Experiências ‹ Ibercivis
A Ciência Cidadã é uma novo tipo de Ciência baseada na participação, consciente e voluntária, de milhares de cidadãos que geram grandes quantidades de dados. Qualquer pessoa pode dedicar a sua inteligência ou os seus recursos tecnológicos para encontrar resultados de utilidade social. O desafio para os investigadores é conceber a sociedade digital como uma nova ferramenta que podem aproveitar e investigar.
Ibercivis dá suporte a diversos grupos de investigação em todo o mundo que lançam as suas experiência através dos nossos recursos. A estes grupos ajudamos na fase de adaptação das suas aplicações, a desenhar as interfaces, a integrar a tecnologia e a executar e explicar o seu trabalho aos voluntários.
Escolhe uma das experiências activas para começar a colaborar, ou estuda e compreende as experiências já terminadas. E as melhores podem estar ainda por chegar, contamos com as tuas ideias, trabalharemos nela!
Se tem alguma ideia para um projecto de investigação que requer a participação de muita gente através de uma rede de computação, de talento ou de qualquer outra forma, nós podemos ajudar. Dispomos de :
Rede de computação de 36.000 voluntários com um rendimento de 8 milhões de horas e 2,3 TFLOPS de média
Rede de cerca de 1000 colaboradores jogando, analisando imagens ou funcionando como sensores humanos
Conhecimento em tecnologias como BOINC, PyBossa, epicollect...
Bibliotecas científicas como Gromacs, AutoDock...
Sci in your mobile
Em que consiste Science in your Mobile?
É uma iniciativa que pretende aproximar a Ciência dos jovens através de aplicações móveis para smartphones inspiradas em diferentes projectos científicos.
Através da aplicação com múltiplo jogos, o utilizador pode familiarizar-se com quatro porjectos científicos:
- Cell Spotting: Análise de imagens reais de culturas de células obtidas com um microscópio de fluorescência invertida existente nas instalações do BIFI. Em particular, é analisado o tipo de morte celular com base em dois parâmetros.
- Mind Paths: O objectivo deste jogo é determinar a distânica entre duas palavras com base na relação semântica que cada utilizador faz entre elas. Para duas palavras apresentadas (origem e destino) e uma nuvem de palavras associadas, o utilizador deve escolher entre estas aquela que lhe parece que o aproximará da palavra objectivo.
- Sun4All: O utilizador é convidado a analisar as manchas solares em fotografias do Sol (espectroheliogramas) obtidas no Observatório Astronómico da Universidade de Coimbra (Portugal) para ajudar a compreender a actividade e ciclo solar.
- Mobilab: Aplicação que permite obter medições utilizando os sensores disponíveis no smartphones e que podem ser utilizados em diferentes situações.
Através do Google Play pode encontrar a aplicação "Science in your mobile bifi". Para continuar só tem que colaborar com os projectos científicos.
Este projecto foi concebido em colaboração com o projecto europeu Socientize, tirando partido do potencial da equipa de desenvolvimento do Instituto de Biocomputação e Física de Sistemas Complexos (BIFI) da Universidade de Saragoça em colaboração com a Fundação Ibercivis.
Projecto de ciência cidadã financiado pela Fundação Espanhola de Ciência e Tecnologia (FECYT).
Em que consiste Science in your Mobile? É uma iniciativa que pretende aproximar a Ciência dos jovens através de aplicações móveis para smartphones...
SavingEnergy@Home
Os métodos de rastreio virtual (VS, do inglês Virtual Screening) podem ajudar consideravelmente no processo de descoberta de novos fármacos e na investigação clínica, prevendo como os ligandos interagem com determinados alvos terapêuticos. A maioria dos métodos de VS supõem a existência de um único local de ligação com a proteína, que se determina normalmente a partir da interpretação da informação cristalográfica disponível sobre a proteína. Apesar de já estar demonstrado que isto é incorrecto e de se saber que em muitos casos, diferentes ligandos interagem com partes distintas da proteína, na maior parte dos métodos de VS existentes, inclusivé nos disponíveis em ferramentas comerciais, este fenómeno não é tido em consideração.
Para solucionar este problema desemvolvemos a aplicação BINDSURF, uma nova metodologia de VS que analisa detalhadamente a superfície da proteína para encontrar potenciais locais de ligação onde os ligandos podem interagem, e que foi desenhada e implementada em hardware massivamente paralelo tal como GPU, o qual permite processar rapidamente e de forma eficiente grantes bibliotecas de compostos.
As previsões obtidas com BINDSURF podem ainda conduzir a aplicação posterior de outros métodos de VS a zonas da proteína caracterizadas por este método. Assim, a sua aplicação ajuda na descoberta e desenho de fármacos, no reposicionamento de moléculas e na investigação clínica.
Apenas tens que juntar-te ao BOINC, através do nosso portal e depois seleccionar este projecto em concreto.
BINDSURF foi inicialmente desenvolvido pelo Grupo de Investigação de Arquitectura e Computação Paralela da Universidade de Múrcia (http://www.um.es/gacop) e actualmente é desenvolvido pelo Grupo de Investigação de Bioinformática e Computação de Alto Desempenho da Universidade Católica de Múrcia San Antonio (http://bio-hpc.eu).
Para mais informação geral sobre a descoberta de novos fármacos pode ler:
. Em que consiste? Os métodos de rastreio virtual (VS, do inglês Virtual Screening) podem ajudar consideravelmente no processo de descoberta de novos fármacos...
Dado "p" número primo, se (p - 1)! ≡ - 1 (mod p^2), p designa-se primo de Wilson, em homenagem ao matemático John Wilson. Até agora, os únicos números primos de Wilson encontrados são o 5, 13 e 563. No entanto, está conjecturado que o número de primos de Wilson é infinito.
Usando esta aplicação tentaremos encontrar o próximo número primo de Wilson. Está demonstrado que se existir deverá ser superior a 5x10^8.
Para facilitar esta tarefa, agrupámos em blocos de 300 os números primos entre 5x10^8 e 4x10^9, de forma que cada unidade de trabalho analise cada um destes blocos, testando se os referidos primos são ou não de Wilson.
Colabore com esta experiência é muito fácil, basta baixar e instalar BOINC, cadastre-se para Ibercivis eo perfil do usuário selecionar esta aplicação (é selecionada por padrão).
São os números naturais que são apenas divisíveis por si mesmos e por 1.
Na imagem: O Crivo de Eratóstenes foi criado por Eratóstenes de Cirene, um matemático grego do século III a. C. É um algoritmo simples que permite encontrar todos os números primos menores ou iguais que um dado número.
Por volta do ano 300 a. C., Euclides demonstrou que existe um número infinito de números primos. Estes contrapõem-se aos números compostos que são aqueles que têm algum divisor natural além de si mesmo e da unidade. Por definição o número 1 não se considera nem primo nem composto.
A distribuição dos número primos é um tema recorrente de investigação na Teoria de Números: se considerados individualmente, os números primos parecem distribuídos aleatoriamente, no entanto a distribuição "global" dos números primos segue leis bem definidas.
Primalidad Project
Existe um grande número de conjecturas abertas acerca dos números primos, como por exemplo a Hipótese de Riemann e a Conjectura de Goldbach.
Na figura:Função zeta de Riemann ζ(s) no plano complexo. A de um ponto s codifica o valor de ζ(s): Colores escuras representam valores próximos de 0 e os diferentes tons representam o valor do argumento. O ponto branco em s=1 é o limite da função zeta: os pontos pretos no eixo real negativo e a linha crítica Re(s) = 1/2 são os seus zeros.
O que propomos é aproveitar a capacidade de cálculo da Ibercivis para saber um pouco mais acerca destes números, de como estão distribuídos e de tentar encontrar contra exemplos às conjecturas.
Neste projecto o código é público, de forma a permitir que qualquer voluntário possa ver o código e incorporar possíveis melhoras. Está também disponível um fórum para a troca de ideias cerca deste projecto.
Os números primos e as suas propriedades foram exaustivamente estudados pelos matemáticos da Grécia antiga. Já no ano 300 a. C. o matemático grego Euclides demonstrou, na proposição 20 do livro IX dos Elementos, existirem uma infinidade de números primos. Os matemáticos da Escola Pitagórica (de 500 a. C. a 300 a. C.) estavam interessados nestes números pelo seu misticismo e suas propriedades numerológicas.
O Teorema de Wilson é uma teorema clássico relacionada com a divisibilidade. É um resultado da Teoria de Números relacionado com a primalidade de um número inteiro positivo. Este teorema foi atribuído a John Wilson pelo seu professor Edward Waring. Este último comentou que Wilson tinha deixado anotado este resultado num caderno mas que não o tinha provado. O próprio Waring também não conseguiu fazê-lo e foi Lagrange em 1773 o primeiro a conseguir a sua prova.
Os primeiros sistemas de transmissão de mensagens secretas baseavam-se na troca de uma chave entre o emissor e o receptor. Este mecanismo não era muito prático em comunicações entre grandes distâncias uma vez que era necessário que o emissor e o receptor se juntassem cada vez que eram obrigados a trocar de chave por motivos de segurança.
Em 1977, os investigadores Rivest, Shamir e Adleman do MIT (Massachusetts Institute of Technology) nos EUA idealizaram um sistema de encriptação de chave pública. Segundo este método, chamado RSA pelas iniciais dos apelidos dos seus criadores, o receptor torna público um número natural "grande", do qual conhece a sua decomposição em factores primos. Este número é utilizado pelo emissor para encriptar as suas mensagens. A ideia é que apesar da todo o mundo ter acesso à chave pública e à mensagem encriptada, esta apenas pode ser decifrada se conhecerem os números primos que dividem o número chave.
Para termos uma ideia do que significa ser "grande". Actualmente, uma chave pública é considerada segura se for dada por um número natural com mais de 300 dígitos. Obviamente, à medida que as capacidades dos computadores evoluem, a ideia do que é um número "grande" muda. Por exemplo, os criadores do esquema RSA previram que uma mensagem encriptada por eles utilizando um número com 129 dígitos, demoraria cerca de 40 triliões de anos a ser decifrada. No entanto, no princípio dos anos noventa, com a colaboração de 1.600 computadores durante 8 meses, foi possível decifrar esta mensagem encriptada. Isto, apesar do erro nas previsões dos seus criadores, mais do que retirar credibilidade ao método RSA, mostra a sua força e mostra a dificuldade de um problema aparentemente tão simples como a decomposição de um número como produto de números primos.
. O que é? Dado "p" número primo, se (p - 1)! ≡ - 1 (mod p^2), p designa-se primo de Wilson, em homenagem ao matemático John Wilson. Até agora, os únicos...
Esta experiência teve como actores principais cerca de 1200 jovens alunos do secundário, que em simultâneo realizaram uma experiência em rede com o objectivo de analisar a influência nas interacções entre indivíduos que tomam decisões num esquema de recompensas conhecidas.
Objectivo e Resultados
Os objectivos e resultados desta experiência podem ser encontrados no seguinte artigo científico:
"Heterogeneous networks do not promote cooperation when humans play a Prisoner's Dilemma", Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A 109.
