Um elástico, um elevador, um motor e um carro são algumas das
máquinas moleculares desenvolvidas por Jean-Pierre Sauvage, Fraser
Stoddart e Bernard Feringa. Pensa-se que estas nanotecnologias vão ser
tão importantes como é hoje o motor eléctrico.
Bernard Feringa
Jean-Pierre Sauvage
James Fraser Stoddart
As palavras podiam entrar numa conversa de oficina: motores, rotores,
elevadores, chassis. Este léxico, cujo imaginário remonta ao início da
revolução industrial, traz imagens de óleo, fumo, barulho e trabalho.
Mas nesta quarta-feira o mundo associou-as a uma realidade completamente
diferente, onde impera a escala dos átomos. O Prémio Nobel da Química
de 2016 foi para os três cientistas que desenvolveram máquinas
moleculares: o francês Jean-Pierre Sauvage, o escocês Fraser Stoddart e o
holandês Bernard Feringa. Em menos de 20 anos, eles puseram moléculas a
mexer e a trabalhar, com pouca energia.
Estas são as máquinas
mais pequenas de sempre fabricadas pelo homem, mil vezes mais pequenas
do que a espessura de um fio de cabelo. Onde irá parar o mundo
movimentado (e fascinante) das máquinas moleculares? A Real Academia
Sueca das Ciências, que atribui os Prémios Nobel, explica que estamos na
alvorada de uma nova tecnologia. As próximas décadas trarão novidades,
mas da informática à medicina, muitas áreas serão transformadas.
“Em termos de desenvolvimento, o motor molecular está no mesmo estado de
desenvolvimento do que o motor eléctrico na década de 1830, quando os
cientistas exibiam máquinas eléctricas capazes de mover pedais e rodas,
mas não sabiam que essas máquinas se iriam tornar comboios, máquinas de
lavar, ventoinhas”, lê-se no comunicado. “Estas máquinas moleculares
podem vir a ser usadas no desenvolvimento de coisas como novos
materiais, sensores e sistemas de armazenamento de energia.”
Por isso, “pela concepção e síntese de máquinas moleculares”, nas
palavras do comité que atribuiu esta quarta-feira o Nobel, Jean-Pierre
Sauvage (Universidade de Estrasburgo, em França), Fraser Stoddart
(Universidade Northwestern em Evanston, nos Estados Unidos) e Bernard
Feringa (Universidade de Groningen, na Holanda) irão dividir o prémio de
oito milhões de coroas suecas (833 mil euros).
“Não soube o que
dizer e fiquei um pouco chocado. Foi uma surpresa”, disse ao telefone
Bernard Feringa, durante uma breve sessão de perguntas de jornalistas no
anúncio do prémio, em Estocolmo, lembrando o que sentiu quando lhe
deram a notícia. Bernard Feringa acredita que estas máquinas moleculares
poderão vir a estar na origem de robôs (que viajarão até células
cancerosas para administrarem medicamentos que as matem) ou de novos
materiais (que recebem estímulos químicos para fazerem uma qualquer
tarefa), entre muitas outras possibilidades.
Um avanço em três passos
“Para
uma máquina ser capaz de executar uma tarefa tem de ser composta por
partes que se movem umas em relação às outras”, explica-se no
comunicado. Ao longo da evolução, a natureza já criou mecanismos
moleculares que produzem movimento. Os flagelos das bactérias, com forma
em espiral como os saca-rolhas, giram e permitem que elas se movam. No
entanto, apesar de a ideia de máquinas microscópicas construídas pelo
homem já ser antiga, o seu desenvolvimento a sério começou há menos de
35 anos.
Em 1983, Jean-Pierre Sauvage conseguiu ligar moléculas em
forma de anel, formando uma “corrente” com elas. Nas décadas
anteriores, outros químicos tinham conseguido fazer estas correntes
moleculares, mas a muito custo e este ramo da química estava
praticamente esgotado. Jean-Pierre Sauvage usou um truque com um ião de
cobre para obter a estrutura dos elos que formam a corrente. Depois de
os anéis estarem presos um ao outro com ajuda do ião, ele é removido.
Com esta nova técnica, a produção destes elos moleculares subiu de 10%
para 42%. “De repente, as correntes de moléculas eram mais do que uma
mera curiosidade científica”, explica o comunicado.
Oito anos depois, Fraser Stoddart desenvolveu o rotaxano: uma
estrutura de duas moléculas em que uma se parece com um pequeno eixo,
com rodas na extremidade, e a outra com uma argola. A argola está presa
ao eixo e é capaz de se movimentar, de uma forma que os cientistas
conseguem controlar, entre as suas extremidades.
