Simbiontes, ávores, decomposicão e mudanças climáticas: Associações invisíveis e o futuro das florestas

Cientistas publicam mapa da distribuição global de simbiontes de espécies arbóreas e revelam que as taxas de decomposição estão entre os principais fatores que controlam dessa distribuição.

Como já dizia o ditado, o que os olhos não vêem, o coração não sente. Talvez por isso o “mundo subterrâneo” seja ainda tão pouco estudado. Mas, a diversidade de vida “escondida” no solo é impressionante: ela representa aproximadamente ¼ de toda a vida do planeta, e sabemos ainda muito pouco sobre ela. Conhecemos apenas algo em torno de 1% dos microorganismos presentes no solo. No entanto, há mais de duas décadas, sabemos que a saúde dos solos e da biodiversidade ali presente é fundamental para o funcionamento adequado dos ecossistemas terrestres (veja aqui um outro post do Darwinianas onde discuto a importância dos solos para os ecossistemas terrestres). A biodiversidade do solo participa de processos essenciais como a decomposição de matéria orgânica e a ciclagem de nutrientes, a fertilidade e a disponibilidade de água. Continue Lendo “Simbiontes, ávores, decomposicão e mudanças climáticas: Associações invisíveis e o futuro das florestas”

Uma nova luz sobre o papel da serotonina na herança

Cientistas descobrem que a serotonina está diretamente envolvida em mudanças epigenéticas no DNA, abrindo novos caminhos para o entendimento da relação entre DNA, o comportamento humano, e transtornos psiquiátricos.

Uma das coisas mais fascinantes, para mim, é pensar que dentro da maioria das nossas células, precisamente dentro do núcleo das nossas células diploides, possuímos aproximadamente 2 metros de DNA. Se considerarmos que o corpo humano possui uma média de 50 trilhões de células, cada um(a) de nós carrega diariamente algo em torno de 100 trilhões de metros de DNA, o equivalente a 300 vezes a distância entre a Terra e o Sol, ou a 2,5 milhões de voltas ao redor do globo! Ainda mais interessante é pensar que, em mamíferos, o tamanho do núcleo varia entre 11 e 22µm (um µm é um milionésimo do metro). Como é possível colocarmos tanto DNA dentro de estruturas tão pequenas como o núcleo celular?

A principal estratégia que evoluiu em nossas células para compactar os 2 metros de DNA dentro do núcleo é enrolá-lo em proteínas, e as principais proteínas utilizadas por células nucleadas, tais como as nossas, são as histonas. Pares de histonas H2A, H2B, H3 e H4 se unem para formar o cerne da estrutura primária de compactação do nosso DNA, o nucleossoma (Figura 1). O DNA dá aproximadamente duas voltas em torno desse conjunto de histonas, e cada núcleo possui centenas de milhares de nucleossomas. Essa é apenas a primeira etapa de compactação do DNA dentro do núcleo celular. Veja aqui mais detalhes a respeito de outras estratégias que evoluíram em nossas células para compactar o DNA.

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Figura 1 – Estrutura do nucleossoma. Histonas H2A, H2B, H3 e H4 compõe o centro do nucleossomo, ao redor do qual o DNA dá duas voltas. [Fonte: Modificado de Richard Wheeler (Zephyris) – English Wikipedia, CC BY-SA 3.0].
Mas as histonas não estão apenas no cerne dos nossos nucleossomas. Desde o início da década de 1950, a íntima relação das histonas com o DNA sugeriu um papel importante  dessas proteínas na modificação de certas propriedades do DNA. Quatorze anos mais tarde, Allfrey e colaboradores sugeriram pela primeira vez que modificações químicas das histonas, como acetilação e metilação, eram possíveis mecanismos pelos quais essas proteínas influenciavam propriedades do DNA, facilitando ou interferindo no acesso ao DNA pela maquinaria celular. Hoje sabemos que essas proteínas são importantes componentes dos mecanismos envolvidos no que chamamos de herança epigenética. Herança epigenética é qualquer herança que não envolve mudanças na sequência de nucleotídeos do DNA, e sim na forma como o organismo utiliza a informação genética ali presente. Na herança epigenética herdamos padrões de expressão gênica. Isso explica, por exemplo, como a partir do mesmo DNA presente em todas as nossas células, produzimos os mais de 200 tipos celulares distintos que compõem o nosso corpo.