Mais informação em dilema.ibercivis.es (em Castelhano).
A experiência Esta experiência teve como actores principais cerca de 1200 jovens alunos do secundário, que em simultâneo realizaram uma experiência em rede...
O objectivo do Gripenet é monitorizar a incidência da gripe em Espanha através da colaboração desinteressada e anónimo dos voluntários que, periodicamente, nos informam via Internet se estiveram com a doença ou não.
Estes dados permitem aos investigadores avançar no conhecimento dos mecanismos de propagação das doenças infecciosas através de modelos à escala europeia.
O projecto tem um duplo propósito. Por um lado, os dados recolhidos permitem aos investigadores avançar no conhecimento dos mecanismos de propagação das doenças infecciosas e, por outro lado, o projecto constituirá uma ferramenta de divulgação para aproximar a ciência ao cidadão e envolvê-lo directamente no estudo científico através da informação facilitada.
Vacinou-se contra a gripe?, Já teve a gripe este ano, ou está esperando um possível ataque?, respondendo a estas perguntas pode colaborar com a ciência participando em GripeNet.es . A ideia básica consiste em preencher um perfil pessoal e em seguida pequenos questionários semanais (em dois minutos) que chegam por correio, com informação sobre o seu estado de saúde no que se refere à gripe.
Participa tu também e ajuda-nos a prevenir em Espanha!
Gripenet é uma ferramenta desenvolvida por investigadores do BIFI em coordenação com o consórcio europeu Epiwork e com o apoio do Ibercivis.
. Em que consiste? O objectivo do Gripenet é monitorizar a incidência da gripe em Espanha através da colaboração desinteressada e anónimo dos voluntários...
Os teus momentos mais preciosos de Feelicity
A tua cidade está repleta de recantos que escondem momentos felizes da tua vida. Começa hoje a recolhê-los e a partilhar-los. Em conjunto iremos construir um mapa diferente, dando vida a uma nova cidade chamada Feelicity. E quando viajares ajuda-nos a mudar o mapa de outras cidade. Vai a www.feelicity.es e descobre o que os outros pensam. Podemos também instalar as aplicações Feelicity no teu smartphone.
Feelicity nasceu da inciativa conjunta entre a Ibercivis e o evento TEDxZaragoza que decorreu em Saragoça a 5 de Novembro de 2011. Já temos cidades felizes de todo o mundo. A tua cidade já está no mapa?
Análise de Risos
Investigadores do Instituto Aragonês de Ciências da Saúde estão a analisar diferentes tipos de riso e estados emocionais. Na Feelicity recolhemos ficheiros audio dos voluntários que estão a participar no estudo.
Os teus momentos mais preciosos de Feelicity A tua cidade está repleta de recantos que escondem momentos felizes da tua vida. Começa hoje a recolhê-los e a partilhar-los....
Previsão da Solubilidade de fármacos e toxinas. A importância da solubilidade.
Para que um determinado composto químico seja absorvido elas células humanas, precisa de atravessar a membrana celular. Isto é válido para compostos com efeitos quer potencialmente benéficos (por exemplo, fármacos) quer maléficos (por exemplo, toxinas e poluentes). Este processo de absorção implica a interacção do composto com ambientes líquidos que vão desde o mais hidrofílico (com afinidade para a água) até ao mais hidrofóbico (que repele a água).
Na imagem: Esquema de uma membrana celular típica. O Fluido extracelular e o Citoplasma são tipicamente hidrofílicos, enquanto o interior da membrana é fortemente hidrofóbico.
Assim, a capacidade das células humanas para absorverem e incorporarem fármacos e toxinas está fortemente relacionada com as diferenças de solubilidade desses compostos em meios aquosos e orgânicos. Para desenvolver um novo medicamento, por exemplo, centenas de compostos são normalmente testados em laboratório, o que aumenta drasticamente o custo e o tempo necessários para esse desenvolvimento. Uma grande parte desses compostos são depois descartados por não possuírem as propriedades de solubilidade adequadas à sua utilização prática. Se fosse possível prever antecipadamente a solubilidade de um novo composto a partir unicamente da sua estrutura molecular, conseguir-se-iam desenvolver medicamentos eficazes em muito menos tempo e gastando muito menos recursos. Da mesma forma, o cálculo antecipado da solubilidade de um composto permitiria estimar o seu grau de toxicidade, o que teria um impacto significativo em estudos ambientais.
Prever a solubilidade no computador
A solubilidade de um determinado composto está directamente relacionada com a sua energia livre de solvatação. A energia livre de solvatação é uma das propriedades termodinâmicas mais importantes, permitindo estimar não só a solubilidade mas também o grau de partição de uma molécula entre meios com diferentes características. A energia livre de solvatação pode ser calculada com precisão através de métodos de simulação molecular acoplados a um algoritmo de integração termodinâmica. Basicamente, a simulação começa com o composto mergulhado numa caixa de solvente. De seguida, faz-se gradualmente "desaparecer" o composto, monitorizando a variação de energia do sistema ao longo do processo. No final, integrando a curva de energia, obtém-se a energia livre de solvatação do composto nesse solvente.
Dissolver compostos no Ibercivis
O cálculo de energias de solvatação através de simulação molecular é uma abordagem extremamente precisa, mas bastante exigente do ponto de vista computacional. Por exemplo, o cálculo da energia de solvatação de um único composto simples em água exige cerca de 500 horas de cálculo num computador pessoal. Tendo em conta o elevado número de compostos que precisam de ser testados e a grande variedade de solventes utilizados, torna-se imprescindível o uso de plataformas de computação avançada, como o Ibercivis.
O objectivo deste projecto é prever computacionalmente as energias livres de solvatação de um grande número de compostos numa grande variedade de solventes. O tipo de solutos estudados irá desde as moléculas mais simples (e.g., álcool etílico) até às mais complexas (e.g., fármacos e toxinas multifuncionais), e os solventes atravessarão toda a gama de polaridade, desde a água até aos hidrocarbonetos. Esta grande variedade de sistemas permitirá desenvolver e testar modelos moleculares, que poderão depois ser usados como ferramentas predictivas de usoComposto em água geral. A capacidade para prever a solubilidade de um novo composto a partir unicamente da sua estrutura molecular terá um potencial impacto na descoberta de novos medicamentos e na avaliação da toxicidade de compostos a que o ser humano poderá estar exposto.
Na imagem: Exemplo de um composto farmacêutico (esferas grandes) dissolvido em água (moléculas azuis).
O projecto Solúvel é realizado pela equipa de Simulação Molecular do Laboratório de Engenharia de Separação e Reacção (LSRE), da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. O LSRE dedica-se ao desenvolvimento de novos métodos, conceitos e ideias para o desenho e optimização de processos de separação e reacção, com aplicação em Engenharia de Processo e de Produto.
A equipa de Simulação Molecular do LSRE procura estudar os fenómenos físicos à escala molecular, promovendo a utilização deste conhecimento para desenvolver novos produtos e processos através de uma Engenharia de base molecular. A sua investigação aborda áreas tão diversas como a adsorção, síntese e caracterização de nanomateriais, termodinâmica e equilíbrio de fases, física interfacial e solubilidade.
Soluvel ( 2011, Spanish )
Previsão da Solubilidade de fármacos e toxinas. A importância da solubilidade. Para que um determinado composto químico seja absorvido elas células humanas,...
Simulação do transporte de partículas. Motivação
As radiações ionizantes utilizam-se de forma habitual na área Saúde, principalmente no diagnóstico por imagem (em Radiologia através da utilização de feixes de raios X, e na Medicina Nuclear através da utilização de radio-isótopos), e no tratamento de diversas patologias através do uso de feixes externos de fotões ou electrões (Radioterapia externa), fontes encapsuladas (Braquiterapia) ou radio-isótopos não encapsulados (Medicina Nuclear).
As técnicas de simulação numérica do transporte de partículas (fotões, electrões e positrões) através de técnicas Monte Carlo em meios complexos têm sido aplicadas nos últimos 50 anos a um vasto leque de situações (complementar medidas experimentais, caracterização de equipamentos, dosimetria a doentes, etc.). Nos últimos anos, esta metodologia tem vindo a sofrer um crescimento enorme na sua utilização e nas suas aplicações, estando o seu uso unicamente limitado ao tempo de CPU necessário para a obtenção de resultados em modelos complexos.
Na imagem: Modelo de um doente e geração de uma imagem radiográfica virtual utilizando técnicas de simulação Monte Carlo.
As técnicas de simulação Monte Carlo
A descrição do transporte de partículas usando técnicas de Monte Carlo baseia-se na caracterização do transporte das partículas por distribuições de probabilidade que descrevem, por um lado, o comprimento que uma partícula percorrer entre duas interacções em cada material, e por outro lado, os ângulos de dispersão e balanço energético que esta sofre ao interagir. Desta forma, e através da utilização de um gerador de números aleatórios realiza-se a simulação do transporte das partículas no seio de um material tomando, de forma sequencial e para partícula simulada, decisões sobre a) as condições iniciais da mesma (energia, direcção, etc), b) sobre o comprimento até à interacção seguinte, c) sobre o processo físico através do qual interage (Compton, fotoeléctrico, etc), e d) sobre o resultado da referida interacção (ângulo de dispersão, produção de partículas secundárias, etc). As técnicas de simulação Monte Carlo são por conseguinte de natureza estatística e requerem o seguimento de uma grande número de partículas para se alcançar a precisão requerida, o que implica tempo de computação consideráveis.
As vantagens associadas a esta metodologia são a capacidade de obter resultados com a precisão espacial e temporal requeridas, assim como a obtenção de resultados para múltiplos parâmetros físicos de forma simultânea. Tudo isto faz desta técnica seja uma poderosa ferramenta, sendo por isso frequentemente considerada como a técnica standard para a obtenção de resultados em muitas aplicações biomédicas.
Na imagem: Evolução temporal da energia depositada por um feixe fino de fotões num manequim de dimensões semi-infinitas.
Simulação do transporte no teu computador
Na Ibercivis, cada trabalho do projecto Sanidad que se envia para os computadores dos voluntários executa a simulação do transporte de partículas em determinadas condições ambientais (materiais com que interage, geometrias dos materiais, ... ).
A simulação detalhada nestas condições, complementada com medições experimentais, permite-nos melhorar as técnicas diagnósticas, a qualidade dos tratamentos e a protecção dos doentes e profissionais de Saúde expostos às radiações ionizantes.
Graças a estas simulações esperamos obter resultados em condições ambientais que sem o vosso apoio seriam proibitivas em tempos de execução e cuja análise nos permitirá obter informação muito valiosa.
O código de simulação Penelope
PENELOPE, acrónimo do inglês "PENetration and Energy LOss of Positrons and Electrons" é um programa genérico para simulações Monte Carlo que descreve o transporte de fotões, electrões e positrões em qualquer material para o intervalo de energia entre 50 eV e 1 GeV. PENELOPE é desenvolvido pela Universid de Barcelona e é distribuído através da Agência de Energia Nuclear (http://www.nea.fr).
Simulação do transporte de partículas. Motivação As radiações ionizantes utilizam-se de forma habitual na área Saúde, principalmente no diagnóstico...