Finalmente,
Bernard Feringa produziu em 1999 o primeiro motor molecular. O cientista
construiu um rotor molecular, estrutura que se movimenta circularmente
sob o seu próprio eixo, com ajuda da energia dos raios ultravioletas e
um sistema de pás que permite que o movimento se faça num só sentido. A
equipa de Feringa aperfeiçoou depois o sistema, transformando-o num
motor capaz de fazer algo como 12 milhões de revoluções por segundo. Com
estes motores, a equipa conseguiu rodar um cilindro de vidro 10.000
vezes maior do que os próprios motores.
Entretanto, já se
produziram “carros” moleculares, elevadores moleculares, sistemas
semelhantes aos músculos que se esticam e se contraem e um robô
molecular capaz de ligar aminoácidos (os tijolos das proteínas). Já foi
produzida uma malha de polímeros em cima de motores moleculares que são
accionados quando expostos à luz, enrolando a malha. “Desta forma, a
energia solar é armazenada nas moléculas e, se os cientistas descobrirem
uma técnica para retirar esta energia [acumulada na malha de
polímeros], poderá desenvolver-se um novo tipo de bateria”, adianta o
comunicado.
Durante a conversa entre Bernard Feringa e os jornalistas, o
cientista holandês explicou como nasceu o seu motor molecular: “Comecei
por construir interruptores moleculares, que davam informação [no
sistema binário] de zeros e uns. O objectivo era ter uma alternativa
para armazenar informação.”
Mas rapidamente o cientista percebeu
que tinha à sua frente um rotor molecular, capaz de criar movimento.
“Quando se consegue controlar o movimento, então é possível pensar em
todo o tipo de funções mecânicas, como caminhar e transportar coisas, e
ter pequeníssimas máquinas”, disse. “Mas tudo começou a partir de
interruptores, de uma ideia muito simples.” E assim nasceu um mundo novo
de possibilidades.
A sonda Roseta pousou no cometa 67P/Churiumov-Gerasimenko. Chegou ao fim uma missão que galvanizou pessoas de todo o mundo. Mas a investigação do cometa continuará.
O cometa 67P fotografado pela sonda Roseta
O cometa 67P fotografado pela sonda Roseta
A fotografia está desfocada. Sem haver uma escala, a paisagem que se vê pode ser um pedaço de areia com cascalho ou então um grande terreno cheio de pedregulhos. Só a aridez é inquestionável. São as palavras a acompanhar a imagem a preto e branco que lhe emprestam nitidez, significado e emoção: “Do 67P com amor: uma última imagem, obtida a 51 metros antes da aterragem no cometa. Missão cumprida.” A frase original, em inglês, tem as particularidades da escrita do Twitter: poucas dezenas de caracteres, três hashtag, zero pontos finais, ideias concisas. Mas esta entrada da conta da sonda Roseta naquela rede social diz-nos tudo. O tempo de vida do aparelho da Agência Espacial Europeia (ESA) terminou esta sexta-feira. A Roseta aterrou no cometa 67P/Churiumov-Gerasimenko e adormeceu, para sempre.
O 67P continuará a dar voltas ao sistema solar. Desde Agosto de 2014, quando a Roseta se encontrou com ele, passámos a conhecer este cometa com um pormenor inédito. Nunca um aparelho humano se agarrou à gravidade de um cometa para o estudar. Visto como um todo, o 67P tem dois lóbulos – um maior e outro menor –, que lhe dão um ar de pato de borracha e uma cova na ponta. Mais de perto, a superfície do cometa é agreste, feita de cortes, com desfiladeiros, ravinas, mas também planícies, onde há rochas com metros de diâmetro.
A última imagem obtida pela Roseta, a 51 metros da superfície do 67P ESA
Com os seus 11 instrumentos científicos, a Roseta ajudou-nos a compreender essa paisagem complexa, longínqua e misteriosa. Até ao fim da sua vida, a sonda enviou fotografias e outros dados científicos sobre o cometa. A imagem final divulgada no Twitter, apesar de ter pouca qualidade, também simboliza esse diálogo com a Terra. Os seus frutos estão agora nas mãos dos astrofísicos da ESA e de outras organizações, que poderão estudar com profundidade o 67P e tentar encontrar respostas sobre a história do sistema solar e do nosso planeta.
“A Roseta entrou de novo nos livros de história”, disse Johann-Dietrich Wörner, director-geral da ESA, num comunicado divulgado esta sexta-feira pela ESA, pouco depois de ter chegado o sinal de que a sonda tinha fechado os olhos. “Hoje celebramos o sucesso de uma missão que mudou a forma de fazer as coisas, uma missão que ultrapassou todos os nossos sonhos e expectativas.” E que também fez sonhar, tornando-se uma das mais emblemáticas missões espaciais.
Palmas e abraços
Desde que saiu da Terra, a 2 de Março de 2004, a Roseta já percorreu 7900 milhões de quilómetros. Parte deles com o cometa (cuja órbita se situa entre Júpiter e um ponto entre a Terra e Marte), acompanhando-o na sua aproximação ao ponto mais próximo do Sol, o periélio, em Agosto de 2015.
