julho 2018 – Darwinianas

Selecionados por um furacão

Cientistas americanos e europeus tinham finalizado um estudo na população de um pequeno lagarto nas Ilhas Turcas e Caicos, no Caribe, quando os furações Irma e Maria devastaram a região, em 2017.

Eles voltaram ao arquipélago três semanas depois da passagem do segundo furação para coletar novos dados sobre a morfologia dos lagartos sobreviventes. A tragédia tinha trazido a rara oportunidade de analisar o efeito de furacões em uma população natural.

A espécie estudada se chama Anolis scriptus e vive em ramos e troncos de árvores. Comparando os dados obtidos antes e depois da passagem dos furacões, eles encontraram que os lagartos que resistiram à catástrofe eram menores, tinham braços mais longos, pernas mais curtas e lamelas adesivas maiores nas mãos e nos pés.

Os cientistas interpretaram que as novas características resultaram de seleção natural para resistir a ventos fortes. Como discutimos em uma postagem anterior, variações nas pernas e braços dos lagartos se correlacionam com a capacidade de se agarrar a troncos e galhos.

Para corroborar esta interpretação, eles filmaram lagartos agarrados a um bastão em frente a um soprador de folhas secas. O resultado vocês podem apreciar no vídeo abaixo:

João Francisco Botelho (Yale University)

Para saber mais:

Donihue CM, Herrel A, Fabre A-C, Kamath A, Geneva AJ, Schoener TW, et al. Hurricane-induced selection on the morphology of an island lizard. Nature. 2018.

O DNA na era digital

Cientistas desenvolvem nova técnica capaz de sintetizar DNA de maneira mais rápida, barata e precisa. Por meio dessa técnica, será possível construir um genoma completo de uma bactéria em apenas um dia!

Em Abril de 1953, a revista Nature publicou um pequeno artigo de apenas 1 página no qual os autores, J.D. Watson e F.H. Crick, propuseram o modelo da estrutura do DNA que veio a ser amplamente aceito pela comunidade científica. Controvérsias à parte, o modelo da dupla hélice proposto pelos autores também sugeria claramente um mecanismo de replicação do DNA, e resultou na consolidação do que conhecemos hoje como Biologia Molecular. Começou aí também a corrida para desvendar o chamado código genético, que descreve as regras pelas quais se dá a relação entre a sequência de nucleotídeos no DNA e a sequência de aminoácidos nas proteínas. Desde então, o DNA ganhou um papel central nas explicações dos processos moleculares e no entendimento da relação entre os genes, as características físicas dos organismos e a herança.

Termos como ‘armazenamento de informação’, ‘código’, ‘programa’, ‘receita’, manual de instruções’ e ‘mensagem’ inundaram a comunidade de biólogos buscando caracterizar o papel dos genes e/ou da informação genética contida nas moléculas de DNA. Essas metáforas informacionais estão largamente presentes em livros didáticos, assim como no discurso de muitos pesquisadores da área. Por exemplo, é muito comum encontrarmos a ideia de que o DNA contém o “programa para o desenvolvimento do organismo”, ou que o DNA é um “manual de instruções do funcionamento celular”. As limitações dessas metáforas para o ensino de ciências e para a própria pesquisa biológica já foram amplamente discutidas, mas elas continuam sendo utilizadas a todo vapor.

No início do século XXI, no entanto, essas metáforas foram alçadas a um novo patamar. Pela primeira vez, cientistas desenvolveram um mecanismo de armazenamento de informação não-biológica utilizando o DNA, dando início à chamada era do armazenamento de informação digital no DNA (do inglês, DNA digital data storage). Cinco anos depois, cientistas da Harvard University foram capazes de armazenar no DNA a informação digital de um texto escrito em HTML, imagens em JPEG e um programa escrito em JavaScript. Mas, para entendermos como isso é possível, precisamos entender um pouco mais sobre como a informação é armazenada nos computadores e laptops que utilizamos diariamente.

Hoje, grande parte dos computadores e aparelhos digitais utiliza um sistema binário (ou de base 2) de armazenamento de informação, no qual todas as quantidades são representadas com base em dois números: 0 e 1. Vem daí o nome bit, ou dígito binário, do inglês Binary Digit. Um agrupamento de 8 bits corresponde a 1 byte (do inglês Binary Term), unidade básica da computação. De maneira análoga, os cientistas propuseram a utilização dos blocos de construção do DNA (A, C, T e G) para armazenar qualquer tipo de informação. Assim, ao invés de 1s e 0s, utilizaríamos As, Cs, Ts e Gs. Nos últimos anos, cientistas foram capazes de estocar as mais variadas informações em longas cadeias de DNA, incluindo as 587.287 palavras de Guerra e Paz de Lev N. Tolstoi, o clássico Smoke on the Water do Deep Purple, e até um GIF de um cavalo galopando, reproduzindo as 5 imagens de Eadweard Myubridge feita em 1880. Um vídeo interessante que explica a tecnologia utilizada nesse último estudo, e também apresenta o GIF criado, pode ser visto aqui. Se você quiser saber mais sobre CRISPR, veja esse post do Darwinianas.