ANTECEDENTES: OS FRACTAIS
Um fractal é um objecto geométrico cuja estrutura básica se repete a diferentes escalas. Os objectos fractais podem ser naturais ou artificiais (fractais matemáticos). Exemplos de fractais naturais são as linhas costeiras, os perfis das montanhas, as ramificações dos rios, a forma dos relâmpagos, algumas folhas, árvores e vegetais. A principal característica de um fractal natural é a auto-similaridade aproximada. Por outro lado, os fractais matemáticos definem-se através de um algoritmo recursivo e possuem detalhe a qualquer escala de observação; este fenómeno é conhecido como auto-similaridade exacta.
Na imagem: : O bróculo é um exemplo de fractal natural com auto-similaridade aproximada.
Na imagem: o triângulo de Sierpinski é um dos fractais matemáticos mais conhecidos sendo um exemplo claro de auto-similaridade exacta.
SISTEMAS DESORDENADOS. A TRANSIÇÃO DE ANDERSON
O estudo das propriedades dos sistemas desordenados tem sido objecto de intensa investigação nos últimos cinquenta anos. Um dos aspectos mais fascinantes destes sistemas, em mais de duas dimensões, é o aparecimento da transição da fase metal-isolador devido à alteração da amplitude de desordem. Esta transição é conhecida como transição de Anderson. Na fase metálica os estados internos do sistema estão extendidos, o que faz com que o sistema se comporte como um condutor. Na fase de isolador os estados internos estão exponencialmente localizados. O ponto de transição metal-isolador, que ocorre quando a transição de estados localizados a estados extendidos, caracteriza-se por uma variedade interessante de propriedades críticas, pelo que o ponto de transição é também conhecido por ponto crítico. Em particular, os estados internos mostram flutuações a todas as escalas e representam objectos fractais. No ponto de transição o sistema não é nem um metal nem um isolador e as propriedades de transporte são consideradas críticas ou anómalas.
Na imagem: Exemplo de um estado interno para o modelo de Anderson tridimensional no ponto de transição metal-isolador. No ponto crítico, os estados são fractais mas, ao contrário dos fractais naturais (con auto-similaridade aproximada) ou os fractais matemáticos (com auto-similaridade exacta), nos sistemas desordenados críticos os estados internos mostram auto-similaridade estatísticas. Note que estado crítico está extendido no interior do cubo, que define o volume do sistema, que no entanto não ocupa todo o volume permitido. Por esta razão, diz-se que os estados críticos têm uma dimansão efectiva (dimensão fractal) que é menor que a dimensão real do sistema, que neste caso é 3. Imagem retirada de L. J. Vasquez, A. Rodriguez, and R. A. Roemer, Phys. Rev. B 78 195106 (2008).
No projecto CRITICALIDAD, investigadores mexicanos estão interessados em estudar os efeitos da fractalidade dos estados críticos nas propriedades do transporte de electrões através de sistemas na transição de Anderson. Em particular, serão estudadas medidas de transporte de electrões como a transmissão, reflexão, condutividade e outras medidas relacionadas (tais como, a sua distribuição, variância, média, e o ruído quântico) em função de alguns parâmetros do sistema (tamanho linear L, número de terminais ligados e intensidade de ligação).
Na imagem: Arranjo tridimensional dos pontos ligados com os seus primeiros vizinhos. Também conhecido como modelo de Anderson tridimensional. No exemplo o tamanho linear do sistema é L=3, no entanto o volume total é L3=27. Cada ponto representa um átomo ou molécula dentro de uma rede cristalina finita. Neste modelo, a desordem é representada por um potencial aleatório atribuído a cada um dos pontos. Note-se que à face esquerda do cubo estão acoplados 9 terminais ou portos por onde se fazem incidir electrões. Os electrões incidentes interagem com os pontos da rede antes de serem dispersos ou expulsos para o exterior da estrutura cristalina através dos terminais do mesmo.
ANTECEDENTES: OS FRACTAIS Um fractal é um objecto geométrico cuja estrutura básica se repete a diferentes escalas. Os objectos fractais podem ser naturais ou artificiais...
Cuanticables
Simulação de fios quânticos. Motivação tecnológica.
Nos últimos anos, temos vindo a presenciar uma crescente miniaturização dos dispositivos electrónicos de uso doméstico. A redução de tamanho tem sido possível graças à redução de tamanho dos componentes que formam parte dos circuitos e elementos internos desses dispositivos. Assim, e apesar dos primeiros transístores terem um tamanho de vários centímetros, os transístores modernos não excedem a magnitude de poucos milímetros. Estes avanços têm sido possíveis graças ao melhoramento das técnicas de fabrico e manipulação de materiais semicondutores. Entre a comunidade científica, hoje pensa-se em dar um salto qualitativo no processo de miniaturização, através da utilização de cabos e componentes que contenham apenas poucas partículas dentro do material para fabricar dispositivos à escala nano ou micrométrica.
Na imagem: Transístores e semicondutores.
Desafios da Física Teórica
Desde a ciência básica, esta área oferece cenários interessantíssimos, dado que em escalas tão pequenas, o comportamento das partículas é regido pelas leis da Mecânica Quântica. Desta forma, nestes pequenos cabos e dispositivos, os electrões que transportam corrente põem a descoberto algumas características espectaculares da natureza quântica. Em particular, como consequência da dualidade partícula-onda, os electrões podem apresentar efeitos de interferências no seu movimento, semelhantes aos que apresenta a luz.
Na imagem: Interferência quântica de duas fontes.
Do ponto de vista da Ciência dos Materiais, o desafio é o melhoramento de técnicas tais como a nanolitografia, que permite gravar circuitos de pequena escalas sobre substractos semicondutores; a ruptura de articulações, que permite fabricar contactos de escala atómica; e o fabrico, manipulação e montagem confiável de novos materiais como o grafeno, os nanotubos de carbonos e os supercondutores.
Do ponto de vista da Física Teórica, tenta-se compreender através de modelos, o funcionamento dos novos materiais e dispositivos nas condições de interesse.
Na imagem: Dispositivo semicondutor nanométrico.
O objectivo do projecto cuanticables é analisar até que ponto os defeitos contidos nos materiais afectam a capacidade que um cabo quântico tem para conduzir corrente. Para tal, os investigadores da Universidad de Buenos Aires desenvolveram um modelo teórico que simula o cabo quântico, as impurezas e os eléctrodos a que se liga o cabo quântico. Neste contexto, estudam o comportamento da corrente que é gerada através do cabo quando se aplica uma voltagem externa e tentam compreender qual é o papel das impurezas, já que estas estão sempre presentes nos materiais reais.
Simulação de fios quânticos. Motivação tecnológica. Nos últimos anos, temos vindo a presenciar uma crescente miniaturização dos dispositivos electrónicos...
Pesquisadores do Instituto de Química-Física Rocasolano del CSIC estudam as propriedades de adsorção das designadas argilas PILCS (do inglês Pillared clays) que, tal como outros materiais porosoa, têm uma grande importância industrial como catalizadores, materiais para armazenar gases e materiais utilizados em processos de separação. Este tipo de argilas é empregue em processos como a produção de biocombustíveis a partir de gorduras vegetais o armazenamento de gás natural à temperatura ambiente ou o armazenamento de gases de efeitos de estufa produzidos pela indústria.
O grupo de Química-Física Teórica trabalha no Instituto de Química-Física Rocasolano do Consejo Superior de Investigaciones Cientificas (CSIC). Actualmente, colabora com o grupo de Adsorción del Instituto Rocasolano e dedica-se ao estudo experimental de PILCS, carbonos activos e zeólitos.
As principais áreas de investigação do grupo são:
Modelação computacional e simulação de materiais nanoestruturados: carbonos com poros desordenados e adsorção en PILCS e zeólitos.
Transições de fase em fluidos simples e complexos.
Mais informação sobre o grupo em http://www.qft.iqfr.csic.es/
Fluidos confinados e adsorção O comportamento de fluidos confinados em espaços reduzidos é um fenómenos de grande interesse para a Física. Nas mesmas...
A partir de tua casa podes contribuir na análise de células tumorais.
A aplicação de imagem de células pretende envolver os cidadãos, para que participem na investigação do cancro, através da análise das imagens obtidas a partir de células reais submetidas a tratamento de administração de fármacos. Esta participação baseada no reconhecimento de imagens permite avançar no estudo da morte celular, conhecido como apoptose, presentes em doenças como o cancro.
É muito simple, a aplicação mostra imagens de diferentes culturas obtidas por microscópio e apresenta perguntas simples como "A célula é a circular ou alongada?", ou " O núcleo está fragmentado?", e os cidadãos participantes determinam o estado das células. Assim, os investigadores poderão conhecer o que está sucedendo em cada cultura e se os medicamentos aplicados a cada um deles estão a revelar-se eficazes.
Cada imagem é enviada a vários participantes para validação de resultados.
Em detalhe...
Todos os seres vivos são constituídos por células. Plantas e animais contém vários tipos de células. Também existem seres vivos unicelulares constituídos por apenas uma célula, tais como os protozoários e as bactérias. Todas as células provêm da divisão de outras células, com excepção da primeira célula, que terá aparecido há biliões de anos atrás aquando da origem da vida.
Regra geral, os organismos multicelulares reproduzem-se sexuadamente. Depois da fecundação de um oócito (II) por um espermatozóide, a nova célula, o zigoto, começa a dividir-se formando um agregado de células idênticas. Durante o desenvolvimento embrionário, as suas células diferenciam-se em vários tipos celulares dando forma ao embrião através de movimentos morfogenéticos. Um ser humano é constituído por cerca de 200 tipos de células.
Cada tipo de célula ocupa um lugar específico no organismo, especializando-se em tarefas específicas. As células de um organismo estão rigorosamente coordenadas de forma a permitir a sua sobrevivência, formando tecidos e órgãos. Algumas células, como os neurónios, normalmente não são repostas depois de morrerem. No entanto, na maioria dos órgãos e tecidos, as células envelhecem, morrem e são substituídas por outras, através do processo de divisão celular. Os nossos órgãos funcionam correctamente devido à coordenação rigorosa das suas células. Cada célula é um complexo ser vivo que contém pequenos orgãos denominadas por organelos como as mitocôndrias ou o retículo endoplasmático.
As proteínas são moléculas essenciais para a vida. A maioria são autênticas máquinas microscópicas especializadas em determinadas funções. Algumas proteínas são responsáveis por copiar fragmentos de DNA que contêm informação genética, os genes, sintetizando um outro tipo de molécula, o RNA. Os ribossomas, compostos por proteínas e RNA, traduzem a informação do RNA para pequenas moléculas proteicas, os aminoácidos, que por sua vez desempenham funções específicas.
A informação genética, organizada numa sequência de letras específicas, os nucleótidos, pode ser alterada quando essas letras são alteradas, produzindo uma mutação. Uma alteração num nucleótido pode alterar o aminoácido da nova proteína, alterando a sua função e, eventualmente, dando origem a patologias de origem genética, como o cancro.