Hoje conhecemos diversos mecanismos de herança epigenética, dentre os quais a modificação das histonas é um dos principais. Nas últimas décadas, começamos a entender o papel desses mecanismos na saúde e na doença. Por exemplo, hoje sabemos que a desregulação epigenética é uma característica comum em vários tipos de câncer, e a possibilidade de modificar os padrões de herança epigenética abre novas oportunidades de tratamento. Sabemos também que alterações epigenéticas estão ligadas ao envelhecimento, a doenças neurodegenerativas e a diabetes, dentre outras doenças.

Um aspecto bastante curioso dos mecanismos de herança epigenética é que eles sofrem influência dos hábitos de vida do organismo. Ou seja, a epigenética provê uma ligação entre os estímulos ambientais aos quais estamos expostos no nosso dia-a-dia e alterações nos padrões de expressão gênica. Um exemplo interessante dessa ligação é a relação entre dieta e longevidade. Hoje acreditamos que a epigenética pode explicar a relação entre o que comemos e o quanto vivemos. Ainda mais curioso é saber que essas alterações epigenéticas podem ser herdadas, mesmo após a remoção do estímulo inicial. Por exemplo, estudos em camundongos sugerem que o condicionamento ao medo, aprendido pelos pais, é herdado na geração seguinte, e a herança desse comportamento aprendido é mediada por modificações nas histonas.

Conhecemos hoje um número significativo de modificações químicas das histonas que influenciam os padrões de expressão gênica, dentre as quais as principais ainda são a metilação e a acetilação. Mas essa semana diversos pesquisadores revelaram uma nova classe de modificações: a serotonilação de histonas, ou seja, a ligação direta entre a serotonina e as histonas. A serotonina é uma molécula fundamental para o funcionamento do sistema nervoso e participa de diversos processos como inibição de comportamentos agressivos, regulação do sono e do apetite. Por muito tempo, a ideia de que a desregulação dos níveis de serotonina estava diretamente ligada a transtornos psiquiátricos, como depressão e ansiedade, foi amplamente aceita pela comunidade médica. No entanto, a relação entre serotonina, depressão e ansiedade não está ainda completamente esclarecida, embora seja inegável que o uso de inibidores seletivos de recaptação de serotonina foi um grande avanço no tratamento desses transtornos. A descoberta de que a serotonina está diretamente envolvida em modificações epigenéticas que resultam em mudanças na utilização do DNA pelas nossas células pode ser a peça que faltava para esse enigma.

A participação da serotonina em mecanismos de herança epigenética não é um fato novo. Já sabemos, por exemplo, que a serotonina é capaz de ativar cascatas de sinalização, mediante ativação do receptor de serotonina, que resultam na remodelação da cromatina, um dos principais mecanismos de herança epigenética (Figura 2a). Serotonilação de proteínas também não é, por si só, um fenômeno novo. Já sabíamos que a serotonina é capaz de se ligar a outras proteínas celulares, alterando o seu funcionamento. Mas essa é a primeira vez que temos evidência de que a serotonina se liga diretamente a histonas, modificando a interação dessas proteínas com o DNA e influenciando os padrões de expressão gênica (Figura 2b). Essa interação ocorre mediante o trânsito de serotonina para o núcleo celular, onde se liga diretamente a histonas (seta, Figura 2b).

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Figura 2 – Papel da serotonina nos mecanismos epigenéticos de (a) remodelação da cromatina e (b) serotonilação de histonas. [Fonte: Modificado de Cervantes & Sassone-Corsi, Nature 2019.
O padrão específico de serotonilação de histonas estudado pelos pesquisadores é observado, de maneira mais significativa, no cérebro e no intestino, dois dos principais órgãos de produção de serotonina no corpo. Os experimentos realizados sugerem também que a serotonilação de histonas leva a um aumento da expressão gênica nas regiões serotoniladas do DNA e que células com histonas mutantes, incapazes de sofrer serotonilação, apresentam padrões distintos de expressão gênica, que resultam em anormalidades na diferenciação celular.

Sem dúvida, ainda temos muito o que aprender a respeito dos mecanismos de herança epigenética e as implicações dessa herança para os processos de saúde e doença. A descoberta da serotonilação de histonas é apenas um exemplo do quanto ainda temos a pesquisar, e quão pouco ainda sabemos sobre a relação entre o nosso comportamento, nossas emoções e modificações epigenéticas.