Mas, quais seriam as vantagens do armazenamento de informações no DNA? Várias características da molécula de DNA são atrativas para cumprir tal função. Por exemplo, o DNA é extremamente compacto. A partir da utilização do DNA como fonte de armazenamento de informação, seríamos capazes de arquivar todos os filmes já produzidos num espaço menor do que um cubo de açúcar de aproximadamente 4 gramas. Alguns cientistas da computação acreditam que estamos chegando ao limite físico da nossa capacidade de armazenamento de informação em fitas magnéticas, que ainda é a maneira como a maior parte da informação gerada é usualmente armazenada. Portanto, a necessidade da busca de novos meios de armazenamento de informação deriva, em grande parte, da nossa capacidade de geração de uma quantidade tremenda de informação em uma velocidade sem precedentes. Além disso, se adequadamente preservada, uma molécula de DNA é altamente estável e capaz de armazenar informação por milhares de anos.

Mas, para armazenarmos informação em moléculas de DNA, são requeridos pelo menos três processos: (1) a síntese de moléculas de DNA; (2) a leitura do DNA sintetizado através de técnicas de sequenciamento; e, (3) uma linguagem capaz de traduzir a informação armazenada em algo inteligível.

Nos últimos anos, as novas técnicas de sequenciamento de DNA em larga escala expandiram de maneira surpreendente a velocidade, assim como o tamanho dos fragmentos sequenciados. Além disso, diversas linguagens de programação já foram utilizadas para processar a informação armazenada no DNA. O gargalo dessa nova era encontra-se, principalmente, no alto custo associado à síntese in vitro de DNA, técnica também chamada de DNA printing.

Contudo, em Junho desse ano, foi publicado em Nature Biotechnology um artigo que promete solucionar esse problema. Palluk e colaboradores descreveram um novo método de síntese de DNA que reduz significativamente o custo, além de aumentar a velocidade de síntese e sua acurácia. Você deve estar se perguntando como isso é possível. Explico. Os cientistas utilizaram uma enzima já presente em nosso corpo, chamada de desoxinucleotidiltransferase terminal (TdT), ou transferase terminal, presente em células do nosso sistema imune. Essa enzima participa da diversificação dos receptores de partículas estranhas ao corpo (os antígenos), permitindo que o organismo seja capaz de reconhecer uma molécula estranha sem a necessidade de contato prévio. Dentro de um sistema vivo, essa enzima é capaz de adicionar até 200 nucleotídeos por minuto. Mas, como nem tudo são flores, essa enzima normalmente adiciona nucleotídeos randomicamente à ponta do DNA, e portanto não é útil a cientistas que precisam de uma sequência específica de nucleotídeos.

O pulo do gato, descrito por Palluk e colaboradores, é a ligação dessa enzima a nucleotídeos específicos. A ligação enzima-nucleotídeo pode ser posteriormente rompida, liberando a enzima após a adição no novo nucleotídeo ao DNA. Assim, fragmentos de DNA podem ser produzidos passo-a-passo, com a adição de um nucleotídeo a cada ciclo e uma acurácia de cerca de 98%. Os pesquisadores foram capazes de alongar primers de DNA, pequenas fragmentos de ácido nucléico necessários para a iniciação da replicação do DNA, a uma velocidade de um nucleotídeo a cada 10-20 segundos. Dessa forma, um único conjugado é capaz de produzir uma molécula de 4.320 nucleotídeos por dia. Considerando que essa enzima é produzida em larga escala e a baixo custo, milhares dessas enzimas podem ser utilizadas paralelamente para a produção do genoma completo de uma bactéria em um único dia.

**Figura 1:** Alongamento da molécula de DNA, nesse caso representada por um *primer* ou iniciador, por meio da utilização de conjugados de TdT-nucleotídeos. Após a adição de um nucleotídeo à molécula de DNA (extensão), a ligação DNA-TdT é desfeita por meio de uma reação química denominada desproteção. (Figura modificada de Palluk et al. 2018)

É claro que as implicações das possibilidades de produção de baixo custo de uma molécula de DNA são muitas e variadas. Podemos, por exemplo, utilizar essa tecnologia para produzir genes humanos relacionados à produção de proteínas importantes, ou para produzir bactérias e outros organismos com sequências específicas de DNA. Mas, além disso, essa tecnologia nos permite avançar a fronteira da tecnologia da informação, solucionando o primeiro passo na utilização do DNA como substrato para o armazenamento de informação digital: a síntese de DNA a baixo custo.