Colado à Roseta, com 2900 quilos, veio o File, um robô de 100 quilos. O File protagonizou em Novembro de 2014 a conquista inédita (e atribulada) de aterrar no cometa 67P. O robô, que entretanto já adormeceu no mesmo lóbulo pequeno em que agora descansa a Roseta, tinha dez instrumentos científicos e usou com sucesso a maioria deles durante as cerca de 60 horas que se manteve activo, escondido nas sombras junto de uma ravina.
Os dados dos dois aparelhos permitiram descobrir que o 67P é um objecto feito de pó, minerais, moléculas orgânicas e gelo. Os dois lóbulos formaram-se independentemente, há cerca de 4600 milhões de anos, numa região fria e longínqua do sistema solar, quando o nosso canto do Universo estava no seu início de vida. Os lóbulos juntaram-se algum tempo depois. A água do cometa é de um tipo diferente da que existe na Terra, o que significa que a água na Terra não provém deste tipo de cometas.
A decisão de fazer colidir o aparelho no cometa é uma sequência natural do carácter científico da missão. Durante os últimos quilómetros da descida, a sonda foi comandada para medir a temperatura à superfície, a densidade do gás à volta do cometa, a aceleração das partículas que estão a ser projectadas para fora do 67P, o plasma, entre outros aspectos.
Na quinta-feira, às 21h50 (hora de Lisboa), um comando accionou a sonda para a manobra de descida, a 19 quilómetros de altitude. A região de Ma’at, no lóbulo pequeno do cometa, foi a escolhida para alvo. Durante a descida, a Roseta foi divulgando fotografias e “falando” connosco. “Tão perto do cometa 67P… Agora sei exactamente como é que o File se terá sentido!”, lia-se no Twitter da sonda Roseta, por volta das 12h08, minutos antes do fim.
Cientistas e engenheiros celebram o fim da missão no Centro de Operações Espaciais Europeu, em Darmstadt, na Alemanha DANIEL ROLAND/AFP
Às 12h19 desta sexta-feira, no Centro de Operações Espaciais Europeu, em Darmstadt, na Alemanha, o sinal electrónico da Roseta desapareceu. A sonda deixou de enviar sinais, calando-se para sempre. Houve palmas e abraços entre os vários técnicos e cientistas da missão. Pela segunda vez na história da exploração espacial, uma sonda aterrou num cometa.
“Estamos apenas a dizer adeus à sonda”, disse Matt Taylor, astrofísico da ESA que faz a ligação entre a equipa científica e a equipa de operações desta missão, ao PÚBLICO. “A ciência da missão continuará por muitos anos. É nisso que nos vamos concentrar a partir de agora. Foi por isso que, em primeiro lugar, elaborámos esta missão.”
Telescópio espacial Hubble detectou a ejecção de materiais da superfície de satélite natural de Júpiter. Análises futuras dessas plumas permitirão estudar o oceano de Europa escondido por camada de gelo.
A Europa
Pela segunda vez, há indicações de que Europa, uma das luas de Júpiter, expele materiais em forma de plumas que poderão ser vapor de água, anunciou a agência espacial norte-americana NASA numa conferência de imprensa esta segunda-feira (a partir das 19h de Lisboa). A superfície desta lua é formada por uma camada de gelo cheia de estrias. E tudo indica que, por baixo deste gelo, existe um oceano líquido.
“Se houver plumas, podemos investigar o oceano de Europa sem ter de fazer perfurações à superfície”, disse na conferência de imprensa William Sparks, líder da equipa que identificou as plumas, e astrónomo do Instituto Científico do Telescópio Espacial, em Baltimore, nos Estados Unidos.
Juntamente com Encelado, uma das luas de Saturno, Europa apresenta-se como um dos locais do nosso sistema solar que os astrónomos e os astrobiólogos mais anseiam explorar. Qualquer sítio onde haja água líquida no espaço é um especial, já que a água, juntamente com a matéria orgânica e o calor, é um ingrediente fundamental para a existência de vida tal como a conhecemos.
A luz solar nem sequer é obrigatória. Na Terra há formas de vida que não dependem da luz solar, mas da síntese de elementos químicos, presentes nas fontes hidrotermais de grande profundidade, emanações de água quente vinda do interior da Terra e que foram descobertas no oceano Pacífico pela primeira vez nos anos 70. E depois em vários oceanos: ao largo dos Açores encontraram-se várias desde a década de 90.
As plumas de vapor de água detectadas pelo telescópio Hubble (no sentido dos ponteiros do relógio, na posição das 7 horas).