O cancro surge com a divisão incontrolada de um determinado tipo de célula, o que irá produzir um tumor. No caso dos tumores malignos, algumas das suas células podem separar-se da origem e viajar através do sangue para outras regiões do corpo. Apesar de muitas destas células morrerem, algumas conseguem fixar-se noutros tecidos formando novos tumores. Este processo é conhecido por metastização.
Um dos métodos actuais de combate ao cancro consiste na identificação de substâncias que, selectivamente, eliminem células tumorais avaliando milhares ou mesmo milhões de compostos candidatos com sistemas robóticos.
O efeito destes composto químicos em células pode ser estudado utilizando microscopia óptica multidimensional. Para efectuar este tipo de estudos, são utilizados sistemas automáticos de microscopia que nos permitem observar a resposta de células tumorais in vitro a diferentes tratamentos ao longo do tempo, através da aquisição de imagens em intervalos de tempo bem definidos. A observação de diferentes organelos celulares marcados com sondas fluorescentes de diferentes cores permite-nos determinar o tipo de resposta das células a um novo composto químico.
As diferentes imagens recolhidas podem ser combinadas em imagens compostas o que permite a observação de vários organelos ao mesmo tempo. Por exemplo, núcleos azuis mitocôndrias verdes, combinados num campo de microscopia claro permitem observar as células como um todo. Deste modo, podemos observar o processo de divisão celular que se inicia com o arredondamento da célula. Os núcleos, inicialmente redondos, compactam-se numa banda que mais tarde se divide voltando à forma arredondada. Durante a divisão também se observam alterações nas mitocôndrias e em toda a célula.
Existem dois tipos de morte celular: A apoptose e a necrose. A apoptose é um tipo de morte fisiológica na qual a célula atrofia, a superfície modifica-se e o seu núcleo condensa e/ou fragmenta. As mitocôndrias, que normalmente apresentam a forma de bastonete, partem-se em pequenas esferas, o que pode ser observado nesta célula multinucleada.
Durante a necrose, que normalmente ocorre devido a actividade física intensa ou a efeitos químicos, a célula não encolhe ou fragmenta. Antes, o conteúdo celular é libertado, fenómeno este que pode ser identificado por bolhas que surgem em torno da célula. A libertação do conteúdo celular produz uma resposta inflamatória. Nestas células, as mitocôndrias foram marcadas a vermelho.
Um composto anti-tumoral deverá, idealmente, induzir uma apoptose selectiva, uma vez que células apoptóticas são eliminadas pelo sistema imunitário sem que ocorra inflamação do tecido envolvente.
Alan Eduardo Vigueras Ceballos
http://bifi.es/en/research/biochemistry-and-mcb/stem-cells-and-apoptosis
Radio Intereconomía, Zaragoza December 2013
. Em que consiste? A partir de tua casa podes contribuir na análise de células tumorais. A aplicação de imagem de células pretende envolver os cidadãos,...
REDES COMPLEXAS NO MUNDO REAL
Nos últimos anos, descobriu-se que muitos sistemas reais (em áreas tão variadas como a biologia, a imunologia, a tecnologia, a economia ou a sociologia)podem ser correctamente descritos como redes complexas.
Uma rede complexa pode ser definida como um conjunto de nodos unidos por ligações que representam algum tipo de relação entre estes (seja esta física ou de outro tipo), nas quais o padrão de ligações não é trivial.
Alguns exemplos de redes reais são as redes de comunicação (aeroporto, ferroviário ou estradas) ou da distribuição electricidade, as redes alimentares nos sistemas ecológicos, as redes de ligações neuronais, as redes metabólicas, a WWW, a Internet, ou as redes sociais.
Na imagem: Visualização de vários caminhos numa parte da internet. Imagem obtida do 'The Opte Project'. Mais informação http://www.opte.org/
As redes sociais (os nodos representam indivíduos e as ligações, relações pessoais entre eles) têm sido objecto de intenso estudo: desde as simples redes de amigos (Facebook, Twitter, MySpace, ...), de indivíduos que partilham algum tipo de interesse comum (clubes desportivos, gastronómicos, ...) até às redes de contactos sexuais entre indivíduos.
Este tipo de sistemas tem uma grande relevância na altura de descrever fenómenos tão quotidianos e às vezes tão importantes como a propagação de rumores ou de doenças, a publicidade na rede, o tráfico de informação na internet ou o colapso nas redes de aeroportos internacionais.
Verificou-se que a estrutura de muitas redes reais é do tipo "livre de escala" (do inglês scale free), e que apresentam propriedades interessantes, como o alto coeficiente de agrupamento (ou seja, o facto de que é muito provável que dois amigos meus de contextos distintos também o sejam entre si), ou o baixo valor do comprimento do caminho médio entre dois nodos (ou seja, o facto de que número de ligações que unem duas pessoas quaisquer seja assombrosamente baixo, inclusivé em sistemas muito grandes: os chamados seis graus de separação). As redes sociais também apresentam amiúde estrutura em grupos, ou seja, organizam-se em grupo de indivíduos com muitas mais ligações entre eles que com o resto da rede.
Na imagem: Exemplo de rede com estrutura de comunidades: os nodos são utilizadores do serviço de correio da Universitat Rovira i Virgili de Tarragona, as ligações representam comunicação por email, e as cores diferentes indicam os diferentes departamentos da universidade, entre cujos membros há claramente maior número de contactos. A. Arenas, L. Danon, A. Díaz-Guilera, P. Gleiser and R. Guimerà, European Physics Journal B, 38(2), 373-380 (2004).
Uma ferramenta muito útil quando pretendemos caracterizar a estrutura de uma rede complexa és a chamada distribuição de grau ou de conectividade, que mede a probabilidade de encontrar na rede um nodo com k vizinhos. Assim, se considerarmos uma rede em que todos os nodos têm aproximadamente o mesmo número de conexões, apenas com uma pequena dispersão, estamos perante uma rede aleatória homogénea.
No entanto, a distribuição de conectividade das redes reais é geralmente "livre de escala", isto é, existem uns quantos indivíduos com um número elevado de ligações, no entanto uma grande maioria, tem um baixo número médio de vizinhos. Assim, o modelo que descreve este tipo de redes é o das chamadas "scale free networks" ou seja, "redes livre de escala".
INVESTIGAÇÃO: IBERNET
O projecto IberNet tem por objectivo estudar e representar graficamente a estrutura e evolução temporal das redes de relações pai-filho entre os utilizadores da Ibercivis, assim como encontrar "ligações fantasma" entre os seus membros (não apenas a membros pertencentes à mesma árvore, mas também entre árvores diferentes), de modo a conseguir reconstruir a rede social subjacente para uma análise posterior. Daí o interesse não são apenas as relações directas pai-filho, mas também os convites enviados e recebidos que indicam o grau de inter-relação dentro da rede social. Também é proposto utilizar este modelo para implementar sobre elas diversas dinâmicas relevantes.
Exemplos de problemas a analisar neste modelo são as dinâmicas de cooperação-traição, propagação de rumores, pandemias ou informação na Rede, etc. A partir deste modelo, será possíveis retirar conclusões não apenas no que diz respeito às suas propriedades, mas também no que diz respeito à sua adequação ou pontos fracos em relação às referidas dinâmicas.
GRUPO REDES COMPLEXAS E SOCIEDADE, BIFI
O grupo de investigação de Redes Complejas y Sociedad do BIFI, cujo investigador principal é Yamir Moreno, trabalha actualmente em vários projectos:
Construção e caracterização da rede de proteínas através da qual actua a Mycobacterium Tuberculosis. Trabalho de carácter interdisciplinar em colaboração com o Grupo de Mycobacterias da Universidad de Zaragoza, assim como com o Instituto Aragonés de Ciencias de la Salud.
Estudo de modelos de propagação de informação não desejada, vírus informáticos e do tipo "rumores" na Internet, ao nível de sistemas autónomos e de routers, e desenvolvimento de algoritmos para o seu controlo. Trabalho em colaboração com o grupo de Complejiadad da empresa BT.
Estudo da dinâmica das redes responsáveis por processos como a regulação genética e o metabolismo celular, utilizando para tal modelos que incorporam tanto a topologia real das redes biológicas como mecanismos não lineares apropriados para a sua descrição quantitativa.
Caracterização da adequação de certos processos dinâmicos como a sincronização em topologia complexas, utilizando o modelo de Kuramoto. Em particular, foi estudada a rede cortical do gato e como a dinâmica de sincronização pode revelar novos aspectos topológicos.
Implementação de alguns algoritmos de dinâmica evolutiva de jogos cooperativos e de coordenação em redes sociais para estudar o aparecimento de comportamentos colectivos, tais como a formação de diferentes grupos de opinião, e a cooperação tanto em sistemas de tamanho fixo como noutros flexíveis.
Na imagem: Rede de regulação genética da bactéria Mycobacterium tuberulosis. Cada nodo da rede representa um gene, e cada ligação é uma relação de regulação entre um factor de transcrição e um gene regulado por este. As diferentes cores representam genes com carácter diferente no que se refere à dinâmica de regulação.
Durante anos, os físicos têm estudado os sistemas de muitos corpos e da Natureza, em geral, através dos seus componentes. A ciência moderna já conseguiu obter avanços significativos neste sentido, e ao mesmo tempo temos sido capazes de reconhecer a existência de uma grande quantidade de vias alternativas para reunir as peças constituintes do sistema. Recentemente, descobertas importantes mostram um padrão comum de auto-organização que emergem uma e outra uma vez em diferentes sistemas tecnológicos (Internet, redes de telemóveis, a World-Wide-Web), biológicos (cadeias alimentares, rede de proteínas, genéticas e metabólicas), e sociais. De algum modo, as interacções entre os elementos que formam estes sistemas, dão lugar a redes que partilham um grande números de características comuns. Estas são das denominadas Redes Complexas (Nature 410, 268 (2001)).
Imagem: da esquerda para a direita, Pablo Piedrahita, Julia Poncela, Yamir Moreno, Carlos Gracia, Joaquín Sanz, Mario Floría
Complex Systems and Networks Lab, BIFI
Página pessoal Yamir Moreno
REDES COMPLEXAS NO MUNDO REAL Nos últimos anos, descobriu-se que muitos sistemas reais (em áreas tão variadas como a biologia, a imunologia, a tecnologia,...
Nanoluz
A luz à escala nanomérica
A escalas "normais" a luz comporta-se como um conjunto de raios que se movem em linha recta, mas a escalas de menor comprimento a luz visível comporta-se como uma onda. Abaixo do micro - a milésima parte de um milímetro - a luz não se move numa linha recta mas antes tem um movimento semelhante ao da água de um lago a chocar contra os bordos. Tais movimentos ondulatórios são regidos pelas equações fundamentais do electromagnetismo: as equações de Maxwell.
Nanoluz e tecnologia
Conhecer como se move a luz em escalas de menor comprimento será útil para se atingir os seguintes objectivos tenológicos:
1) Explorar o mundo à nano escala. Podemos construir sondas de luz com quais seja possível modificar e analisar o que ocorre na natureza à escala nanomérica, ou seja à escala da milésima parte do milímetro.