Apesar de promissoras, as técnicas de síntese de DNA em laboratório trazem consigo implicações éticas importantes. Um dos principais questionamentos refere-se ao desenvolvimento de organismos sintéticos que podem, intencionalmente ou não, ser liberados na natureza. Outra grande preocupação é o uso dessas técnicas para a construção de armas biológicas. As discussões éticas a respeito desse novo campo da Biologia Sintética, do qual as ferramentas de síntese de DNA em laboratório são parte fundamental, não podem ser ignoradas e merecem um post em separado. Essa é uma área na qual precisamos, sem dúvida, avançar cautelosamente para que tenhamos na devida conta as variadas implicações, inicialmente previstas ou não, da técnicas que desenvolvemos.

A descoberta da estrutura do DNA, há 65 anos, teve uma enorme repercussão na Biologia. Hoje, essa molécula ainda nos surpreende. Talvez seja o DNA também a molécula que vai revolucionar a era digital!

Ana Almeida

Para saber mais:

Anderson et al. 2012. Engineering and ethical perspectives in synthetic biology: Rigorous, robust and predictable designs, public engagement and a modern ethical framework are vital to the continued success of synthetic biology. EMBO Rep., 3(7): 584-590.

Church, G.M.; Gao, Y.; Kosuri, S. 2012. Next-Generation Digital Information Storage in DNA. Science, 377(6102): 1628.

Erlich, Y.; Zielinski, D. 2017. DNA Fountain enables a robust and efficient storage architecture. Science, 355(6328): 950-954.

Goldman et al. 2013. Towards practical, high-capacity, low-maintenance information storage in synthesized DNA. Nature, 494(7435). DOI: 10.1038/nature11875

Kosuri, S.; Church, G.M. 2014. Large-scale de novo DNA synthesis: technologies and applications. Nature Methods, 11: 499-507.

(Foto: Digital DNA, Mirahorian Dan)

Evolução ao acaso? Os cinquenta anos da teoria neutralista

Desde sua formulação por Motoo Kimura e publicação, em 1968, a teoria neutralista da evolução tornou-se central para o estudo da evolução molecular, particularmente por fornecer uma maneira de fazer previsões que podem ser testadas com dados empíricos. A teoria neutralista sustenta que a maior parte da variação nas sequências de DNA não afeta as chances de sobrevivência e reprodução dos indivíduos que as possuem e, portanto, o destino da variação genética seria determinado por processos estocásticos, ou seja, processos aleatórios que ocorrem nas populações.

Motoo Kimura (13/11/1924-13/11/1994) iniciou sua carreira científica como citologista de plantas. Ele era fascinado por plantas desde a infância. Mas seu interesse pelos cromossomos diminuiu quando ele começou a desejar “fazer algo em genética como o que os físicos teóricos faziam na física”. A partir de então, entregou-se aos encantos abstratos da genética de populações. Determinado a entender os trabalhos de Sewall Wright, um dos fundadores do campo, Kimura fazia visitas frequentes ao departamento de matemática, frequentava aulas, fazia perguntas e aprendia sozinho com livros, até ganhar a familiaridade para compreender os argumentos de Wright, criticá-los e estendê-los.

Kimura foi então contratado para trabalhar no Instituto Japonês de Genética. A instalação ficava em um escritório improvisado que antes era uma fábrica de aviões de guerra. Não havia biblioteca, acesso a revistas científicas estrangeiras e nem colegas que compreendessem suas ideias e que pudessem discutir seu trabalho. Um deles, no entanto, havia estudado no famoso laboratório das moscas de Thomas Hunt Morgan, nos Estados Unidos. Taku Komai recomendou que Kimura completasse sua formação no exterior e o apresentou a um cientista norte-americano que trabalhava para a Comissão de Acidentes pela Bomba Atômica. Em pouco tempo, Kimura tinha uma bolsa de estudos, um apoio para viagem da Fulbright, um dos programas de bolsas de estudo mais prestigiosos do mundo, e uma passagem para Seattle.