Como nossas dietas e modos de vida influenciam essa forma de “marcar” o DNA? Como o nosso humor pode influenciar essas “marcações” e como isso pode influenciar o comportamento dos nossos filhos? Qual o papel da serotonilação de histonas nas doenças psiquiátricas? Teremos, agora, uma nova via de tratamento desses transtornos? Que outros efeitos a serotonilação de histonas possui no nosso metabolismo?  Enquanto não temos respostas a todas essas perguntas, sejamos prudentes: tenhamos menos medo e sejamos mais felizes. Talvez assim possamos influenciar positivamente (e epigeneticamente) as futuras gerações!

Ana Almeida

(California State University East Bay)

 

Para saber mais:

Carhart-Harris RL, Nutt DJ. 2017. Serotonin and brain function: a tale of two receptors. J. of Phychopharmacology, 31(9): 1091-1120.

Lacal I, Ventura R. 2018. Epigenetic Inheritance: Concepts, Mechanisms, and Perspectives. Frontiers in Molecular Neuroscience, doi: 10.3389/fnmol.2018.00292.

Lind MI, Spagopoulou F. 2018. Evolutionary consequences of epigenetic inheritance. Heredity, 121: 205-209.

Romanowska J, Joshi A. 2019. From Genotype to Phenotype: Through Chromatin. Genes, 10(2): 76.

Imagem de abertura: AndreaAP96. Wikipedia, CC-BY-SA-4.0.

De pai para filhos

Cientistas descrevem um fenômeno raro em humanos: a herança de mitocôndrias da linhagem paterna. Esse fenômeno pode ter inúmeras consequências para a medicina e para o nosso entendimento da evolução humana.

Mitocôndrias são importantes organelas encontradas em praticamente todas as células eucarióticas. Veja aqui um post do Darwinianas que discute uma exceção. Considerada em muitos livros didáticos como a “usina” da célula, é na mitocôndria que se dá a maior parte da produção de energia, resultante em larga escala dos processos de respiração celular.  A explicação mais amplamente aceita a respeito da origem e evolução das mitocôndrias, apresentada pela Teoria da Endossimbiose, é a de que essas organelas, assim como os cloroplastos, tiveram origem de bactérias simbiontes. Mitocôndrias são fascinantes: elas possuem DNA próprio muito semelhante ao DNA das bactérias, são capazes de se duplicar e possuem metabolismo largamente independente do metabolismo celular, principalmente no que se refere à produção de proteínas. E isso tudo acontece continuamente dentro de cada uma das nossas células!

O número de mitocôndrias em uma célula eucariótica varia enormemente e é dependente de vários fatores como o tipo de tecido, estágio do ciclo celular, fases do desenvolvimento, ou resposta a estresse. Em média, uma célula eucariótica pode possuir centenas ou até milhares de mitocôndrias. Em humanos, uma célula hepática pode ter até duas mil mitocôndrias, representando 1/5 do volume celular. Na grande maioria dos casos, todas as mitocôndrias de uma mesma célula possuem cópias idênticas, ou quase idênticas, do mesmo DNA mitocondrial, herdado inicialmente da mitocôndria materna, fenômeno chamado de homoplasmia. Em última análise, todos nós estamos evolutivamente conectados, por meio da linhagem materna de DNA mitocondrial que remonta aos primórdios da humanidade, ideia sintetizada na expressão Eva Mitocondrial. Com base nessa ideia, o genoma mitocondrial tem sido amplamente utilizado para compreendermos a origem e evolução humana, assim como os padrões de migração das populações ao longo dos tempos.

Em mamíferos, com raras exceções, a herança de mitocôndrias se dá a partir da linhagem materna. Ou seja, assim como ocorre em cães e gatos, herdamos mitocôndrias das nossas mães. Mas, essa não é a regra em outros grupos. Herança mitocondrial bi-parental acontece em cogumelos e leveduras, enquanto herança paternal acontece em plantas. Evolutivamente, no entanto, a herança bi-parental de mitocôndrias, que resulta em um fenômeno chamado de heteroplasmia, no qual populações distintas de mitocôndrias coexistem na mesma célula, parece não ser vantajosa. Apesar de não termos ainda uma boa explicação para esse fenômeno, estudos em camundongos sugerem que heteroplasmia leva a um possível conflito entre mitocôndrias distintas em uma mesma célula, particularmente em relação à eficiência na produção de energia. Em camundongos, heteroplasmia resulta em comprometimentos fisiológicos, cognitivos e comportamentais, o que pode, ao menos em parte, explicar a prevalência da herança uni-parental em mamíferos.

