de feridas e progressão de doenças.

## Principais fatos - Pesquisadores liderados pela Ben-Gurion University of the Negev publicaram suas descobertas na Nature Physics em 22 de setembro de 2026. - O estudo demonstra que a matéria ativa viva viola as leis padrão de simetria física que regem materiais moles não vivos. - Experimentos analisaram o movimento coletivo em múltiplos sistemas biológicos, incluindo colônias bacterianas em enxame e camadas de células teciduais de mamíferos. - Modelos físicos clássicos baseados na teoria dos cristais líquidos passivos falharam em prever como os fluxos biológicos se formam, se organizam e se desintegram. - A pesquisa estabelece que o consumo de energia em microescala pelas células gera tensões ativas fora do equilíbrio que quebram a simetria de inversão temporal e simetrias espaciais.

## O que aconteceu Na ciência física, materiais passivos como água, polímeros simples e cristais líquidos não vivos seguem princípios de simetria bem documentados, fundamentados na termodinâmica e na mecânica estatística. Quando os cristais líquidos passivos transitam entre estados estruturados e desordenados, suas moléculas constituintes se alinham de acordo com princípios de minimização de energia, mantendo a paridade espacial e trajetórias reversíveis sob inversão temporal.

No entanto, a equipe de pesquisa da Ben-Gurion University of the Negev (BGU) observou que as células vivas se comportam de maneira fundamentalmente diferente ao se organizarem em fluxos coletivos. Entidades vivas consomem energia química — tipicamente armazenada como trifosfato de adenosina (ATP) em células eucarióticas ou gerada por processos metabólicos em bactérias — para se autopropulsionarem e exercerem forças sobre células vizinhas e sobre a matriz extracelular ao seu redor. Essa dissipação contínua de energia interna coloca a matéria viva longe do equilíbrio termodinâmico.

Os pesquisadores da BGU rastrearam o surgimento e o declínio do movimento celular coletivo em múltiplas configurações experimentais, analisando tanto enxames de alta densidade de bactérias móveis quanto camadas confluentes de células teciduais epiteliais. Nos modelos clássicos de cristais líquidos, defeitos topológicos — pontos onde a ordem direcional se quebra — formam-se e se aniquilam em pares simétricos e previsíveis. O estudo revelou que, na matéria ativa viva, a formação e a desintegração desses padrões de fluxo coletivo não obedecem a essas regras tradicionais.

Em vez disso, a criação e a aniquilação de defeitos topológicos em tecidos vivos e enxames bacterianos exibem fortes viéses direcionais e dinâmicas irreversíveis. À medida que os fluxos celulares geram turbulência espontaneamente ou colapsam em fluxos ordenados, os padrões espaciais observados durante a formação do padrão não espelham aqueles vistos durante sua desintegração. Essa assimetria estrutural viola as relações de reciprocidade clássicas de Onsager e a simetria de inversão temporal, provando que modelos físicos passivos não podem descrever adequadamente as transições de fase e as dinâmicas de fluxo de coletivos celulares vivos.

## Por que isso importa Compreender as leis físicas que regem a matéria viva tem implicações diretas na biofísica, biologia do desenvolvimento, ciência dos materiais e oncologia. Por décadas, os biofísicos se apoiaram em versões modificadas da teoria dos cristais líquidos passivos — conhecidas como modelos nemáticos ativos — para descrever tecidos celulares. No entanto, o uso de modelos passivos para representar sistemas biológicos ativos frequentemente leva a previsões incorretas sobre a distribuição de forças, deformação tecidual e transporte coletivo. Ao definir com precisão como os sistemas vivos quebram as simetrias físicas, o estudo da BGU oferece um arcabouço matemático aprimorado para modelar o movimento biológico.

Na pesquisa médica, a migração celular coletiva é um processo fundamental no desenvolvimento tecidual embrionário, na cicatrização de feridas e na metástase do câncer. Durante a organogênese, as células precisam migrar em camadas coordenadas para formar estruturas tridimensionais complexas. Quando a pele ou as paredes vasculares sofrem lesões, células vizinhas migram coletivamente para fechar a ferida. Por outro lado, durante a invasão de tumores malignos, células cancerígenas frequentemente se desprendem de tumores primários e invadem tecidos circundantes como aglomerados coletivos, em vez de unidades isoladas.

Modelos físicos precisos desses comportamentos coletivos permitem que pesquisadores biomédicos simulem melhor como as estruturas teciduais respondem a tensões mecânicas, sinalizações bioquímicas e intervenções farmacológicas. Além disso, na ciência dos materiais, entender como os sistemas biológicos aproveitam a energia localizada para alcançar a auto-organização sem as restrições de simetria termodinâmica pode permitir o projeto de novos materiais sintéticos. Tais materiais biológicos ativos poderiam se autorreparar, gerar bombeamento microfluídico contínuo sem peças mecânicas externas ou reconfigurar autonomamente suas propriedades estruturais em resposta a estímulos ambientais.

## O contexto O estudo da matéria ativa surgiu como um subcampo distinto da física da matéria condensada mole no final dos anos 1990 e início dos anos 2000. Um marco seminal ocorreu em 1995, quando o físico teórico Tamas Vicsek e seus colegas introduziram um modelo matemático simples descrevendo o movimento coletivo de partículas autopropulsadas, como pássaros em bando ou peixes em cardume. Pouco depois, teóricos da matéria mole adaptaram as ferramentas matemáticas da física dos cristais líquidos — lideradas em parte pelo laureado com o Nobel Pierre-Gilles de Gennes no final do século XX — para descrever sistemas biológicos cujos elementos constituintes se alinham como moléculas em forma de bastão.