Em 1953, Kimura atravessou o Pacífico, de Yokohama no Japão até Seattle, nos Estados Unidos, para iniciar seu Doutorado na Iowa State University, escapando da solidão e da austeridade do Japão no pós-guerra. Durante as duas semanas de viagem, Kimura se dedicou às equações e escreveu um artigo sobre como as populações evoluem quando a intensidade da seleção natural flutua aleatoriamente. Esse artigo foi apresentado em um conferência em Madison, Wisconsin, onde conheceu James F. Crow, com quem teria uma parceria intelectual duradoura, que marcou os nomes de ambos na história da genética de populações.

A evolução dos organismos depende do surgimento de variabilidade genética, criando novas versões dos genes – os alelos – e da variação na frequência desses alelos nas populações ao longo do tempo. Isso acontece por meio de quatro processos: (1) mutação que gera variação, (2) migração, (3) seleção natural e (4) deriva genética. Os três últimos fatores mudam a frequência dos alelos nas populações, ao longo das gerações.

O destino das mutações que afetam as chances de sobrevivência e reprodução, ou seja, o fitness, de seu portador é determinada, em parte, pela seleção natural. Novos alelos que aumentem as chances de sobrevivência e reprodução de seus portadores tendem a ter um aumento de frequência na população. Essa é a chamada seleção positiva. Inversamente, novas mutações que diminuem as chances de sobrevivência e reprodução tendem a diminuir de frequência na população, por um processo chamado de seleção negativa ou purificadora. Por fim, é também possível que a nova mutação seja vantajosa apenas em heterozigotos (quando cromossomos homólogos portam diferentes alelos). Esses alelos são mantidos em frequências intermediárias, por um processo chamado de seleção balanceadora.

No entanto, as mutações que surgem nas populações não estão sujeitas apenas à ação da seleção natural. Vamos considerar, por exemplo, uma população na qual todos os indivíduos têm exatamente as mesmas taxas de sobrevivência, reprodução, fertilidade e viabilidade, ou seja, têm o mesmo fitness. Todos esses indivíduos teriam então a mesma chance de contribuir com seus alelos para a próxima geração e não haveria atuação da seleção natural. Nesses casos, com populações finitas, as frequências dos alelos podem mudar ao acaso, pela simples amostragem de gametas (já que nem todos os gametas produzidos gerarão indivíduos adultos na próxima geração). Em populações com cruzamento ao acaso, a amostragem de gametas é comparável a um sorteio. Esse processo é chamado de deriva genética. A deriva genética, assim como a seleção natural, leva a mudanças nas frequências dos alelos, mas, diferentemente da seleção natural, essa mudança é aleatória. Assim, mutações que não afetam a aptidão dos indivíduos, ou seja, mutações neutras, têm seu destino determinado essencialmente pela deriva genética. Essas mutações podem ser fixadas ou perdidas sem ação da seleção natural. A deriva genética já foi assunto deste blog.

Antes de um trabalho de Kimura de 1968, o consenso era de que a seleção natural tinha um papel dominante na evolução dos organismos. Assim, as diferenças que ocorrem entre espécies (divergência) seriam decorrentes de mutações que foram fixadas por meio da seleção natural e, dentro das espécies, o polimorfismo seria mantido por seleção balanceadora. Alelos são fixados quando atingem 100% de frequência em uma população, ou seja, todos os indivíduos o possuem em homozigose. Analisando novos dados empíricos e novos modelos matemáticos que desenvolvera, Kimura propôs uma nova teoria, desafiando a teoria selecionista. De acordo com ele, sua teoria sugere que a grande maioria das mudanças evolutivas ao nível molecular não são decorrentes da ação da seleção natural sobre mutações benéficas, mas da fixação de mutações neutras por meio do efeito cumulativo da deriva (devido ao tamanho populacional finito).

Logo após a publicação, sua teoria causou controvérsia entre seus colegas. Kimura chegou a ser erroneamente chamado de anti-Darwinista. No entanto, a ideia de que variações neutras poderiam existir, foi mencionada pelo próprio Darwin: “variações que não são benéficas nem prejudiciais não seriam afetadas pela seleção natural, e poderiam permanecer como um elemento flutuante, como vemos em certas espécies polimórficas, ou poderiam se tornar fixadas, devido à natureza do organismo e à natureza das condições”. Além disso, Kimura nunca negou o papel da seleção natural, apenas foi contrário a hipótese de que a maioria do polimorfismo nas populações e da divergência entre espécies fosse resultado da seleção. Sua teoria fez (e ainda faz) previsões testáveis sobre a evolução molecular de sequências, dentro e entre espécies. De fato, o aumento da disponibilidade de sequências de DNA permitiu testar suas previsões. Por exemplo, em sequências codificantes de proteínas, mudanças entre códons que codificam o mesmo aminoácido (substituições sinônimas) são mais frequentes que mudanças que levam à troca de aminoácidos (substituições não-sinônimas). Outra observação é de que a maioria das sequências não codificantes evolui a uma taxa mais rápida, ou seja, apresenta mais diferenças entre espécies. Essas observações contradizem a teoria selecionista, pois se a maioria das substituições que contribuem para a divergência das espécies tivesse sido fixada por seleção, seria esperada uma menor diferença nas regiões que não afetam o fenótipo (regiões não-codificantes e posições sinônimas dos códons).