Em Encelado, a sonda Cassini, da NASA, detectou em 2005 plumas no pólo sul desta lua com pedaços de gelo e água. Anos mais tarde, confirmou-se a existência de um oceano total por baixo da camada superficial de gelo. Tanto nesta lua de Saturno como em Europa, pensa-se que a energia necessária para produzir água líquida é originada pelas forças gravíticas entre as luas e os seus planetas. Em Europa, uma das quatro luas detectadas no início do século XVII por Galileu, calcula-se que o seu oceano interior, escondido por uma camada de gelo de várias dezenas de quilómetros de espessura que cobre toda a lua, tenha duas vezes a água dos oceanos da Terra. Mas, no caso de Europa, as suas plumas parecem muito mais difíceis de detectar do que as de Encelado.
Haverá lá vida?
Na nova detecção, a equipa de William Sparks usou o espectrómetro do telescópio espacial Hubble. Este instrumento pode observar na região da radiação ultravioleta do espectro electromagnético. Quando Júpiter está exactamente por trás de Europa, a radiação que o planeta lança passa rente à superfície de Europa e atinge as lentes do Hubble. Se houver moléculas à superfície de Europa que absorvam aquela radiação, então o espectrómetro irá obter a assinatura dessas moléculas na região do ultravioleta.
Durante 15 meses, os astrónomos observaram dez vezes Europa à frente de Júpiter. Em três dessas dez vezes encontraram nos dados do espectrómetro aquilo que poderão ser plumas de material que se eleva até 200 quilómetros em altura e depois cai na superfície de Europa. A maioria das plumas foi identificada perto do pólo sul de Europa, mas uma delas situava-se mais perto do equador da lua.
Esta é a segunda vez que se detectam estas erupções. Em 2012, uma outra equipa liderada por Lorenz Roth, do Instituto de Investigação do Sudoeste em San Antonio, no Texas, detectou plumas junto do pólo sul de Europa. Publicada em 2014, a detecção foi também feita usando o espectrómetro do Hubble, mas com um método diferente.
“Quando calculámos, de uma forma completamente diferente, a quantidade de material necessária para criar aquelas assinaturas de absorção [obtidas pelo espectrómetro], os resultados foram bastante semelhantes aos da equipa de Roth”, diz agora William Sparks, num comunicado da NASA. “As estimativas para a massa são similares, assim como as estimativas para a altitude das plumas. A latitude para dois dos candidatos a plumas corresponde aos resultados daquela equipa.”
Na conferência, os investigadores explicaram que esta informação obtida pelo espectrómetro do Hubble estava no extremo da capacidade daquele instrumento. Ou seja, não é possível para já ter uma definição melhor do que a obtida. Por outro lado, apesar de os resultados serem significativos a nível estatístico, ainda poderá haver uma outra explicação para a existência daquele padrão. É por isso que esta descoberta ainda não é a prova final da existência das plumas.
Ilustração científica da lua Europa e das plumas de vapor de água (à esquerda, em baixo) NASA/ESA/G. Bacon (STScI)
Mesmo a natureza da substância que estará a ser expelida e a absorver a radiação vinda de Júpiter é uma incógnita. A informação do espectrómetro não diz exactamente que moléculas absorveram radiação e a hipótese de ser água, vapor de água ou gelo, é porque estes materiais são comuns em Europa.
Para se confirmar que as plumas são de facto plumas, serão necessárias mais observações semelhantes mas com uma técnica completamente diferente. Enquanto não houver novos instrumentos, como o futuro telescópio espacial James Webb (da NASA), cabe aos cientistas gizarem experiências inéditas com os instrumentos actualmente existentes. Esta descoberta deverá agora pôr equipas de astrónomos de todo o mundo a trabalhar para esse fim.
De qualquer forma, a serem verdadeiros, estes resultados mostram que aquelas plumas são intermitentes – a lua Europa não está constantemente a lançar material para o espaço.
A NASA está a programar uma missão a Europa para a próxima década. Com mais informação sobre o padrão e a geografia destas plumas, será possível usar essa sonda para analisar directamente o que se liberta misteriosamente do interior daquela lua. E assim tentar responder a uma das perguntas mais importantes da humanidade: haverá vida fora da Terra?
John Zhang, o chefe da equipa norte-americana, com o bebé ao colo
Rapaz tem material genético de uma segunda mulher para evitar uma doença das mitocôndrias, as “baterias” das células. Intervenção feita por equipa dos EUA no México, onde há um vazio legal.
No México, nasceu o primeiro bebé resultante de uma nova técnica de fertilização in vitro (FIV) que tem material genético da mãe, do pai e de uma mulher dadora. A notícia foi avançada nesta terça-feira pela revista britânica New Scientist e é um marco importante na aplicação da engenharia genética contra a infertilidade causada por doenças genéticas.
O recurso a esta técnica foi usado por causa de uma doença que afecta as mitocôndrias – organelos que estão no citoplasma das células e produzem grande parte da energia das células, apelidados de “baterias” das células.
Em geral, uma célula pode ter centenas a milhares de mitocôndrias, consoante a função. Na fecundação do ovócito pelo espermatozóide, que dá origem a uma nova vida, as mitocôndrias do futuro bebé estão no citoplasma do ovócito. Elas são sempre herdadas da mãe.