Durante a fertilização em mamíferos, mitocôndrias presentes no espermatozoide paterno penetram o óvulo materno. No entanto, o DNA mitocondrial paterno, ou em alguns casos as próprias mitocôndrias paternas, é rapidamente degradado. Em animais, diversos mecanismos de degradação já foram descritos. Em mamíferos, a degradação das mitocôndrias paternas depende do correto funcionamento de lisossomos ou de proteassomas, ambos altamente dependentes do DNA nuclear. Dessa forma, mutações em genes nucleares podem resultar em  casos de heteroplasmia.

No entanto, na grande maioria dos casos até hoje descritos, heteroplasmia em humanos resulta não da herança de mitocôndrias paternas, mas de mutações pontuais no DNA mitocondrial da linhagem materna, fenômeno conhecido como ‘maldição materna’ (do inglês “mother’s curse”). Assim como em camundongos, heteroplasmia em humanos está fortemente associada a doenças mitocondriais, nas quais o funcionamento da mitocôndria está comprometido. A maioria dessas doenças resulta em comprometimento fisiológico severo, ou até mesmo inviabilidade do embrião, e mulheres com altas taxas de mutações no DNA mitocondrial têm alta probabilidade de aborto ou de terem filhos com essas doenças.

Doenças mitocondriais são um grande desafio para a medicina. Diversos tipos de terapia de substituição ou transferência de mitocôndria vêm sendo desenvolvidos, mas os avanços dessas abordagens são ainda bastante recentes. O primeiro caso de sucesso de terapia de substituição de mitocôndrias foi descrito em 2016, no qual um bebê foi gerado a partir da contribuição tri-parental.

Esta semana, um estudo publicado na PNAS  apresentou dados intrigantes que podem levar a uma nova compreensão da heteroplasmia em humanos. Luo e colaboradores descreveram, a partir de dados de sequenciamento do DNA mitocondrial completo, casos de herança mitocondrial bi-parental em 17 indivíduos de três famílias não-aparentadas. Até hoje, sabíamos apenas de um outro caso de herança paterna de mitocôndrias em humanos, descrito em apenas um indivíduo. Este é, portanto, o primeiro estudo de herança bi-parental conduzido em famílias. O que é ainda mais surpreendente é que alguns desses indivíduos que apresentam herança bi-parental não apresentam qualquer sintoma, contrariando a ideia de que heteroplasmia é necessariamente disfuncional em humanos.

Os autores propõem que a herança bi-parental descrita nessas famílias é resultante de mutações no DNA nuclear desse indivíduos, interferindo na eliminação da mitocôndria paterna. No entanto, a busca pelos fatores genéticos que contribuem para heteroplasmia resultante de herança bi-parental ainda continua, pois os mecanismos envolvidos nesse processo ainda não foram completamente desvendados.  É curioso notar também que, na grande parte dos casos estudados até hoje, o sequenciamento do DNA mitocondrial é motivado por situações nas quais os indivíduos são afetados por doenças mitocondriais. Portanto, sabemos ainda muito pouco a respeito do DNA mitocondrial de pessoas normais. Sem dúvida, necessitamos de mais estudos para compreendermos a prevalência desse fenômeno na população e a sua relação com as doenças mitocondriais.

Entender os mecanismos que levam à heteroplasmia em humanos pode nos auxiliar no desenvolvimento de tratamentos que eliminem por completo a necessidade de terapia de transferência ou reposição mitocondrial, por exemplo. O estudo de casos de indivíduos heteroplásticos normais pode levar a um novo entendimento das relações entre o DNA mitocondrial e nuclear, assim como da interação entre mitocôndrias distintas em uma mesma célula. Mas, além das diversas possibilidades de aplicação desse conhecimento na cura de doenças mitocondriais, esse estudo pode ter implicações talvez ainda mais profundas. Se a heteroplasmia em humanos for mais prevalente do que inicialmente estimado, talvez precisemos revisar, ao menos em parte, a história evolutiva da nossa própria espécie, que baseia-se largamente no pressuposto da herança mitocondrial materna exclusiva.