O estudo da contribuição relativa da seleção natural e da deriva genética para o surgimento e a manutenção do polimorfismo (variação que ocorre entre indivíduos da mesma espécie) e da divergência (variação que ocorre entre as espécies, mas não dentro delas), ainda é tema de inúmeros trabalhos em evolução. Ainda não há uma resposta sobre qual processo seja o mais importante, e é provável que nunca haja, já que a contribuição desses processos varia de espécie para espécie. Cada espécie tem uma história demográfica diferente que pode deixar marcas em seu genoma. Importante aqui é que a teoria neutralista de Kimura forneceu o arcabouço teórico para os testes de seleção – a teoria virou a hipótese nula dos trabalhos em biologia evolutiva. Graças a ela, sabemos o que esperar se as sequências em estudo tiverem evoluído na ausência de pressões seletivas. Ao rejeitar essa hipótese, temos uma evidência de atuação de seleção natural.

Em 2018, a teoria neutralista de Kimura completou 50 anos e foi tema de um dos encontros mais importantes da área, o encontro da Sociedade de Biologia Molecular e Evolução. No encontro, Daniel Hartl, professor da Universidade de Harvard, também orientado por James Crow, conta que Kimura tinha um talento impressionante para matemática. Mas não era só isso que o impressionava. Seu esforço e dedicação era uma de suas características mais marcantes: “Motoo chegava ao laboratório todos os dias pontualmente às 8h e retirava alguns lápis do bolso de seu paletó. Apontava-os um a um e entrava em sua sala, onde ficava toda manha até às 13h. Saía, almoçava, apontava novamente seu conjunto de lápis e voltava para sua sala onde trabalhava em seus modelos até às 17h”. Repetindo essa rotina dedicada, Kimura conseguiu seu lugar na história da genética de populações.

Segundo J. B. S. Haldane a maior honra que um cientista pode ter é que sua teoria seja tão aceita que seu nome não esteja mais associado a ela. Nós não mencionamos mais Mendel quando realizamos experimentos de genética ou Sturtevant quando mapeamos cromossomos. Da mesma forma, a evolução por flutuação aleatória nas frequências alélicas é a hipótese nula de inúmeros estudos modernos de evolução molecular e genética de populações. Na maioria dos casos, Kimura não é citado e, curiosamente, esta é sua maior honra.

Tatiana T. Torres (USP)

Para saber mais:

Motoo Kimura (1968) Evolutionary rate at the molecular level. Nature, 217:624-26. — Artigo original escrito por Kimura, descrevendo a teoria neutralista.

Tomoko Ohta (1996) Motoo Kimura. Annual Review of Genetics, 30:1-5. — Revisão escrita pela Tomoko Ohta, cientista supervisionada por Kimura em seu pós-doutorado que depois tornou-se importante colaboradora. Junto com Kimura, propôs a teoria quase-neutra.

Os cientistas por trás das páginas impressas

Para aprender como a ciência é feita, é fundamental aprender a questionar o que é lido nos livros, dirigir perguntas aos seus autores, e engajar em diálogos com os cientistas que publicam artigos.

Um dos livros que usei no meu segundo ano de graduação, quando já me arrisquei numa disciplina optativa avançada de Biologia Molecular, foi o clássico Molecular Biology of the Gene, que tem James Watson como um dos autores. Esse livro servia de espinha dorsal para uma disciplina oferecida pelo professor Carlos Menck. Atualizado, bem ilustrado e escrito por uma equipe que representava a nata da biologia molecular, era a fonte mais completa para o assunto. Ao longo das aulas cobríamos o seu conteúdo, discutindo passo-a-passo os experimentos seminais da biologia molecular, os mecanismos biológicos sob ótica molecular, e os desafios que o futuro poderia trazer.