As mitocôndrias têm a sua própria molécula de ADN (o cromossoma mitocondrial), com 37 genes importantes e podem dividir-se dentro das células. Por isso, quando uma célula se divide tem sempre consigo uma quantidade razoável de mitocôndrias. Mas estas divisões podem dar origem a mutações no ADN mitocondrial que provocam doenças. Se no grupo de mitocôndrias de um ovócito fecundado uma percentagem substancial delas tiver uma mutação genética, então o futuro bebé poderá adoecer e morrer.
É por isso que se discute a aplicação de técnicas FIV alternativas para evitar as doenças mitocondriais. Isso implica que haja uma “mãe” dadora de mitocôndrias saudáveis para o futuro bebé (já falaremos de como isto é feito). Ou seja, este futuro bebé terá material genético de três pessoas.
Aqui, é importante ter em conta a proporção do ADN. A maioria do ADN de cada humano está nos cromossomas do núcleo das células – quase 23.000 genes. O ADN mitocondrial representa menos de 1% do ADN de qualquer pessoa. Por isso, uma dadora de mitocôndrias dá uma pequeníssima percentagem de ADN a uma criança de três pais. Mas é o ADN que recebeu da mãe e do pai, no núcleo das células, que representa o grande bolo de ADN da criança.
Para já, o uso de material genético de três pessoas para a reprodução só tem enquadramento legal no Reino Unido, em vigor desde Outubro de 2015. Mas uma destas técnicas foi agora aplicada por uma equipa norte-americana no México, país onde “não há legislação”, segundo John Zhang, o chefe da equipa do Centro de Fertilidade New Hope (de Nova Iorque) que aplicou a técnica, citado pela New Scientist.
Nascido em Abril, o bebé que agora é notícia é um rapaz a caminho dos seis meses de vida. Os pais são jordanos. A mãe tem mutações genéticas da síndrome de Leigh (doença que afecta o desenvolvimento do sistema nervoso e é fatal). Cerca de um quarto das suas mitocôndrias têm mutações para aquela doença. Apesar de a mulher ser saudável, o casal tem tido muita dificuldade em ter filhos, adianta a New Scientist, que conta a história desta família.
Há 20 anos que o casal está a tentar ter um bebé. A mãe já teve quatro abortos espontâneos e os dois bebés que nasceram acabaram por morrer com síndrome de Leigh. Por isso, recorreram agora a uma dadora de ovócitos para aplicar a nova técnica de FIV. Para já, tudo parece estar bem com o bebé. Os exames médicos mostraram que menos de 1% das suas mitocôndrias têm a mutação.
Mas é preciso continuar a acompanhar o bebé. Os cientistas não sabem se as mitocôndrias com a mutação se multiplicam mais ou menos do que as outras mitocôndrias saudáveis. No passado, uma intervenção usada nos Estados Unidos com um fim semelhante acabou por ser proibida por causa do nascimento de crianças com problemas.
Três técnicas diferentes
Em Setembro de 2014, a BBC online recuperava essa história por causa da legislação britânica. No artigo, falaram com Alana Saarinen, uma rapariga norte-americana que tinha material genético de três pessoas. Dizia-se então que era uma das 30 a 50 pessoas em todo o mundo nessa situação.
“Muitas pessoas dizem que tenho características faciais da minha mãe, e os meus olhos parecem-se com os do meu pai”, dizia Alana Saarinen à BBC. “Também tenho ADN de uma segunda senhora. Mas não a consideraria um familiar, tenho apenas algumas das suas mitocôndrias.”
A mãe da norte-americana, Sharon Saarinen, não conseguia ter filhos. Por isso, uma clínica norte-americana transferiu citoplasma com mitocôndrias saudáveis de uma dadora para um ovócito de Sharon Saarinen. Depois, injectou-se um espermatozóide do pai de Alana Saarinen, que fertilizou o ovócito. Como o ovócito carregava as mitocôndrias de uma segunda mulher, Alana nasceu com uma quantidade extra de ADN de uma terceira pessoa.
Segundo a sua mãe, Alana Saarinen era uma rapariga saudável. Mas alguns dos bebés que nasceram graças a essa técnica, iniciada no fim da década de 1990, vieram a ter doenças. Por isso, a Food and Drug Administration, a agência dos EUA responsável pela regulação de medicamentos, alimentos e tratamentos médicos, proibiu-a por precaução em 2002.
A técnica usada agora pela equipa médica que tratou a família jordana é diferente. A equipa retirou o núcleo de um ovócito de uma dadora com mitocôndrias saudáveis, substituindo-o pelo núcleo de um ovócito da mãe do bebé. Depois, fertilizou o ovócito com o espermatozóide do pai e implantou-o no útero da jordana. Foram criados cinco embriões com esta técnica, um vingou.