Os resultados apresentados por Luo e colaboradores desafiam duas ideias largamente aceitas na comunidade cientifica: a maldição materna e a Eva mitocondrial. E para a ciência, o desafio de ideias historicamente estabelecidas é um momento de grande entusiasmo. Estudos futuros podem  resultar na necessidade de reinterpretação de ideias há muito consolidadas, abrindo novas vias de pesquisa e desenvolvimento até então não exploradas. Essas transformações podem resultar em uma mudança paradigmática do conhecimento científico vigente, o que Thomas Kuhn chamou de ‘revolução científica’. E, no caso da herança mitocondrial, essa revolução ‘vem de dentro’, de dentro de cada uma das nossas células.

Ana Almeida

California State University East Bay (CSUEB)

 

Para saber mais:

Barr, C.M.; Neiman, M.; Taylor, D.R. 2005. Inheritance and recombination of mitochondrial genomes in plants, fungi, and animals. The New Phytologist, 168(1): 39-50.

Bromham, L. et al. 2003. Mitochondrial Steve: paternal inheritance of mitochondria in humans. Trends in Ecology and Evolution, 18(1): 2-4.

Connallon, T. et al. 2017. Coadaptation of mitochondrial and nuclear genes, and the cost of mother’s curse. Proceedings of the Royal Society B, 285: 20172257.

Herst, P.M. et al. 2017. Functional mitochondria in health and disease. Frontiers in Endocrinology, 8(296): 1-16.

Tuppen, H.A.L, et al. 2010. Mitochondrial DNA mutations and human disease. Biochimica et Biophysica Acta, 1797: 113–128.

Figura – Eletromicrografia de mitocôndrias no tecido pulmonar de mamífero. Fonte: Wikipedia, Louisa Haward.

Agressividade, docilidade e domesticação: O que o genoma das raposas-vermelhas tem a nos dizer?

Cientistas sequenciam o genoma da raposa-vermelha (Vulpes vulpes) e de linhagens de raposas dóceis e agressivas em busca de regiões do genoma relacionadas a esses comportamentos.

No final da década de 1950, um geneticista russo iniciou um experimento fascinante: buscando entender as bases genéticas da domesticação e o papel do cruzamento seletivo nesse processo, Dmitry Konstantinovich Belyaev produziu inúmeras gerações de raposas em seu laboratório, no Instituto de Citologia e Genética em Novosibirsk, na Antiga União Soviética. Partindo de raposas-vermelhas selvagens (Vulpes vulpes), D. K. Belyaev e outros pesquisadores selecionaram por meio de cruzamento seletivo três populações distintas de raposas. Raposas que apresentavam comportamento dócil em relação aos seres humanos cruzaram entre si, gerando, ao longo de muitas gerações, uma população de raposas dóceis. Raposas agressivas em relação aos humanos cruzaram entre si, gerando uma linhagem de raposas agressivas, enquanto um terceiro grupo cruzou ao acaso, não sendo submetido a cruzamento seletivo. Esse famoso experimento de domesticação de raposas vermelhas está em operação até os dias de hoje, resultando no cruzamento seletivo de mais de 50 gerações de raposas de comportamento dócil, e mais de 40 gerações de raposas de comportamento agressivo (Figura 1). Continue Lendo “Agressividade, docilidade e domesticação: O que o genoma das raposas-vermelhas tem a nos dizer?”

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.

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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)

Quais as consequências a longo-prazo da perda de biodiversidade?

Estudo de mais de 20 anos sugere que os efeitos da perda de biodiversidade são dependentes do contexto. Ou seja, ecossistemas distintos respondem de diferentes maneiras à perda de biodiversidade, e nós ainda temos muito o que aprender.

Desde criança, sempre sonhei com matas densas, cheias de bichos e plantas das mais variadas cores, formas e tamanhos. Por vezes, esses sonhos eram ricos de uma sensação interminável de aventura e descoberta: em cada direção havia algo novo a conhecer e se encantar. Nas manhãs após esses sonhos, acordar era um choque de realidade, pois as paredes quase brancas do meu quarto estavam muito aquém da riqueza desses universos que deixava para trás. Para os amantes da natureza como eu, imaginar essas paisagens é tarefa fácil. Hoje, como bióloga, vejo na prática que estudar a diversidade da vida é tão fascinante quanto desvendá-la em meus sonhos, e os processos que geram essa imensa biodiversidade na natureza são ainda mais criativos do que a minha imaginação de criança.