Entretanto, o processo de ler e discutir o livro ofereceu um aprendizado que ia muito além de suas páginas, e que eu não antecipava quando comecei o curso. Em várias ocasiões, ao ler um trecho ou examinar uma figura, a discussão liderada pelo Menck colocava em xeque algo que o livro afirmava. Ora era a interpretação de um experimento, em outras ocasiões surgia um certo ceticismo sobre a descrição de uma imagem, em outras era uma ressalva à ênfase seletiva em alguns achados, em detrimento de outros. Ali, pela primeira vez na minha vida de estudante, eu tomava contato com o fato de que o que estava escrito num livro texto (e, nesse caso, de autoria de um prêmio Nobel!) podia ser desafiado, discutido, questionado. Aprendia que no estudo das ciências, mesmo diante dos livros mais respeitados, não precisávamos aceitar como autoridade inquestionável o que nos era apresentado. Isso, para mim, foi um divisor de águas. Como aluno, eu teria que ter algum grau de protagonismo no processo de aprendizado, deveria me posicionar criticamente sobre aquilo que lia.

Questionando o autor

Alguns anos mais tarde, já durante meu doutorado na Universidade da Califórnia, em Berkeley nos Estados Unidos, tive uma nova experiência marcante. Junto com alguns colegas havia lido um livro provocativo, de autoria do matemático e biólogo teórico Brian Goodwin (1931-2009). Tratava-se de How the Leopard Changed its Spots, no qual Goodwin argumentava que a ênfase excessiva nos processos de seleção natural deixava de contemplar a importância das leis da física no processo evolutivo. Para Goodwin, as leis que regem a interação entre moléculas e explicam como elas se difundem no espaço são essenciais para entender o processo de transformação dos seres vivos. Para ele, os organismos possuem suas formas atuais em função daquilo que as leis da física permitem, e não como consequência da ação da seleção natural. Na época achei essas ideias interessantes, mas me pareceu que relegar a seleção natural a um segundo plano, e tentar explicar o processo de adaptação com referência apenas a leis físicas era difícil de aceitar. Me parecia que uma ideia importante (a de que leis físicas têm um espaço importante a ocupar em teorias evolutivas) estava sendo levada longe demais.

Por uma feliz coincidência Goodwin visitou Berkeley nessa época, e os alunos marcaram uma reunião informal com ele, durante a qual poderíamos conversar sobre os seus trabalhos e ideias científicas em geral. Fui para a conversa munido de minhas críticas à forma como ele havia escanteado –- a meu ver, desnecessariamente— a seleção natural através de sua visão de transformação evolutiva regida por leis físicas. Para minha surpresa, encontrei um cientista muito mais afável e maleável do que a leitura do seu livro indicava. Se nas páginas escritas ele era enfático quanto à importância de desafiar a seleção natural, na conversa ele mostrou uma face conciliadora. Diante de minhas perguntas, ele sorriu amigavelmente e explicou que na hora de escrever o livro era importante “carregar um pouco nas tintas” para dar mais ênfase à sua mensagem, mas que ele certamente achava promissora uma teoria com espaço tanto para as leis da física, quanto para o processo de seleção natural. Ali, experimentei um novo divisor de águas. Vi que as ideias de um cientista se misturavam ao estilo que ele usava para persuadir seus leitores. Vi um exemplo de que o que está na página impressa é apenas uma face das ideias que um cientistas desenvolve, e uma face com vieses e — nesse caso pelo menos— alguma dose de exagero. Novamente, concluí que o protagonismo cabia ao leitor. O livro não “falava por si”, tinha que ter seu conteúdo filtrado, avaliado criticamente.

Alunos conversam com cientistas

Encerro meus relatos compartilhando uma experiência recente, realizada este ano na disciplina optativa que ministro na USP, chamada Genética Evolutiva. O curso teve como foco a modelagem de processos evolutivos, e nele discutimos as forças que moldam a variabilidade genética em populações. Entre os temas está como características como taxas de reprodução e tamanho dos gametas influenciam a diversidade genética (algo previamente abordado neste blog). Esse assunto foi abordado usando um artigo de autoria de Jonathan Romiguier, atualmente na Universidade de Lausanne. Também abordamos um outro processo que modula a diversidade genética, que é a seleção natural. Esse tema foi abordado usando um artigo de Tim Sackton, atualmente na Universidade de Harvard, que mostra que quando a seleção favorece uma mutação numa região do genoma, ocorre uma homogeneização na população não só no sítio selecionado, mas também em regiões vizinhas do genoma (num processo chamado carona genética, previamente discutido neste blog).

Os temas são desafiadores, e representam questões ainda em aberto, foco de muitos debates. Os artigos também trazem desafios, com tratamentos matemáticos sofisticados. Frente a isso propus embarcamos numa atividade pedagógica diferente. A minha ideia era dar aos alunos uma oportunidade para se dirigirem diretamente aos autores dos artigos que tínhamos lido, apresentando perguntas e ideias. Após entrar em contato com os dois autores (Tim Sackton e Jonathan Romiguier), acertei com eles uma data para que os alunos enviassem perguntas sobre os artigos. Os dois autores se comprometeram a enviar respostas às questões por escrito, num prazo compatível com a duração do curso.