O casal optou por ir ao México submeter-se a esta técnica e não ao Reino Unido, onde este tipo de tratamento de infertilidade já é legal, por uma questão religiosa, explica ainda a New Scientist. No Reino Unido, a técnica aprovada é um pouco diferente da que o casal foi alvo. Usa-se um espermatozóide para fertilizar o ovócito da dadora com as mitocôndrias saudáveis. Depois, antes de o ovócito fertilizado começar a dividir-se, retira-se o núcleo fertilizado do ovócito da dadora e substitui-se pelo núcleo do ovócito fertilizado da “mãe” com o espermatozóide do pai. Como são muçulmanos, o casal não queria recorrer a este método porque se destruía um dos embriões – o núcleo fertilizado da dadora que foi para o lixo.
Nos Estados Unidos, nenhuma das técnicas de FIV está aprovada. Mesmo no Reino Unido, a legalização da técnica foi alvo de um debate, com muitas pessoas contra a intervenção por motivos éticos. Algumas temem que este tipo de técnicas cause doenças nos bebés, outras que abra a porta a uma era de humanos geneticamente modificados por razões mais frívolas do que doenças genéticas.
Mas John Zhang é peremptório na decisão de ter ido para o México realizar a intervenção: “É ético salvar vidas.”
Investigadora portuguesa fala sobre a investigação premiada com o Nobel da Medicina.
A levedura é um dos modelos experimentais usados para o estudo da autofagia
Raquel Lima já usa nas suas investigações o conhecimento adquirido e divulgado pelo cientista japonês Yoshinori Ohsumi. A investigadora no Instituto de Inovação e Investigação em Saúde (I3S), no Porto, estuda a perigosa relação entre a autofagia e o cancro. Ao PÚBLICO explica que o que tenta fazer no seu laboratório é evitar que a reciclagem celular permita a sobrevivência das células cancerosas. Ou seja, quer incentivar o momento em que as células se comem a si mesmas até ao limite, até ao ponto em que se matam. E isto é bom quando falamos de células más.
Qual é a importância da descoberta dos mecanismos de autofagia das células?
Os estudos do cientista Yoshinori Ohsumi permitiram a descoberta de genes essenciais para a autofagia. Este é um mecanismo que ocorre normalmente em todas as células, em que estas degradam os seus próprios componentes (levando à sua reciclagem), permitindo-lhes assim sobreviver em situações mais adversas (como falta de nutrientes e de oxigénio e infecção). Sabe-se que alterações na autofagia estão associadas ao desenvolvimento de diferentes doenças, como doenças neurodegenerativas (Alzheimer e Parkinson) e cancro. A elucidação das causas que levam a alterações na autofagia, bem como de que modo é que estas podem levar à doença, têm sido assuntos muito estudados nos últimos anos, com vista a desenvolver e melhorar as estratégias de tratamento.
O que ainda falta saber sobre a autofagia?
Embora a autofagia tenha sido classicamente vista como um mecanismo de sobrevivência celular, há cada vez mais estudos que a associam a processos de morte da célula. Sabe-se ainda que é um processo altamente regulado (com envolvimento de várias moléculas de vias de sinalização diferentes) e que pode ser induzido por diferentes estímulos, o que aumenta a sua complexidade. É preciso perceber melhor os mecanismos de regulação e em que contexto ocorrem para desenvolver abordagens que permitam a sua modulação.
Se conseguirmos de alguma forma (de que forma?) intervir na autofagia, ajudando as células neste processo de reciclagem, teremos uma resposta para algumas doenças? Quais?
São várias as doenças em que se observaram alterações na autofagia, como cancro, doenças metabólicas, doenças neurodegenerativas, cardiomiopatias, miopatias e doença de Crohn. Sabendo de que modo as alterações na autofagia (nomeadamente o seu aumento ou diminuição) se associam a uma determinada doença, e compreendendo de que modo a autofagia é regulada, será possível desenvolver novas estratégias e fármacos que permitam melhorar o tratamento destas doenças.
Raquel Lima é investigadora no Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S) DR
Que modelos animais e outros (como a levedura) são usados para o estudo da autofagia?
Além dos estudos usando leveduras como modelo, como os de Yoshinori Ohsumi, a investigação sobre autofagia tem utilizado outros modelos como linhas celulares, vermes (C. elegans), mosca da fruta (Drosophila) e ratinhos.
Na sua investigação o que está a tentar perceber na relação da autofagia com o cancro?
Sabendo que a autofagia está envolvida no desenvolvimento do cancro e que poderá contribuir para a sua resistência à terapia, os intervenientes no processo de autofagia poderão ser considerados potenciais alvos terapêuticos. Nos últimos anos, temos estado envolvidos no estudo do efeito de novas pequenas moléculas, que modulam a autofagia em linhas celulares de vários tipos de cancro humano, tentado potenciar a morte destas células.Temos estudado o efeito destas moléculas em linhas celulares de cancro do pulmão, da mama e do melanoma. E verificámos que, através da indução de autofagia, as moléculas levam à diminuição das células tumorais.