Hoje conhecemos algo em torno de 260.000 espécies de plantas e quase 2 milhões de espécies animais, além de milhares de espécies de fungos e incontáveis espécies de bactérias. Mas, alguns cientistas estimam que ainda desconhecemos algo em torno de 86% e 91% das espécies existentes nos ambientes terrestres e nos oceanos respectivamente! Esses números são, ao mesmo tempo, impressionantes e assustadores. Impressionantes, pois se a diversidade conhecida já é fascinante e os usos que dela fazemos incontáveis, é instigante imaginar que ela representa menos (muito menos!) da metade de tudo que existe na natureza.

Mas, esses números são também assustadores porque com as taxas atuais de extinção de espécies e destruição de ambiente naturais cientistas calculam que até 54% das espécies poderão ser extintas na próximas décadas. Frente a esse cenário não muito otimista, o estudo da biodiversidade e dos impactos causados pela sua perda são imperativos.

Os efeitos da perda de biodiversidade no funcionamento das comunidades ecológicas é um tema largamente estudado na ecologia. No entanto, vários aspectos importantes dos efeitos ecossistêmicos de longo-prazo da perda de biodiversidade ainda permanecem sem resposta. Um deles diz respeito a como esses efeitos são dependentes do contexto ambiental. Por exemplo, qual o efeito da perda de biodiversidade em diferentes comunidades vegetais? E como nem toda perda de biodiversidade se dá de forma semelhante, qual o efeito da perda de diferentes números de espécies na comunidade? A diversidade de comunidades vegetais é capaz de tamponar a variabilidade ambiental decorrente de perturbações externas ou flutuações nas condições ambientais?

Para tentar responder essas perguntas, cientistas estudaram os efeitos a longo prazo da perda de biodiversidade em 30 ilhas florestadas dos lagos Hornavan e Uddjaure, no norte da Suécia. Nessa região, a principal perturbação ambiental é o fogo que ocorre naturalmente, decorrente de tempestades de raios: ilhas maiores tendem a sofrer mais queimadas do que ilhas menores, criando um gradiente natural de perda de biodiversidade entre as ilhas de grande (com mais de 1.0 hectare), médio (entre 0.1 e 1.0 hectare) e pequeno porte (com menos de 0.1 hectare). Nessas ilhas, os pesquisadores ativamente removeram, em diferentes combinações, três das principais espécies do sub-bosque local (Vaccinium myrtillus, Vaccinium vitis-idaea e Empetrum hermaphroditum) (Figura 2), utilizando o gradiente natural de diversidade das diferentes ilhas. Em algumas ilhas, essas espécies chegaram a representar 98% do sub-bosque. Além disso, em geral, ilhas de maior porte apresentaram também maior produtividade e maior fertilidade dos solos, enquanto as ilhas menores apresentaram menor produtividade e fertilidade. Assim, o gradiente naturalmente formado simulou as variadas condições nas quais a perda de biodiversidade foi estudada pelos pesquisadores.

 

 

Figura 2 – (a) Localização dos lagos Hornavan e Uddjaure, ao norte da Suécia. (b) Vaccinium myrtillus (Photo: Anneli Salo, https://www.google.com/search?q=Vaccinium+myrtillus&client=firefox-b-1&tbm=isch&source=lnt&tbs=sur:fc&sa=X&ved=0ahUKEwiQ06207qbbAhXNHTQIHURyAygQpwUIIA&biw=1138&bih=501&dpr=1.2#imgrc=DHc10hLDxVnvPM:; (c) Vaccinium vitis-idaea (Photo: Arto J, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lingonberry_(Vaccinium_vitis-idaea)_-_panoramio.jpg); (d) Empetrum hermaphroditum (Photo: Dawn Endico,  https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Empetrum_nigrum_Denali_AK.jpg).