Para a maioria dos alunos, era a primeira disciplina que os colocavam em contato com a literatura primária. Além disso, os artigos haviam gerado uma grande quantidade de perguntas, tanto referente à compreensão do que era apresentado, como em relação às implicações dos achados relatados. Assim, a oportunidade de interagir diretamente com os autores era promissora.

O trabalho envolveu algumas etapas. Primeiro, os alunos se reuniram em grupos e propuseram duas perguntas para cada artigo. A seguir, eu me reuni com os grupos e discuti as perguntas, revisando a redação (em inglês), a precisão conceitual e a relevância. Desse processo chegamos a oito perguntas para cada autor, que foram enviadas. Três semanas depois, recebemos as respostas. Uma aula inteira foi dedicada à discussão de cada uma delas, com os grupos que haviam formulado a pergunta sendo responsáveis por comentar a respostas recebidas. Finalmente, na avaliação da disciplina, propus uma investigação da literatura baseada em alguma ideia que tinha sido levantada pela troca com os autores.

E o que aprendemos nesse processo

Primeiro, vimos que o processo de elaborar uma pergunta precisa sobre um trabalho científico é algo imensamente desafiador. Requer domínio do trabalho em questão, do contexto teórico em que ele se insere, e da detecção de um tema que ficou “em aberto”. Propor uma pergunta que será lida pelo autor é muito mais difícil do que simplesmente discutir o texto ou levantar críticas sem o desafio de compartilhá-las. Criticar textos que lemos é desejável, mas não é fácil.

Em segundo lugar, o trabalho científico pôde ganhar uma nova vida. No caso do Tim Sackton, por exemplo, ele nos contou como nasceu a ideia original do trabalho (motivado por um outro estudo, que havia mostrado que a variação genética é surpreendente homogênea entre os mais variados seres vivos). Enxergamos um pouco mais sobre o que levou aqueles pesquisadores a se lançarem naqueles projetos, na medida em que eles explicitaram, nas respostas às perguntas, as questões que os moviam.

Em terceiro lugar, a troca permitiu lançar um olhar sobre como a ciência é feita. Jonathan Romiguier, frente a questões sobre a relação entre taxas de especiação e diversidade genética, admitiu que essa é uma “hipótese comum, mas que eu pessoalmente não vejo apoiada…” para então elencar as razões. Ele diagnosticava uma visão predominante, abria espaço para sua opinião pessoal, para então explorá-la. Diante dos olhos dos alunos um debate atual ganhou vida, não filtrado por um livro texto, mas expresso nas palavras de um pesquisador que manifesta seu ceticismo sobre uma ideia estabelecida e indica caminhos futuros. É assim que a ciência é feita, mas nem sempre isso transparece nos livros ou artigos.

Em quarto lugar, os alunos puderam perceber que estão mais próximos de fazer contribuições científicas do que poderiam imaginar. Por exemplo, para algumas questões os autores iniciam suas respostas dizendo que “há de fato outros grupos trabalhando nessa questão”, e outras eles admitem “ser uma questão interessante”, para então ponderar os desafios necessários para levá-las adiante. Ficava claro que os alunos haviam assumido um protaganismo científico, identificando questões em aberto e propondo estratégias para abordá-las. O comentário de um especialista servia para mostrar que os alunos já estavam numa posição de participar do diálogo de um modo informado, e não se restringir à posição de leitor do conteúdo gerado, sem ter nada a oferecer em troca.

Esses três relatos captam diferentes momentos da minha vida: como aluno de graduação, doutorando e professor. Todos têm um elemento central em comum: o aprendizado de que em ciência –assim como em outros aspectos de nossas vidas– a construção do conhecimento é uma atividade humana, falível e sujeita a idas e vindas, debates e críticas. Compreender isso nos coloca um pouco mais próximos de sermos agentes do processo que gera conhecimento.

Diogo Meyer (USP)

Para saber mais:

Os artigos que os alunos leram e discutiram com os autores foram:

R.B. Corbett-Detig, D.L. Hartl, T.B. Sackton, Natural Selection Constrains Neutral Diversity across A Wide Range of Species, PLoS Biol. 13 (2015) 1–25.