Os cristais líquidos são estados da matéria que possuem propriedades intermediárias entre as dos líquidos convencionais e as dos cristais sólidos. Nos cristais líquidos passivos, como os usados em telas eletrônicas, moléculas alongadas se alinham ao longo de um vetor direcional comum, conhecido como campo diretor. A física dos cristais líquidos passivos é regida por princípios de energia mínima: quando forças externas são removidas, o sistema retorna a uma configuração simétrica de baixa energia, regida pelo equilíbrio termodinâmico.

Em contraste, a matéria ativa consiste em unidades individuais que convertem energia química interna em trabalho mecânico. Os exemplos vão desde motores moleculares se movendo ao longo de filamentos citoesqueléticos dentro de uma única célula até bactérias em enxame, camadas de células epiteliais, cardumes de peixes e multidões humanas. Como a energia é injetada continuamente na escala de partículas individuais, a matéria ativa opera permanentemente fora do equilíbrio.

Nas últimas duas décadas, os físicos introduziram teorias do contínuo de "nemáticos ativos" adicionando termos de tensão ativa às equações tradicionais de cristais líquidos. Essas tensões ativas refletem as forças de empurrão ou puxão exercidas por entidades autopropulsadas. Embora os modelos nemáticos ativos tenham capturado com sucesso fenômenos como turbulência ativa e geração espontânea de fluxo, eles frequentemente mantiveram simetrias matemáticas subjacentes herdadas das teorias de cristais líquidos passivos. O estudo da BGU aborda diretamente essa limitação teórica, demonstrando que os mecanismos biológicos que impulsionam o movimento celular quebram ativamente essas simetrias passivas durante a formação e o declínio dinâmicos dos padrões.

## Reações A publicação da pesquisa na Nature Physics atrai a atenção de comunidades de pesquisa tanto da física quanto da biologia, destacando uma mudança contínua no sentido de tratar a matéria viva como uma classe inteiramente separada de material físico, em vez de um derivado modificado da matéria mole passiva.

Espera-se que físicos teóricos especializados em mecânica estatística fora do equilíbrio reavaliem as equações nemáticas ativas atuais para incorporar os termos explícitos de quebra de simetria identificados pela equipe da BGU. Pesquisadores em física biológica provavelmente se concentrarão em vincular essas violações de simetria macroscópicas a estruturas biomecânicas microscópicas específicas, como a contratilidade de actina-miosina, complexos de adesão célula-célula como as caderinas e mecanismos de propulsão flagelar.

Embora o estudo apresente um arcabouço físico fundamental, espera-se que biólogos do desenvolvimento e pesquisadores médicos examinem se tipos teciduais específicos ou estados patológicos exibem graus distintos de quebra de simetria. Fóruns acadêmicos e próximas conferências de física, como a American Physical Society March Meeting, devem apresentar discussões sobre como integrar essas leis físicas fora do equilíbrio em simulações computacionais de crescimento de organoides e expansão tumoral.

## O que ainda não sabemos Apesar de estabelecer que os fluxos celulares violam modelos clássicos de simetria, várias questões críticas permanecem não resolvidas quanto aos determinantes biológicos exatos por trás desses fenômenos físicos. Primeiro, as vias bioquímicas precisas que controlam a magnitude da quebra de simetria física em diferentes tipos de tecidos não estão totalmente mapeadas. Permanece incerto como cascatas de sinalização intracelular específicas — como as vias de Rho-GTPase que regulam a contratilidade celular — se mapeiam diretamente nos parâmetros matemáticos de quebra de simetria identificados no estudo.

Segundo, as descobertas atuais abordam principalmente arranjos experimentais bidimensionais e quase bidimensionais, como monocamadas celulares em lâminas de vidro ou suspensões bacterianas finas. Como essas violações de simetria física se traduzem em ambientes totalmente tridimensionais, como embriões em desenvolvimento ou tumores sólidos inseridos em matrizes extracelulares densas, permanece uma área de investigação em aberto.

Por fim, os pesquisadores ainda precisam determinar se células malignas exibem assinaturas de quebra de simetria física diferentes em comparação com células saudáveis e não cancerígenas. Se o tecido canceroso exibir simetrias de fluxo fora do equilíbrio distintas durante a invasão coletiva, essa propriedade física poderia potencialmente servir como um novo biomarcador diagnóstico ou alvo terapêutico, embora ainda falte prova experimental desse conceito.

## O que acompanhar Nos próximos meses e anos, vários desenvolvimentos importantes indicarão como esse avanço teórico moldará a física biológica e as aplicações biomédicas. Os pesquisadores acompanharão de perto estudos de desdobramento que tentem formular equações matemáticas unificadas que considerem explicitamente as simetrias quebradas observadas em fluxos vivos.

Um marco crítico será a implementação desses novos parâmetros físicos em softwares de modelagem biofísica, que os pesquisadores usam para simular a morfogênese, a cicatrização de feridas e a formação de redes vasculares. Se os modelos atualizados demonstrarem uma precisão preditiva significativamente maior quando comparados com dados experimentais de crescimento tecidual, o arcabouço teórico proposto pela equipe da BGU provavelmente se tornará padrão na biologia computacional.

Além disso, espera-se que grupos experimentais testem esses princípios em culturas complexas de organoides em 3D e em modelos animais. Estudos observacionais que rastreiem se a quebra de simetria celular varia durante estágios específicos do desenvolvimento ou na progressão de doenças fornecerão uma validação crítica. No campo da engenharia, cientistas de materiais monitorarão tentativas de construir sistemas ativos bio-híbridos que utilizem a quebra de simetria fora do equilíbrio para criar bombas fluídicas automotoras e biomateriais de autorregeneração.

Este relato é baseado em pesquisa original publicada na Nature Physics e divulgada pelo phys.org em 22 de setembro de 2026.