2) Transmitir e processar informação de semelhante a dos electrões num microprocessador. Já existem dispositivos que utilizam a luz para comutar e processar sinais, como por exemplo as fibras ópticas através das quais chegam à nossa casa dados de Internet e televisão. Estes avanços fazem parte do grande objectivo de moldar o fluxo de luz em pequenas estruturas e eventualmente fabricar computadores ópticos, um objectivo no entanto longíquo.
3) Melhorar o rendimento dos painéis solares.
4) Produzir luz (iluminar) a partir de dispositivos sólidos.
Nanoluz e nanopartículas
O projecto nanoluz foca-se em resolver as equações de Maxwell para descrever o comportamento da luz em nanopartículas metálicas.
Estas partículas produzem-se em laboratórios avançados de química de colóides e permitem trocar a cor e as propriedades ópticas dos meios em que se encontram.
O objectivo imediato é desenvolver estratégias para o uso dessas partículas em biosensores que tenham sensibilidade a moléculas individuais. Através de biosensores nanoscópicos baseados na interacção da luz com estas moléculas poderemos chegar a detectá-las e prever de uma quantidade ínfima de fluído corporal - por exemplo, de uma lágrima - a presença de doenças. Deste modo, muitos exames médicos já não teriam que recorrer à extracção de quantidades macroscópicas de sangue.
Consejo Superior de Investigaciones Científicas ( CISC )
A luz à escala nanomérica A escalas "normais" a luz comporta-se como um conjunto de raios que se movem em linha recta, mas a escalas de menor comprimento...
As proteínas são fundamentais para os seres vivos. Praticamente todos os processos biológicos dependem da presença ou da actividade deste tipo de moléculas, cuja função num organismo é determinada pela sua estrutura molecular.
Sequência de aminoácidos e estrutura de proteínas
As proteínas são constituídas por aminoácidos, que são moléculas compostas por poucos átomos. Nas proteínas, os aminoácidos encadeiam-se uns atrás dos outros segundo uma determinada sequência que está codificada nos genes. Esta sequência compõe-se de um número variável de aminoácidos (desde umas centenas até várias dezenas de milhares) e recebe o nome de estrutura primária da proteína.
Esta sequência de aminoácidos dobra-se de uma determinada maneira e forma a estrutura tridimensional (3D) da proteína. Na estrutura 3D podem reconhecer-se algumas subestruturas ou motivos mais comuns das proteínas - hélices α, cadeias β, voltas, etc. - constituídos por um número pequeno de aminoácidos. Este conjunto de motivos constituem a denominada estrutura secundária da proteína.
Na imagem: À esquerda: Representação CPK da estrutura molecular de uma proteína presente na membrana celular do neurónios do sistema nervoso central. Esta proteína é formada por 374 aminoácidos e um total de 6700 átomos. Note-se a complexidade da estrutura na representação. À direita: Representação alternativa da mesma proteína (representação em fita, do inglês ribbon). Aqui a cadeia principal da proteína representa-se de forma contínua. Note-se a presença de umas hélices semelhantes a saca-rolhas. São as estruturas secundárias designadas por hélices α.
As diferentes subestruturas enrolam-se entre si e formam a estrutura terciária da proteína, última responsável pela sua função biológica. Por vezes, várias estrutura terciárias combinam-se entre si, formando uma estrutura quaternária.
O desafio de prever a estrutura 3D das proteínas
O número de proteínas cuja sequência de aminoácidos é conhecida é muito elevado (vários milhões). No entanto, com os métodos experimentais existentes hoje em dia (difracção de raios X, ressonância magnética nuclear, microscopia electrónica, etc.) ainda só foi possível determinar a estrutura terciária de uma pequena percentagem dessas proteínas.
Dado que a natureza dos aminoácidos que constituem uma proteína e a sua sequência predeterminam a estrutura final da proteína, um dos desafios mais importantes da Ciência moderna é conseguir prever a estrutura 3D de uma proteína a partir da sua sequência de aminoácidos.
Para fazer luz sobre o processo de construção das proteínas, os investigadores do Instituto de Estructura de la Materia do CSIC analisam as propriedades estruturais dos aminoácidos e de pequenos peptídeos (sequências de poucas dezenas de aminoácidos) conhecidos como neuropeptídeos. Estes actuam no cérebro e no sistema nervoso e intervêm nos mecanismos de aprendizagem e memória.
Aminoácidos na Ibercivis
Em função da disposição dos átomos, existem muitas estruturas (ou conformações) possíveis para cada aminoácido. A conformação mais provável de um aminoácido é aquela que minimiza a energia de ligação dos seus átomos. O método utilizado para calcular a energia de cada conformação consiste em simular o movimento da molécula do aminoácido em meio aquoso.
A informação obtida a partir das simulações permite mapear a denominada superfície de potencial da estrutura de cada aminoácido, o que é de inegável interesse na altura de dar o passo seguinte: reconstruir as estruturas de polipeptídeos e proteínas.
A simulação de uma conformação determinada com este método demora uma média de 75 horas num computador pessoal. Se tivermos em conta que as conformações possíveis dos 20 aminoácidos formam um total de 25.000, seriam necessários dois milhões de horas - ou seja, 200 anos - para terminar este trabalho. Na Ibercivis, os computadores dos voluntários realizam fragmentos destas simulações. A distribuição de tarefas entre milhares de computadores reduzirá a meses o tempo necessário para terminar o trabalho.
Na imagem: Caixa para simulação de dinâmica molecular. A estrutura do aminoácido está representada em forma de esferas, seguindo a representação de Van der Waals. O conjunto de linhas que o rodeiam representa as moléculas de água. A simulação faz-se replicando esta caixa na três dimensões de tal maneira que corresponda a uma dissolução real de um aminoácido.
Um neuropeptídeo é uma cadeia de dois ou mais aminoácidos formada no cérebro que se diferencia das outras proteínas apenas pelo comprimento da cadeia de aminoácidos. Já foi determinada a sequência de cerca de uma centena de neuropeptídeos de origem biológica. O seu tamanho pode variar de dois a mais de 40 aminoácidos. Estes neuropeptídeos intervêm nos seguintes processos:
mecanismos de aprendizagem e memória
regulação da ingestão de comida e bebida
O objectivo desta investigação é estudar as características estruturais de alguns destes neuropeptídeos e a relação com a sua função biológica.
Superfícies energéticas
Na imagem: Mapa que mostra a superfície de potencial de um aminoácido. A energia do sistema é representada em função de dois parâmetros geométricos, em particular, os ângulos de torção formados pelos átomos da cadeia principal. Podem observar-se diferentes vales onde a energia é mais baixa. Estes correspondem a conformações do aminoácido mais estáveis e, portanto, as estruturas mais prováveis.
Na imagem está representada o mapa da superfície de potencial de um aminoácido. Pode observar-se uma série de vale separados por colinas. A profundidade de cada vale está relacionada com a estabilidade de uma estrutura em concreto. Quanto mais profundo o vale, mais estável a conformação correspondente. No entanto, existem muitos vales, correspondendo a estruturas mais ou menos estáveis, separadas por barreiras de altura variável que indicam quão fácil ou difícil é passar de uma estrutura estável para outra.
Estas superfícies, criadas a partir das simulações dos computadores dos voluntários da Ibercivis, estarão disponíveis para toda a comunidade científica numa base de dados acessível publicamente.
O Grupo de Estructura Molecular y Propiedades de Polímeros (GEMPPO) faz parte do Instituto de estructura de la materia do Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).
Desde há 15 anos que o GEMPPO desenvolve a sua actividade de investigação na denominada 'cadeia do conhecimento' na área dos materiais poliméricos sintéticos e biológicos. A sua atenção permanente nos mais recentes avanços tecnológicos concretiza-se em numerosas colaborações com a indústria.
Simultaneamente, o GEMPPO associa a investigação experimental com a de simulações computacionais de propriedades físicas de macromoléculas. Esta sinergia entre a teoria e a prática permite obter uma visão mais completa dos problemas científicos abordados. Actualmente, o estudo de proteínas constituí a actividade principal do GEMPPO.
Na imagem: (da esquerda para direita) Sara Sanmartín, Nuria Robledo, Dr. Juan Francisco Vega, Prof. Javier Martínez-Salazar, Dr. Javier Ramos, Jon Otegui y Dr. Victor Cruz.
Mais informações: http://www.gemppo.iem.csic.es/gemppo/
No vídeo mostra-se uma parte da simulação de dinâmica molecular de uma conformação do aminoácido Alanina. No vídeo não se mostram as moléculas de água para que seja mais nítida a imagem do movimento do aminoácido. Podem observar-se as flutuações das posições relativas de alguns átomos.
Conformação do aminoácido Alanina (2009, Spanish)
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Transições de fase: um fenómeno universal
As transições de fase constituem um dos fenómenos mais interessantes da natureza. Um sistema sofre uma transição de fase quando uma variável externa (pressão, temperatura, condutividade, ...) alcança um ponto crítico e provoca grandes alterações nas suas propriedades internas (energia, magnetização, condutividade, ...). O exemplo mais comum é o da água. À temperatura ambiente é líquida, mas se reduzimos a temperatura para baixo de 0ºC congela e passa ao estado sólido.
Os materiais magnéticos sofrem uma transição de fase quando passam de um estado desmagnetizado para outro magnetizado. Quando a temperatura desce um determinado valor, os spins - pequenos ímans à escala atómica - que compõem estes materiais alinham-se criando um íman macroscópico.
O conhecimento preciso destas transições é importante não apenas do ponto de vista teórico mas também em muitas áreas tecnológicas, como a magneto-resistência dos discos duros, a supercondutividade ou novos materiais.
Transições bruscas ou graduais?
Físicos teóricos da Universidad Complutense de Madrid, la Universidad de Extremadura y del Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos analisam através de simulações computacionais como as impurezas (átomos não magnéticos) em materiais magnéticos modificam as propriedades da transição de fase.
Alguns materiais, quando têm um alto grau de pureza, observa-se uma transição de primeira ordem. Este tipo de transições caracterizam-se por uma troca brusca e uma coexistência dos estados durante a transição em que o material se encontra. Por exemplo, a água a 0ºC não cristaliza como um todos, antes cristalizam grande regiões (gelo) que coexistem com a água até que se congela por completo.
No entanto, ultrapassado um certo nível de impureza, estes materiais passam a ter uma transição de segunda ordem, na qual a troca de fase se faz suavemente de modo que no ponto de transição o sistema não apresenta coexistência entre ambas as fases.
Na imagem: Em cima: Sistema com 10% de diluição em que não há coexistência de fases. Na troca, observam-se regiões magnetizadas de todos os tamanhos, o equivalente a uma tempestade de granizo. Em baixo: Modelos puros perto da transição, nos quais de mostra uma banda preta e uma banda magnetizada. A banda preta é o equivalente a um icebergue a flutuar no mar.
Spins no teu computador
Um íman macroscópico contém na ordem de um quatrilião de constituintes. Trabalhar com tantos elementos é impossível para qualquer computador. A única forma de conseguir resultados conclusivos é simular sistemas pequenos e estudar como variam as suas propriedades à medida que o seu tamanho aumenta. Quanto mais aumentamos o tamanho mais nos aproximamos do fenómeno real. Para tal é necessário realizar um elevado número de cálculo para os quais são fundamentais os computadores da Ibercivis.