A investigação do japonês Yoshinori Ohsumi sobre a autofagia celular foi reconhecida pelo comité do Nobel.
O investigador Yoshinori Ohsumi
Anúncio Nobel da Medicina deste ano
O prémio Nobel da Medicina de 2016 foi atribuído ao investigador Yoshinori Ohsumi, do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Japão), pelas “descobertas sobre os mecanismos da autofagia”, anunciou esta segunda-feira o comité do Nobel no Instituto Karolinska, em Estocolmo (Suécia). "Foi uma surpresa", reagiu o cientista japonês numa primeira entrevista ao responsável científico no departamento de comunicação do comité do Nobel, adiantando: "Hoje ainda temos mais questões sobre a autofagia para esclarecer do que quando comecei."
A autofagia (ou autofagocitose) é um processo celular que dá origem à degradação de componentes da própria célula. É um processo estreitamente regulado que desempenha uma função normal no crescimento celular, diferenciação e na homeostase, e é um dos principais mecanismos por meio dos quais uma célula em estado de desnutrição redistribui os nutrientes.
“O laureado com o prémio Nobel deste ano descobriu e esclareceu mecanismos da autofagia, um processo fundamental para a degradação e reciclagem dos componentes das células”, refere o comunicado do comité.
Foi durante os anos 60 que os investigadores perceberam que a célula conseguia destruir o seu conteúdo envolvendo-o em membranas e formando pequenos sacos, que eram transportados para um compartimento de reciclagem – chamado “lisossoma” – e degradados. A palavra “autofagia” vem do grego e significa comer-se a si mesmo. Em 1974, o Prémio Nobel da Medicina foi atribuído ao cientista belga Christian de Duve pela descoberta dos lisossomas. Foi este investigador que “baptizou” este complexo sistema de reciclagem celular de autofagia.
Este processo de autodestruição tinha muitos passos por esclarecer. No início dos anos 90, Yoshinori Ohsumi realizou uma série de experiências com leveduras (do vulgar fermento de padeiro) para identificar os genes essenciais na autofagia. Depois, esclareceu alguns dos mecanismos da autofagia nessas leveduras e mostrou como o sofisticado processo funciona nas nossas células.
“As descobertas de Ohsumi levaram-nos até um novo paradigma no conhecimento da forma como as células reciclam o seu conteúdo”, refere o comunicado de imprensa, que adianta ainda que os avanços do investigador japonês revelaram a importância fundamental da autofagia em processos fisiológicos como a adaptação à fome ou a resposta a infecções.
Na sua investigação, Yoshinori Ohsumi usou células de levedura – um modelo experimental que é muito utilizado para estudar células humanas, apesar do desafio colocado por se tratar de células muito pequenas com estruturas que não são facilmente visíveis no microscópio. No laboratório, o cientista cultivou células do fermento de padeiro sem as enzimas que ajudam o processo de reciclagem em pequenas estruturas (que equivalem aos lisossomas nas células humanas). Depois, fez com que estas células com mutações passassem fome, sujeitando-as a uma situação de stress e obrigando-as a reagir. Observou que os reservatórios de reciclagem eram preenchidos com pequenas vesículas (nas células estas vesículas – ou autofagossomas – servem para o transporte celular até ao lisossoma) e como eles funcionavam. “Com esta experiência, Yoshinori Ohsumi provou que a autofagia também existia nas células de leveduras. Mas, mais importante ainda, encontrou um método para identificar e caracterizar os genes fundamentais para este processo”, explica o comunicado do comité do Nobel.
O cientista quis explorar estas células de fermento com vesículas acumuladas em situação fome. Esta acumulação, concluiu, não poderia acontecer se os genes determinantes para a autofagia estivessem inactivos. Quais genes? Yoshinori Ohsumi introduziu mutações em vários genes e depois induziu a autofagia. Em apenas um ano, o cientista japonês identificou os primeiros genes essenciais para a autofagia e, mais tarde, caracterizou as proteínas fabricadas por esses genes. Assim, mostrou que a autofagia era controlada por várias proteínas (e por sua vez vez) e que cada uma delas regulava uma fase distinta da formação dos autofagossomas. Rapidamente se percebeu que os mecanismos observados nestes modelos experimentais também aconteciam nas nossas células.
“Graças a Ohsumi e outros que seguiram os seus passos, hoje sabemos que a autofagia controla funções fisiológicas importantes que são necessárias quando há componentes nas células que é preciso eliminar ou reciclar”, nota o comunicado do comité.
O processo de autofagia pode proteger-nos e funcionar como um sistema de defesa em diversas situações como as infecções. Quando uma célula é submetida a uma situação de stress, como uma infecção ou fome, ela é capaz de activar um sistema em que vai buscar os nutrientes necessários para se reciclar e sobreviver a esse momento. Nos casos em que há um stress contínuo e a célula não se consegue reciclar, ela pode acabar por se autodestruir.