J. Romiguier, P. Gayral, M. Ballenghien, a. Bernard, V. Cahais, a. Chenuil, Y. Chiari, R. Dernat, L. Duret, N. Faivre, E. Loire, J.M. Lourenco, B. Nabholz, C. Roux, G. Tsagkogeorga, a. a.-T. Weber, L. a. Weinert, K. Belkhir, N. Bierne, S. Glémin, N. Galtier, Comparative population genomics in animals uncovers the determinants of genetic diversity, Nature. 515 (2014) 261–263

Imagem de abertura: Gabriel Sainz

Um mar de micróbios

Quando pensamos nas palavras “mar” e “micróbios” juntas, geralmente nos vem a imagem de uma praia poluída e imprópria para banho, certo? Mas esses seres tão abundantes tem papeis muito importantes nos ambientes marinhos além de apenas causarem doenças nos animais marinhos e em nós. Os microrganismos marinhos, ou, como se costuma chamar na ciência, a microbiota marinha, desempenham papeis centrais nas cadeias alimentares, assim como nos ciclos biogeoquímicos, como, por exemplo, os ciclos do carbono e nitrogênio. No post de hoje trago alguns exemplos sobre o papel dos microrganismos no funcionamento e resiliência dos ambientes marinhos, mais especificamente, nos recifes de corais.

Esses recifes são formados e mantidos através da deposição de carbonato de cálcio, principalmente nos esqueletos dos corais. Os tecidos translúcidos dos corais são habitados por “algas” unicelulares conhecidas como zooxantelas (que são hoje classificadas como dinoflagelados do gênero Symbiodinium) que dão cor aos seus hospedeiros. Essas algas são responsáveis por grande parte do suprimento energético dos corais, através de sua atividade fotossintética, liberando açúcares nos tecidos dos corais, que são sua principal fonte de carbono. Além dessas algas, os corais vivem em simbiose estreita com bactérias que são responsáveis, dentre outras coisas, por fixar nitrogênio para os corais.

Mas nem tudo é um mar de rosas para os corais. Quando expostos a fatores estressantes, como, por exemplo, o aumento da temperatura da água do mar, essa relação simbiótica é rompida, e os corais perdem seus parceiros, ficando brancos. Este fenômeno é conhecido como branqueamento de corais e pode ter diversas causas, a exemplo da infecção por bactérias do gênero Vibrio, do mesmo gênero das que causam a cólera nos seres humanos.

Figura 1: Coral endêmico do Brasil, *Mussismilia hartii*, apresentando sinais de branqueamento (Foto: Pedro Meirelles, Abrolhos/BA)

O mais interessante é que, com o avanço na compreensão sobre a abundância e diversidade dos microrganismos presentes nos recifes, principalmente através de abordagens metagenômicas (ver este post para mais detalhes sobre essas abordagens), temos compreendido como a atividade humana local está relacionada com as doenças e a saúde dos corais. A retirada de peixes e o aporte de nutrientes (poluição por esgoto, por exemplo) influenciam diretamente o crescimento de algas, que competem por espaço com os corais, além de alimentar uma microbiota de crescimento rápido e heterotrófico, que sufoca os corais, e estimular o crescimento de microrganismos patogênicos. Esse ciclo vicioso foi observado no oceano Pacífico e aqui em Abrolhos e na Cadeia Vitória-Trindade. O contrário também é verdadeiro, em recifes saudáveis, com populações de peixes abundantes e com alta cobertura de corais, a microbiota da água é dominada por microrganismos benéficos a saúde dos corais.

Figura 2: Na foto, os recifes de Abrolhos (BA) são resultado da relação próxima entre microrganismos e corais, mas também do balanço de microrganismos responsáveis por manter os recifes em um estado saudável e microrganismos patogênicos presentes na água (Foto: Pedro Meirelles).

Mergulhar fundo no mar dos microrganismos e conhecer sua diversidade é um grande desafio e nos dá grandes oportunidades para compreendermos mais, possibilitando que possamos nos relacionar melhor com os ambientes marinhos de que tanto dependemos. Como visto, a microbiota está diretamente ligada à saúde, seja dos ambientes como um todo ou dos hospedeiros. Diversos estudos vêm mostrando como essa ligação se dá e alguns até apontam meios para intervir em caso de desequilíbrio, a exemplo de propostas como a terapia por fagos… mas este é assunto para outro post… até a próxima.

Pedro Milet Meirelles

(Laboratório de Bioinformática e Ecologia Microbiana

Instituto de Biologia da UFBA)

meirelleslab.org

Para Saber mais:

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Foto de abertura: Parecem constelações, galáxias, universos, mas são microrganismos marcados por corantes fluorescentes, vistos em microscopia. Uma colher de sopa de água do mar contém mais de 1 milhão de bactérias (Fonte: http://www.news.ucsb.edu/2017/018057/confluence-science-and-art)