Graças a eles, já se estão a obter resultados científicos de grande interesse. Por exemplo, já se estabeleceu que basta uma pequeníssima quantidade de impurezas para alterar a ordem da transição. Além disso, à medida que a investigação avança obter-se-ão dados com uma precisão completamente inalcançável neste momento a nível mundial.
Na imagem: Material no estado magnetizado macroscópico.
O vidro e os sistemas desordenados
O vidro é um dos mais comuns (e misteriosos) estados da matéria. No sentido técnico da palavra, vidros são os cristais das nossas janelas, mas também o são os plásticos ou os materiais poliméricos com que se fabricam as asas de um avião. O vidro é um estado intermédio entre o sólido e o líquido. Às temperaturas a que geralmente os os utilizamos, os vidros parecem sólidos: são rígidos e aparentemente não fluem. No entanto, do ponto de vista microscópico são muito diferentes dos sólidos comuns, uma vez que os átomos não estão dispostos num estrutura periódica.
Encontramos vidros nos materiais magnéticos chamados spin-glasses, nos quais a disposição dos átomos dos pólos norte e sul dos "ímanes atómicos" é rígida mas aleatória. Também é possível identificar um comportamento vítreo em grande parte dos materiais desordenados, como os supercondutores. A desordenação afecta profundamente as propriedades magnéticas e de condução eléctrica dos materiais da magneto-resistência colossal, que poderão ser a base da próxima geração de discos duros dos computadores.
O estudo teórico dos vidros tem aplicações em mais áreas que não apenas a da Física da Matéria Condensada. Por exemplo, recentemente, inspirados na Física dos spin-glasses, verificaram-se avanços significativos no campo da optimização combinatória nas Ciências de Computação. Um exemplo simples é o controlo dos semáforos numa cidade: toda a gente gostaria de ter em verde todos os semáforos que encontrasse no seu caminho, o que entrar necessariamente em conflito com os interesse dos outros condutores. A procura da solução óptima (ou seja, a sequência de abertura dos semáforos que torna o tempo de espera o menor possível) é um problema de Optimização Combinatória. Em todos este problemas, é necessário encontrar o melhor compromisso entre os vários agente com vontades contraditórias, o que torna estes problemas muito semelhantes do ponto de vista matemático e dos spins dos vidros.
Na imagem: Simulação computacional de materiais magnéticos.
A matéria fora do equilíbrio apresenta muitos fenómenos de grande interesse prático e teórico. Na Ibercivis utilizam-se técnicas da física estatística de não equilíbrio, combinando métodos analíticos, numéricos e de simulação, para o estudo das propriedades dinâmicas de sistemas complexos. Esta parte do projecto é realizado por vários investigadores dos Departamentos de Física Teórica das Universidades de Extremadura y de la Universidad Complutense de Madrid.
Mais informação: http://www.unex.es/fisteor
Blog do projecto: http://materialescomplejos.blogia.com/
Transições de fase: um fenómeno universal As transições de fase constituem um dos fenómenos mais interessantes da natureza. Um sistema sofre uma transição...
Doenças Amilóides
As doenças amilóides neurodegenerativas constituem um grupo de doenças que incluem entre outras a doença de Alzheimer, a doença de Parkinson, a Polineuropatia Amilóide Familiar (PAF, também conhecida por Paramiloidose ou "doença dos pezinhos"), e ainda doenças como as encefalopatias espongiformes bovina (vulgarmente conhecida por "Doença das Vacas Loucas") ou humana (Doença de Creutzfeldt-Jakob). Todas estas patologias são caracterizadas pela formação de agregados e fibras de proteínas (a substância amilóide), tóxicos para as células do sistema nervoso, e portanto responsáveis pela neurodegeneração observada nos pacientes.
A doença de Alzheimer é uma doença degenerativa do sistema nervoso central, caracterizada pela progressiva perda da memória e deterioração das funções cognitivas e que afecta, hoje em dia, milhões de pessoas em todo o Mundo.
A Polineuropatia Amilóide Familiar (PAF) ou "doença dos pezinhos" é uma doença degenerativa do sistema nervoso periférico, hereditária, caracterizada inicialmente por alteração da sensibilidade à temperatura e à dor nos membros inferiores e progredindo para um estado de debilidade física geral dos pacientes, com complicações múltiplas. Há diversos focus da doença no Mundo, sendo Portugal um dos principais. A PAF foi identificada, no início da década de 1950, pelo Professor Corino de Andrade (1906-2005), e desde então o esforço de caracterização da doença e de procura de soluções terapêuticas por cientistas portugueses, e outros à volta do Mundo, tem sido constante.
Actualmente, as patologias amilóides não têm cura. No entanto, no caso da doença de Alzheimer são conhecidos vários fármacos que atenuam os sintomas ou diminuem o ritmo de progressão da doença. No caso da PAF, a única terapia que, até ao momento, se revelou efectiva é o transplante de fígado, pois este orgão é o local principal de síntese da proteína (TTR, transtirretina) responsável pela formação de amilóide nesta patologia. O Prémio Gulbenkian Ciência 2009 atribuído no dia 20 de Julho de 2009, distinguiu a investigação na PAF, ao ser atribuído a Maria João Saraiva, Investigadora do Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC) e Professora Catedrática do Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar, da Universidade do Porto, pelo trabalho desenvolvido na investigação dos mecanismos bioquímicos e genéticos responsáveis pela doença.
Na imagem: ttr-estabilizadores
O projecto AMILOIDE e a plataforma Ibercivis
O projecto AMILOIDE desenvolvido na plataforma de computação voluntária Ibercivis tem como objectivo a procura de compostos que possam interferir com a formação de agregados e fibras amilóides em doenças neurodegenerativas como a PAF (Polineuropatia Amilóide Familiar, vulgo "doença dos pezinhos") e a doença de Alzheimer. Este projecto computacional integra-se num esforço continuado do Grupo de Biologia Estrutural e Computacional do Centro de Neurociências e Biologia Celular (CNC) da Universidade de Coimbra, sobre a caracterização dos mecanismos moleculares de formação de amilóide, envolvendo colaborações científicas com diversos investigadores nacionais e estrangeiros.
No caso particular da PAF, uma das estratégias que o projecto AMILOIDE explora é a procura de compostos que estabilizem a forma tetramérica normal (não-tóxica) da proteína transtirretina (TTR), inibindo assim a formação de amilóide. Esta procura computacional de compostos altamente específicos implica a determinação da afinidade molecular entre um alvo (neste caso, a proteína TTR) e cada um dos compostos candidatos. São estes cálculos de acoplagem molecular entre proteína alvo e milhões de pequenos compostos químcos com potencial farmacológico que serão executados nos computadores dos voluntários que participem no projecto AMILOIDE-Ibercivis.
Doenças Amilóides As doenças amilóides neurodegenerativas constituem um grupo de doenças que incluem entre outras a doença de Alzheimer, a doença de Parkinson,...
Docking de proteínas
Moléculas terapêuticas
Conhecer o processo de ligação ou docking entre proteínas humanas e pequenas moléculas é uma tarefa chave para o desenvolvimento de fármacos que melhorem o tratamento de doenças como o cancro.
Essas moléculas, designadas genericamente por ligandos, podem modificar as propriedades das proteínas com efeitos terapêuticos. Fazendo uso da Ibercivis, investigadores do Centro de Biología Molecular Severo Ochoa (CSIC-UAM) simulam o docking de determinadas proteínas com uma série de ligandos para determinar quais deles são mais promissores para ser analisados experimentalmente.
A primeira proteína com que trabalharam foi a MGMT, que torna algumas células cancerígenas resistentes aos efeitos dos fármacos utilizados na quimioterapia. O objectivo: encontrar um ligando que consiga inibir a MGMT.
Na imagem: Docking de uma proteína e um ligando.
Rastreio da quimioteca
Encontrar um ligando que consiga ligar-se a uma proteína previamente identificada é uma tarefa complicada. Os ligandos disponíveis hoje em dia forma uma verdadeira quimioteca de vários milhões de moléculas. Testar todos os ligandos com uma proteína no laboratório não é viável em termo de tempo nem de recursos. Por isso, é necessário recorrer a um rastreio virtual.
Para fazer um rastreio virtual, primeiro é necessário converter a informação necessária da proteína e dos ligandos em dados informáticos. No caso da proteína deve delimitar-se o seu centro activo, isto é, a zona onde esta interage com os ligandos. No caso dos ligandos, é necessário prever todas as suas conformações, isto é, as suas diferentes disposições espaciais.
Em segundo lugar, tem que se simular o docking de cada ligando com a proteína e determinar quão boa é a interacção entre ambos. Para tal, realizam-se operações de translação e rotação do ligando por todo o centro activo nas suas diferentes disposições. Em cada uma destas conformações é avaliada a energia de ligação do complexo proteína-ligando. Quanto menor é esta energia, tanto melhor é a interacção, e portanto mais estável será o complexo.
Concluído o rastreio virtual, os resultados de cada docking são introduzidos numa base de dados e ordenados segundo o seu grau de interacção com a proteína. Para obter uma ordenação mais fiável, os primeiros da lista são submetidos a análises computacionais mais precisas.
Finalmente, e como resultado de todo o processo, seleccionam-se entre 20 e 30 ligandos para serem testados em ensaios laboratoriais.
Na imagem: Caracterização do centro activo para interacções com átomos de carbono. A caixa mostra a área onde se vão realizar os estudos de docking. A superfície amarela indica as zonas de ligação mais favoráveis.
Ibercivis: docking cidadão
Apenas um docking (a proteína e um ligando) demora cerca de cinco minutos. Processar todos os ligandos da quimioteca com um único computador levaria 40 anos. Graças aos computadores da Ibercivis este processo pode realizar-se num espaço de tempo muito mais razoável. Se algum dos ligandos seleccionados funcionar experimentalmente, no futuro poderá a ser o princípio activo de um novo fármaco.
Na imagem: Exemplo de um ligando representado sobre a superfície da proteína e que apresenta actividade in vitro e in vivo.
Docking: a busca de novos fármacos contra o cancro através do computador
Todos os medicamentos incluem na sua composição uma substância química chamada princípio activo (a que genericamente designaremos de ligando) e que é responsável pela actividade do referido medicamento. O restante dos seus componentes, denominados excipiente, é constituído por substâncias inactivas cuja função entre outras, é assegurar que o princípio activo chegue ao locais onde deve actuar. Estes locais podem encontrar-se tanto na superfície como no interior de certas estruturas macromoleculares "receptoras" como são as proteínas e os ácidos nucleicos entre outros. No final da sua viagem, um ligando tem que encontrar o seu centro activo e ligar-se a ele.
Este processo, denominado docking, é bastante complexo para o qual entram em jogo uma série de processos químicos governados por leis físicas, entre elas as que estão relacionadas com a energia que se consome ou liberta em todo o processo.