Mas este sistema de defesa também tem um lado mau. No caso do cancro, por exemplo, este mecanismo de degradação das células pode ter um efeito negativo, promovendo o crescimento de células cancerosas. O que acontece aqui é que a autofagia acaba por garantir que a célula cancerosa sobreviva numa situação de stress provocada por uma mutação genética, reciclando-se e adaptando-se a um ambiente sem nutrientes e oxigénio, e assim potenciando o crescimento destas células. Também há situações em que mutações nos genes envolvidos na autofagia podem provocar doenças neurológicas e genéticas. As perturbações no processo de autofagia já foram associadas a doenças como a Parkinson e a diabetes do tipo 2.
Galardão para um só cientista
Yoshinori Ohsumi tem 71 anos e obteve o seu doutoramento em 1964 na Universidade de Tóquio. Após alguns anos a trabalhar na Universidade de Rockefeller, em Nova Iorque, nos EUA, regressou a Tóquio para criar o seu próprio laboratório. Desde 2009 que investiga e lecciona no Instituto de Tecnologia de Tóquio. Yoshinori Ohsumi recebeu um telefonema do secretário do júri, Thomas Perlmann, pouco antes do anúncio oficial. “Ficou um pouco surpreendido”, contou este membro do comité, citado pela agência de notícias AFP. Na curta entrevista que deu a Adam Smith, do departamento de comunicação do comité Nobel, o cientista japonês comentou ainda que "o facto de ser o único laureado" também foi uma surpresa.
Desde 2000 que este Prémio Nobel era dividido por mais do que um investigador, existindo apenas uma outra excepção em 2010, quando o cientista britânico Robert Geoffrey Edwards foi reconhecido pelo desenvolvimento na área de fertilização in vitro. Em 2015 o Prémio Nobel da Medicina foi atribuído ao norte-americano William Campbell e ao japonês Satoshi Omura “pelas suas descobertas de um tratamento inédito contra as infecções causadas por parasitas nemátodos”; e também à cientista chinesa Tu Youyou, “pelas suas descobertas de um tratamento inédito contra a malária”.
O prémio atribuído esta segunda-feira (no valor monetário de oito milhões de coroas suecas, ou cerca de 830 mil euros) é o primeiro da edição dos Nobel de 2016. Esta próxima terça-feira será feito anúncio dos premiados na área da Física e na próxima quarta-feira será a vez da Química. O Nobel da Paz é conhecido na sexta-feira e na próxima segunda-feira, dia 10, é a vez da Economia. Por fim, o Prémio Nobel da Literatura será revelado a 13 de Outubro.
Duas equipas do Centro de Neurociências e Biologia Celular (CNC) da Universidade de Coimbra (UC) descobriram que a progressão da Doença de Machado-Joseph (DMJ) pode ser travada por uma redução de calorias controlada ou através da substância resveratrol, a qual está pronta a ser testada em ensaios clínicos.
Os resultados, publicados na revista científica Nature Communications, sugerem que os efeitos positivos verificados em ratinhos, que mimetizam a DMJ, não se revelam apenas ao nível dos sintomas, observando-se um bloqueio efetivo do desenvolvimento da doença.
Luís Pereira de Almeida, Janete Cunha-Santos e Cláudia Cavadas.créditos: UC
Cláudia Cavadas, coordenadora de uma das equipas de investigação, clarifica que "o estudo sugere que uma ligeira redução de calorias, extremamente controlada, sem incorrer no risco de malnutrição e com a presença de todos os nutrientes essenciais ao organismo, ou a administração de resveratrol, contribuem para a melhoria da coordenação motora, marcha, equilíbrio, neuropatologia e ativam o processo de reciclagem dos elementos envelhecidos e danificados das células (autofagia)".
Luís Pereira de Almeida, coordenador da equipa parceira de investigação, salienta que "os efeitos benéficos obtidos são explicados através de um regulador de informação presente nas células, chamado sirtuina 1, uma enzima cujos níveis aumentam no cérebro através da redução calórica ou administração de resveratrol".
O investigador acrescenta que "estamos neste momento a desenvolver todos os esforços para testar os resultados do resveratrol em contexto de ensaios clínicos, algo que depende somente de financiamento".
A Doença de Machado-Joseph é uma doença incurável, fatal e hereditária, de grande prevalência nos Açores, sendo caracterizada pela descoordenação motora, atrofia muscular, rigidez dos membros, dificuldades na deglutição, fala e visão, associadas a um progressivo dano de zonas cerebrais específicas.
A investigação foi financiada por fundos FEDER através do COMPETE - Programa Operacional Fatores de Competitividade via Fundação para a Ciência e a Tecnologia, pelos programas europeus E-Rare e JPND, pela AFM e pelo fundo privado Richard Chin and Lily Lock Machado-Joseph Research Fund.