Um dos aspectos principais desse estudo é que ele foi conduzido em comunidades naturais, em contraste com os estudos anteriores a respeito do papel da biodiversidade no funcionamento dos ecossistemas, geralmente realizados em ambientes altamente controlados e em comunidades aleatoriamente construídas. Nesse trabalho, os autores estudaram os efeitos a longo prazo da perda de biodiversidade na biomassa da comunidade vegetal e na variabilidade temporal dessa biomassa por um período de 20 anos. Ou seja, eles observaram a capacidade das comunidades de plantas em incorporar matéria orgânica após a remoção de uma, duas ou três das espécies vegetais dominantes do sub-bosque, e estudaram também como essa incorporação de biomassa variou ao longo do tempo.

Os autores confirmam o fato de que a perda de espécies nas diferentes ilhas reduz significativamente a biomassa vegetal das comunidades. Mas, contrário aos achados anteriores a esses estudos altamente controlados, os dados sugerem que esse efeito não necessariamente aumenta com o tempo, provavelmente devido a respostas compensatórias de outras espécies da comunidade. Porém, essas respostas compensatórias dependem largamente das interações entre as espécies locais e do contexto ecológico. Ou seja, o efeito da perda de biodiversidade na biomassa de comunidades vegetais decresce com o tempo, e esse decréscimo é mais evidente em comunidades menos produtivas e menos férteis.

Outro dado interessante é que a perda de diferentes espécies acarretou um aumento na variabilidade temporal da biomassa dessas comunidades, e esse efeito foi observado em maior intensidade nas comunidades mais produtivas e nas ilhas mais férteis. Ou seja, em áreas de maior produtividade, a biomassa sofreu, decorrente da perda de biodiversidade, as maiores variações ao longo desses 20 anos, quando comparado as áreas de menos produtividade.

Em geral, o impacto negativo da perda de biodiversidade nas diversas ilhas estudadas foi dependente da espécie removida e da possibilidade de compensação pelas espécies remanescentes locais. Isso sugere que as repostas ecossistêmicas à perda de espécies depende sobremaneira do contexto ambiental. Nesse caso, um ecossistema seria resiliente à perda de espécies apenas se outras espécies locais fossem capazes de ocupar o nicho deixado pela(s) espécies eliminada(s). Ilhas maiores, ou áreas em contato próximo com outras regiões seriam capazes de suprir novas espécies para a comunidade, e, portanto mais resilientes a perda de espécies.

Com base no que já sabemos hoje, tanto de observações de campo quanto de estudo experimentais, parece inquestionável a importância da biodiversidade para a manutenção da saúde dos ecossistemas e, em última análise, de nós humanos. Há muitas décadas, a comunidade científica nacional e internacional aponta para a necessidade de preservação da biodiversidade, principalmente em um país como o nosso, que abriga uma quantidade impressionante de espécies, muitas das quais pouco ou nada estudadas. Mas, a despeito do que apontam os mais variados estudos, o Brasil parece, infelizmente, remar contra a maré.

Notícias na última semana anunciaram o provável nome do novo presidente do Instituto Chico Mendes de Conservação da Biodiversidade (ICMBio), um dos principais órgãos ambientais do país, responsável pela criação, gestão e preservação de áreas de proteção ambiental no Brasil. O ICMBio gere, respectivamente, 9% e 24% dos territórios continental e marinho nacionais. O novo presidente, se for realmente confirmado, não parece possuir qualquer formação em gestão socioambiental, e sua indicação resulta, possivelmente, de uma negociata política. Infelizmente, ainda abordamos as questões ambientais de maneira pouco séria e um tanto inconsequente, em completo desalinho com o que apontam as pesquisas e a comunidade científica.

Se quisermos evitar surpresas futuras, precisamos levar a preservação da biodiversidade a sério, para que possamos através de mais estudos, como o relatado aqui, entender os efeitos de longo prazo da perda de espécies. A grande parte desses estudos vêm sendo realizados em ambientes temperados, com número relativamente pequeno de espécies, e ainda pouco sabemos a respeito dos efeitos da perda de espécies em ambientes tropicais.

Ana Almeida

(California State University East Bay)

Para saber mais:

Liu, J. et al. 2018. How does habitat fragmentation affect the biodiversity and ecosystem functioning relationship? Landscape Ecology, 33: 341-352.

Maynard, D.S.; et al. 2017. Competitive network determines the direction of the diversity-function relationship. PNAS, 114(43): 11464-11469.

Plimm, S.L. et al. 2014. The biodiversity of species and their rates of extinction, distribution, and protection. Science, 344: 1246752-1 – 1246752-10.

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