Sistema computacional para experimentação virtual com pinças ópticas em materiais celulares.
A manipulação na escala microscópica de diferentes tipos de organismos ou estruturas sintéticas é uma tarefa que requer precisão e dispositivos experimentais de complexidade considerável. Um exemplo concreto de tais dispositivos são as pinças ópticas. Elas encontram-se usualmente acompanhadas por sistemas de microscopia custosos, os quais são indispensáveis para a manipulação, deformação e medição de células vivas. Estes experimentos se veriam muito beneficiados pela utilização de técnicas computacionais para ajustar o desenho de cada experimento planejado e interpretar seus resultados. O objetivo principal da proposta é o desenvolvimento de um sistema computacional que reproduza de maneira virtual experimentos biofísicos e bioquímicos que envolvem manipulação de células ou materiais subcelulares. O sistema computacional proposto para manipulação virtual de células, evoluindo no tempo e nas três dimensões espaciais com geometria arbitrária, será chamado daqui em diante VCM-3D (Virtual Cell Manipulation).
Impacto
Este tipo de sistema permitiria calibrar os modelos físicos e matemáticos utilizados e, inclusive, explorar de maneira mais sistemática e exaustiva condições que seriam difíceis ou custosas de serem reproduzidas em laboratório. A longo prazo, fornecerá auxílio ao diagnóstico através de cálculos inversos, os quais identificarão as patologias a partir de ajustes do modelo ao comportamento registrado nas imagens de microscopia. Dentre as doenças que poderiam ser estudadas com VCM-3D, podem já ser identificadas a anemia falciforme, a esferocitose e a malária.
Metodologia
Programa modularizado baseado em elementos finitos polinomiais. Malhas deformáveis com remalhamento adaptativo. Controle automático do passo de tempo. Interface para processadores geométricos e visualizadores. Possibilidade de interação direta com o modelo através de forças e restrições geométricas. Código open source. Código estruturado de maneira a facilitar seu crescimento incremental.
Especificações e resultados a serem fornecidos pelo sistema computacional
- Formas de equilíbrio de estruturas celulares obtidas pela minimização da energia de curvatura.
- Dinâmica da relaxação considerando efeitos viscosos da membrana, sujeitos a restrições de incompressibilidade superficial e volumétrica.
- Manipulação de membranas celulares através de pinças virtuais controlando a velocidade de deslocamento ou a força aplicada.
- Comportamento de células aderidas em tecidos.
- Deformação de discócitos e outras celulas em escoamentos impostos do fluido circundante e medição da frequência de Tank Treading em escoamentos cizalhantes.
- Fenômenos de transporte, difusão e reação de agentes bioquímicos sobre a membrana.
- O VCM-3D, em princípio, estará desenhado para realizar experimentos virtuais sobre células individuais, mas sua extensão ao estudo do comportamento coletivo de várias células será considerada a medida que a tecnologia computacional a tornar factível.