É evidente que para que a união entre um ligando e o seu centro activo seja energeticamente rentável o complexo formado por ambos tem que ser mais estável que cada uma das partes em separado: este é chamado o princípio da energia mínima. Por outras palavras, uma associação será rentável se os sócios ganham mais actuando de forma conjunta que do ganham em separado. Saber como ocorre esta ligação, assim como a caracterização e quantificação dos diferentes eventos que ocorrem em tal processo, é uma área de investigação em crescente desenvolvimento, já que este conhecimento nos trará os elementos necessários que permitirão, em teoria, desenhar moléculas com a estrutura óptima necessária para que a sua actividade seja não apenas muito melhor, mas também não causará interferência com outros centros activos não desejados, o que daria lugar aos conhecidos "efeitos secundários".
Actualmente, contamos com sofisticadas técnicas experimentais de cujos resultados se extraí informação tridimensional tanto das proteínas como dos ligandos, isto é, como estão posicionados os seus átomos no espaço e qual é a disposição geométrica da ligação entre ambos. Para além disso, em muitos casos há estudos farmacológicos desses mesmos sistemas onde experimentalmente se calcula qual é a energia de ligação. Portanto, sabemos como se ligaram as moléculas e quanto vale essa ligação. Se formos capazes, a partir dessas estruturas tridimensionais e com as leis físico-químicas que conhecemos, de reproduzir os resultados experimentais, estaremos em posição de poder prever, para qualquer outro ligando, como será e quanto vale a sua ligação, antes de realizarmos testes farmacológicos de custos elevados.
Já há vários anos que a Unidad de Bioinformática do Centro de Biología Molecular "Severo Ochoa" (CBMSO, CSIC-UAM) tem vindo a trabalhar na construção de uma plataforma informática que permita, de forma automática, encontrar novos ligandos com perfis farmacológicos adequados com o fim de melhorar os actuais tratamentos de algumas doenças de maior repercussão social, principalmente do cancro. Utilizando bibliotecas de milhões de compostos químicos (quimiotecas), procuramos com os nossos algoritmos de docking aqueles que melhor podem encaixar dentro do centro activo do receptor eleito. Este processo designa-se por rastreio virtual (do inglês virtual screening) de quimiotecas. Desta busca podem obter-se milhares de possíveis candidatos que é necessário classificar para finalmente se chegar a um número tratável experimentalmente, digamos entre 20 e 30. Esta classificação faz-se com as designadas funções de ordenação (do inglês scoring functions) que atribuem a cada molécula uma pontuação determinada com base em quão boa é a interacção com o centro activo. É aqui que reside a maior complexidade de todo o protocolo: encontrar funções de ordenação que sejam suficientemente rápidas (estamos a falar de milhões de moléculas) e precisas (boa concordância com os valores experimentais) para haver uma boa margem de acerto ao eleger os melhores candidatos. Para tal é necessário contar com computadores poderosos, ou com uma grande quantidade de computadores individuais para realizar os cálculos.
De forma muito simplificada, um programa de docking trata de encontrar, para cada ligando, qual é o melhor encaixe (do ponto de vista estrutural e energético) dentro do centro activo. Para isto é necessário explorar primeiros todas as possíveis disposições (conformações, que podem chegar a ser milhões) e depois classificá-las. Isto pode dar uma ideia da quantidade astronómicas de cálculo que é necessário executar. Contar com a colaboração dos cidadãos que participam na Ibercivis (na forma de tempo de CPU não utilizado dos seus milhares de computadores para realizar estes cálculos) é de grande valor para agilizar a busca de novos ligandos e sermos mais eficazes na hora de combater doenças como é o cancro.
A Unidad de Bioinformática do Centro de Biología Molecular Severo Ochoa centra os seus esforços de investigação no desenvolvimento computacional que aproxime a utilização da informação do genoma na descoberta de novos fármacos. Os seus interesses de investigação focam-se em três áreas diferentes: Genómica Computacional, Bioinformática Estrutural, e Desenho de fármacos baseado na estrutura do receptor.
Mais informacão sobre o grupo: http://ub.cbm.uam.es
Proceso de Docking ( 2009 )
Docking Benzamidina betaTripsina ( 2009 )
Docking Sildenafil Fosfodiesterasa ( 2009 )
Moléculas terapêuticas Conhecer o processo de ligação ou docking entre proteínas humanas e pequenas moléculas é uma tarefa chave para o desenvolvimento...
Energia de fusão: a energia do futuro
A fusão por confinamento magnético poderá ser uma das fontes de energia que no futuro resolverá alguns dos problemas que o nosso modelo energético actual comporta, tais como o esgotamento dos combustíveis fósseis e as emissões de CO2 que causam o aquecimento global.
A fusão produz-se quando dois núcleos energéticos se unem num mais pesado, cujo processo liberta uma enorme quantidade de energia. Por exemplo, a luz e o calor das estrelas são produzidos pela fusão de átomos de hidrogénio. Nelas, a matéria encontra-se no estado de plasma, isto é gás quase completamente ionizado.
Na imagem: Processo típico de fusão de isótopos de hidrogénio.
ITER: a maior experiência do mundo
Devido à repulsão eléctrica dos núcleos atómicos - duas cargas positivas repelem-se sempre - o plasma tem que estar a uma temperatura elevadíssima para que a fusão ocorra. Aproximadamente, a 100 milhões de graus centigrados. Os reactores de fusão são máquinas complexas que mantêm o plasma numa câmara de forma que não toque nas paredes desta. Isto consegue-se através de potentíssimos campos magnéticos e da mais avançada tecnologia. No entanto, ainda não foram construídos reactores que mantenham a fusão controlada de forma rentável.
O próximo passo para a comunidade científica será a construção do reactor ITER (Reactor Termonuclear Experimental Internacional) no sul de França, promovido por um consórcio internacional que investirá 10.300 milhões de euros. O ITER pretende demonstrar a viabilidade da energia de fusão.
Na imagem (da esquerda para a direita e de cima para baixo): Corte da câmara de vácuo onde se encontrará o plasma. Mede aproximadamente 3,5 x 8 ms. / 3 Bobinas supercondutoras que geram o campo magnético principal, que é umas 100.000 vezes superior ao campo magnético terrestre. / ITER, dentro do crióstato que mantém as bobinas no estado supercondutor e dentro da blindagem que as isola do exterior.
O plasma no teu monitor
A dinâmica do plasma é extremamente complexa, e ainda não foi possível compreendê-la completamente. Investigadores do Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), que trabalharam no cálculo de plasma para o Stellarator espanhol TJ-II, e do Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos (BIFI) da Universidade de Saragoça que fazem simulações dos plasmas que se obterão do projecto ITER. Os computadores dos cidadãos colaboram neste projecto através da Ibercivis calculando trajectórias dos núcleos que compõem o plasma, o que permite prever o seu comportamento como um todo.
Nas imagens: Fragmento de uma trajectória e comportamento do plasma como um todo. Um computador doméstico pode demorar entre 15 a 30 minutos a calcular uma trajectória completa. Com muitas trajectórias, é possível ter uma ideia do aspecto e das características que tem o plasma no reactor. Antes ou depois, os núcleos dentro do ITER acabam por se afastar. Graças à Ibercivis pode-se prever por onde se afastam (ou pelo menos, para onde se afastam).
A fusão e o panorama energético
O modelo energético actual em que se baseia o consumo da humanidade apresenta sérios problemas tanto do ponto de vista ambiental como social. A principal fonte de energia são os combustíveis fósseis, petróleo e seus derivados - gás e carvão - que representam aproximadamente 75% do consumo total. A energia nuclear tem vindo a fornecer 6,5% da energia primária e as energias renováveis, sob a forma de biomassa e de grandes centrais hidroeléctricas, completam o panorama com algo menos do que 20%.
Do ponto de vista ambiental, este modelo causa consequências ambientais de diversos tipos. Entre outros problemas, salienta-se que o consumo de combustíveis fósseis provoca alterações climatéricas, enquanto que a energia nuclear acarreta a produção de resíduos radioactivos. Do ponto de vista social, o principal problema é a desigualdade tanto no consumo como na distribuição no mundo destes recursos.
Há que ter em que conta que os combustíveis fósseis estão condenados a esgotar a médio prazo, portanto é prioritário procurar novas fontes de energia que tenham baixo impacto ambiental e que garantam o fornecimento de energia durante o longo espaço de tempo. As fontes de energia renováveis terão um papel decisivo e deverão ser complementadas por outros, como a fusão termonuclear.
A fusão tem a vantagem de, por um lado, não gerar emissões de gases que causam o efeito de estufa e, por outro lado, o seu combustível é praticamente inesgotável. Como principal impacto ambiental há que considerar a produção de resíduos radioactivos de média e baixa actividade. No entanto, dado o papel que a fusão pode representar no futuro, este problema é admissível para a sociedade, principalmente tendo em conta que estes resíduos seriam radioactivos somente durante uns cem anos.
Por outro lado, a fusão não é uma reacção em cadeia, pelo que com os reactores de fusão seria impossível acontecer um acidente como o ocorrido em 1986 em Chernobil. A quantidade de combustível no interior do reactor é muito pequena, pelo que em caso de um acidente mais grave a radioactividade libertada será também pequena e não será necessário evacuar a população circundante. Finalmente, a reacção poderá ser interrompida logo que o reactor saia dos parâmetros normais de funcionamento. No entanto, o inconveniente da fusão é a sua grande complexidade técnica que faz com que ainda não esteja disponível comercialmente.
As reacções de fusão e os plasmas
A energia de fusão resulta de certas reacções nucleares em que os núcleos mais leves se unem para dar origem a núcleos mais pesados. A forma de conseguir que os núcleos choquem entre si, apesar de se repelirem por terem ambos cargas positivas, é fornecer-lhes energias suficiente de movimento. Esta tem que ser semelhante à que as partículas têm no interior das estrelas, que também funcionam através de reacções de fusão. Estamos portanto a falar de temperaturas de centenas de milhões de graus, que são necessárias para as partículas colidam com força suficiente para vencer a repulsão das cargas positivas. Por outro lado, há que investir energia para que os núcleos atinjam as condições necessárias para se de fundam e libertem uma quantidade de energia muito maior do que a que lhe foi fornecida.
Os plasmas têm propriedades distintas dos outros estados da matéria (sólido, líquido e gasoso). De facto, não existe nenhum material que resista a temperaturas tão elevadas sendo por isso necessário procurar estratégias para confinar o plasma e assim resolver este problema. A estratégia mais avançada, e na qual se baseia o ITER, é chamada de confinamento magnético, isto é, a criação de uma barreira de campos magnéticos que mantenha o plasma separado da parede da câmara que o contém. Os campos magnéticos actuam sobre as partículas carregadas que integram o plasma (iões e electrões) e as mantenham confinadas.
Nos plasmas, tal como com os restantes fluídos (gases e líquidos), produzem-se inúmeras instabilidades que dão lugar a fenómenos de transporte de matéria e energia mais ou menos violentos. Os plasmas são substâncias voláteis, nas quais as trocas se propagam rapidamente, à velocidade da luz, e assim, em alguns casos produzem-se instabilidades que se propagam por todo o plasma de forma quase instantânea. Além disso, os plasmas são bons condutores de electricidade e de calor, o que faz com que a energia que lhe é fornecida tenda a dissipar-se facilmente.
Durante as últimas quatro décadas, a Física de Plasmas tem vindo a estudar todos estes problemas, quer experimentalmente quer através de simulações teóricas, o que tem permitido grandes avanços. O trabalho experimental é fundamental nesta área uma vez que os trabalhos teóricos e de simulação não conseguem representar na totalidade todos os fenómenos que ocorrem no plasma. No entanto, há que ter em conta que muitas equações que regem o comportamento dos plasmas têm que ser resolvidas recorrendo aos computadores e só recentemente o poder computacional se tornou suficientemente poderoso para ser capaz de produzir os resultados que descrevam os fenómenos que ocorrem no plasma. Em particular, temos que fazer uso de simulações para analisar os fenómenos violentos que ocorrem na presença de campos magnéticos, ou com o seguimento de milhões de partículas individuais numa estrutura complexa de campos electromagnéticos.
Na imagem: O Tokamak é uma descoberta russa, que provém do russo Toroidalnaya Kamera-ee Magnitnaya Katushka (em inglês a tradução literal é Toroidal Chamber ou Magnetic Coil; em português Câmara Toroidal, ou seja, em forma de pneu).
Reactores de fusão: Tokamaks e Setellarators
Após décadas de experiências, chegou-se à conclusão que o campo confinante dos plasmas é mais eficiente se tiver uma componente helicoidal. De facto, as câmaras mais promissoras para a construção de um reactor de fusão são o Tokamak e o Stellarator, nos quais o campo magnético possui uma componente helicoidal.
A diferença principal entre os Tokamaks e o Stellarators é que nos primeiros circula uma corrente muito intensa através do plasma, enquanto nos segundos não circula corrente ou, se tal acontece, a corrente é muito fraca.
Um Tokamak é um dispositivo de confinamento magnético com a forma de um anel em que o campo magnético é criado em parte por um conjunto de bobinas magnéticas planas em forma de D ou circulares ou em parte por uma corrente própria que circula pelo plasma. Assim se cria um campo magnético com uma certa componente helicoidal, imprescindível para confinar o plasma. Esta mesma corrente é capaz de aquecer o plasma até elevadas temperaturas pela resistência do próprio plasma. Como já se referiu, o plasma é um bom condutor de electricidade, pelo que a resistência será fraca e as temperaturas que se podem alcançar estão limitadas.
Dado que através de um Stellarator não circula corrente ou quando circula é muito fraca, todo o campo magnético é criado através de bobinas externas. Nos Stellarators as bobinas são muito mais complexas do que nos Tokamaks uma vez que a parte helicoidal do campo magnético tem que ser criada por meios externos. Em particular, no Stellarators modernos, as bobinas são torcidas, o que acrescenta dificuldades para o seu desenho e construção.
A corrente que circula pelo plasma do Tokamaks é vantajosa uma vez que poupa parte do campo magnético e da potência auxiliar de aquecimento.
Ainda assim, as instabilidades que aparecem nos plasmas extendem-se rapidamente a todo o volume do Tokamak, o que faz com que a corrente mude, causando a modificação do campo magnético, o que por sua vez piora o confinamento, tendo por isso que se repetir o ciclo. A este processo chama-se disrupção mas, felizmente, pode ser previsto com bastante exactidão quando é que se vai produzir.
Os Stellarators, por outro lado, estão livres destes problemas: não podem sofrer interrupções e permitem um funcionamento contínuo.
Na imagem: Tokamak, o Engenheiro do Lawrence National Laboratory da Califórnia (à direita) e o Engenheiro japonês visitante examinam o material supercondutor para a realização de testes.
A fusão e a Ciência dos Materiais
Para além do conhecimento dos plasmas e das suas propriedades de confinamento, é imprescindível o desenvolvimento da Ciência dos Materiais, fundamental para os futuros reactores de fusão, uma vez que os ditos materiais têm que suportar condições extremas de radioactividade e fluxo de calor.
Especialmente resistentes têm que ser a parede da câmara onde está contido o plasma e um elemento conhecido como "divertor", situado no ponto onde será maior o fluxo da potência por onde se escapa o plasma. O divertor é um elemento da câmara do reactor onde se concentra a maior parte do fluxo de calor e partículas do plasma que escapa do campo magnético confinante, para o qual se desenvolveram umas bobinas de campo magnético apropriadas. Os materiais que compõem estes elementos têm que ser muito resistentes e simultaneamente um nível de activação baixo, ou seja, devem suportar bem o banho de neutrões sem que produzam produtos radioactivos que demorariam mais de 100 anos a tornarem-se inócuos.
Também é necessário garantir que os metais empregues sejam capazes de libertar o trítio capturado (os isótopos do hidrogénio são facilmente armazenados em grandes quantidades nas superfícies metálicas) com tratamentos apropriados.
Todos estes problemas juntos fazem com que, para além da Física de Plasmas, a Ciência dos Materiais seja fundamental para se conseguir que um reactor de fusão funcione apropriadamente. Com este propósito estão a desenvolver-se simulações muito ambiciosas em supercomputadores e a arquitectar-se uma instalação na qual os materiais sejam submetidos a condições semelhantes às que se verificarão no ITER.
Reactores de fusão: o ITER
O ITER (acrónimo do inglês Internacional Tokamak Experimental Reactor) é a próxima experiência de fusão termonuclear por confinamento magnético. Será do tipo Tokamak, apesar dos inconvenientes citados anteriormente, porque estes dispositivos estão mais avançados do que os Stellarators e conseguem melhores parâmetros do plasma. A construção está a ser iniciada em Cadarache, uma pequena localidade no sul de França.
O ITER é um projecto com vários parceiros a nível mundial: União Europeia, Japão, Rússia, China, Estados Unidos, Coreia do Sul e Índia. De todos eles, o parceiro com a contribuição científica e económica mais forte é a União Europeia.
O ITER pretende demonstrar a viabilidade científica e tecnológica da Fusão. Pretende-se que a razão entre a potência produzida e a injectada, que se designa por Q na gíria dos investigadores de fusão, seja igual a 10, o que demonstraria também a rentabilidade da fusão.
Na actual arquitectura o ITER não produzirá electricidade de forma comercial, mas permitir testar os sistemas que no futuro o deverão fazer, ao mesmo tempo que permite testar vários desenhos de uma peça muito importante que está fora da câmara: o chamado manto fértil, onde se armazena a energia dos neutrões, cujas colisões com o lítio permitem produzir o trítio que não existe natural na Terra. Adicionalmente, também se testam os três sistemas de aquecimento principais que serão úteis nos reactores comerciais, alguns dos quais são muito recentes e requerem desenvolvimentos posteriores.
Também se testarão novos sistemas de controlo, de aquisição e armazenamento de dados, de supercomputadores que permitam simular os plasmas do ITER, de sistemas de manipulação remota para evitar que as pessoas tenham que entrar em zonas agressivas tanto do ponto de vista químico como radioactivo...
Em Espanha, a investigação em Fusão esta sob a alçada do Laboratorio Nacional de Fúsion do CIEMAT, que já pôs em marcha o desenvolvimento do Stellarator TJ-II, e que participa em numerosas tarefas específicas para a construção do ITER. Apesar deste ser um Tokamak, existem numerosos aspectos da Física de Plasmas comuns aos Tokamaks e aos Stellarators, de forma que uma experiência realizada no TJ-II é válida para o ITER. Em particular, estão a ser realizados estudos sobre o transporte rápido e a acção dos campos eléctricos sobre o plasma, assim como dos efeitos sobre o confinamento de diferentes topologias magnéticas, todos eles com utilidade para o projecto ITER. Adicionalmente, realizam-se estudos de materiais e da interacção entre o plasma e a parede da câmara com utilidade para os futuros reactores de fusão.
Os resultados científicos e tecnológicos do ITER serão fundamentais para demonstrar a viabilidade da fusão como uma alternativa energética para o século XXI. É difícil precisar o horizonte temporal em que a fusão estará disponível, no entanto, de acordo com estas estimativas, é difícil que um reactor comercial de demonstração esteja disponível antes do 2035.
O Laboratório Nacional de Fusão do CIEMAT tem entre as suas actividades a operação científica do "stellerator" de desenho avançado com eixo helicoidal chamado TJ-II, a participação no Tokamak Europeu JET, e a participação nas tarefas de desenho, Investigação e Desenvolvimento e na construção do tokamak internacional ITER.
Se quiser saber mais sobre este grupo de investigação visite a página (em espanhol):
http://www.ciemat.es/portal.do?IDM=123&Nm=3
Fusión (2009)
Energia de fusão: a energia do futuro A fusão por confinamento magnético poderá ser uma das fontes de energia que no futuro resolverá alguns dos problemas...
O objectivo deste projecto é estudar a influência de alguns parâmetros de fibras, tais como o tipo de polímero e a localização e distribuição das drogas, no rácio final de libertação de drogas. Este conhecimento permitirá guiar a produção de fibras reais com os parâmetros específicos para a libertação de cada droga. Para alcançar este objectivos, modelos matemáticos tridimensionais dos sistemas são criados tal que sejam capazes de reproduzir e prever o comportamento dos sistemas reais.
Nos últimos anos, a investigação biomédica tem desenvolvido novas estratégias para a libertação de fármacos no corpo humano de uma forma controlada para combater problemas como a regeneração de tecidos danifiados ou o tratamento do cancro. Uma destas estratégia baseia-se na degradação de fibras poliméricas nanométricas que contêm fármacos no seu interior. À medida que as fibras se degradam, os fármacos contidos no seu interior vão sendo libertados de forma controlada. A velocidade de libertação do fármaco depende de muitos factores, entre os quais a geometria inicial da fibra, a distribuição do fármaco dentro da mesma ou o polimero utilizado.
Recorrendo a simulações pretende-se gerar modelos tridimensionais capazes de reproduzir e prever os comportamentos reais destas fibras dependendo do tipo de polimeto e da localização dos fármacos no seu interior. Para tal, as estruturas tridimensionais foram discretizadas em pequenos elementos cúbicos e algoritmos de Monte Carlo já desenvolvidos são aplicados para simular a degradação do polímero e a consequente libertação dos fármacos que continham.
A sensibilidade dos resultados relativamente às condições iniciais das simulações torna imprescindível a realização de uma infinidade de simulações de pequeno tamanho para obter valores estatisticamente significativos. Os resultados úteis de cada uma destas simulações traduzem-se num conjunto de dados pequeno mas que correctamente avaliados permitem obter conclusões relevantes. Estes factores gerais em conjunto com os requisitos computacionais de memória, tempo de cálculo e transferência de dados, assim como a repercussão social, fazem deste projecto de investigação um candidato ideal para ser integrado na plataforma Ibercivis.
http://www.bio-soft.es (Em construção)
Javier Aldazabal, Iñigo Aldazabal, Gyeong-Man Kim y Gaizka Erkizia.
. O que é? O objectivo deste projecto é estudar a influência de alguns parâmetros de fibras, tais como o tipo de polímero e a localização e distribuição...