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Identificada nova bactéria intestinal e sua possível relação com a depressão

bacteria intestinalImagem: https://www.rheumatologyadvisor.com/home/topics/scleroderma/little-data-available-for-small-intestinal-bacterial-overgrowth-treatment-in-systemic-sclerosis/

Não é de hoje que as bactérias intestinais vêm revirando as informações no mundo da ciência e por consequência causando grande impacto em nossas vidas. Em outros posts aqui do blog falamos sobre a relação da microbiota com antibióticos, parasitas intestinais, cérebro, obesidade, fadiga crônica e até mesmo sobre depressão.  

No post passado sobre a depressão, relembramos que 95% da serotonina, um neurotransmissor responsável pelo bem-estar, é produzido no intestino e sua relação com a microbiota. O que é novidade é que uma pesquisa publicada na revista Nature Microbiology conseguiu isolar e identificar uma espécie de bactéria intestinal e relacioná-la com depressão.

A ideia do projeto começou com uma lista de potenciais alvos bacterianos que o NIH (National Institutes of Health – USA) publicou sugerindo que fossem isoladas do intestino humano por sua potencial importância no desenvolvimento de doenças.  

Muitas espécies de microorganismos da microbiota intestinal permanecem desconhecidas por existirem em baixa quantidade ou por sua incapacidade de sobreviver fora do corpo humano.

A bactéria KLE1738 está nesta lista por ter sido identificada em quase 20% do microbioma intestinal humano nos bancos de dados de sequenciamento microbiano, porém nunca havia sido cultivada.

O cultivo de espécies de bactérias e fungos fora do corpo humano é muito difícil, pois em laboratório não conseguimos reproduzir as mesmas condições ambientais para promover seu crescimento, porém após um extenso processo de triagem, os pesquisadores descobriram que o KLE1738 só crescia em condições laboratoriais na presença de Bacteroides fragilis, uma bactéria intestinal comum no microbioma humano.

Somente este dado nos mostra um novo parâmetro a ser pensado, que muitos microorganismos possuem seu papel biológico desconhecido porque não conseguimos mimetizar em laboratório as influências que outras bactérias vizinhas exercem para promover o crescimento ou redução de espécies que identificamos no microbioma humano.

Outros testes biológicos e purificações levaram ao isolamento de GABA (Ácido gama-aminobutírico) como um fator de crescimento produzido pela bactéria Bacteroides fragilis. Descobriram que o GABA produzido serviu como nutriente para o crescimento da KLE1738.

A capacidade da microbiota de produzir e/ou consumir GABA não havia sido amplamente descrita antes, e uma bactéria dependente do GABA nunca havia sido relatada.

Mas afinal o que é o GABA?

sinapseImagem:https://psicoativo.com/2017/01/sinapses-partes-funcoes-e-tipos-de-sinapses.html

O GABA é um neurotransmissor que atua inibindo o sistema nervoso central (SNC) e está diretamente relacionada com comportamento agressivo e impulsividade. Este neurotransmissor inibe ou reduz impulsos nervosos nos neurônios, levando o indivíduo a um estado de menor agitação cerebral, ou seja, a um estado de relaxamento tanto mental quanto muscular. Quando seus níveis estão baixos, estamos muito mais suscetíveis a ansiedade, angústia e estresse.

Logo, se as bactérias intestinais produzem esse neurotransmissor, um desequilíbrio na microbiota pode levar a baixa produção de GABA.

Pensando no papel do GABA e seus efeitos no SNC, os cientistas testaram a possível conexão entre Bacteroides sp. e depressão. Para isso, coletaram amostras de fezes e mediram a atividade cerebral por ressonância magnética de 23 indivíduos clinicamente diagnosticados com depressão. Os resultados mostraram que a baixa abundância de Bacteroides sp. estava associada à alta atividade de uma parte do cérebro que está ligada a depressão.

O próximo passo será fazer mais testes com humanos para explorar se o GABA microbiano pode atuar como um sinal do intestino para o cérebro.

Saiba mais sobre microbiota e cérebro nesse post: https://cientistasfeministas.wordpress.com/2018/06/06/cerebro-e-intestino-parceria-inseparavel/

Referência

Philip Strandwitz et al, GABA-modulating bacteria of the human gut microbiota, Nature Microbiology (2018). DOI: 10.1038/s41564-018-0307-3

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Usando o cérebro para entender o próprio cérebro: um novo tipo de modelo teórico para descrever nossa atividade cerebral

Em 1952 os pesquisadores Alan Lloyd Hodgkin e Andrew Huxley (foto na Fig. 1) desenvolveram um modelo matemático baseado em circuitos elétricos com capacitores e resistores para  descrever os sinais elétricos medidos em um experimento eletrofisiológico no neurônio da lula. O objetivo do estudo era encontrar uma equação matemática que descrevesse da melhor maneira possível o comportamento do potencial elétrico dentro da célula nervosa ao longo do tempo. Na Fig. 1 podemos comparar um gráfico com a curva do potencial em função do tempo medida experimentalmente em um neurônio real e a curva obtida através das equações propostas por Hodgkin e Huxley. A semelhança entre as curvas teóricas e experimental permitem que usemos o modelo de Hodgkin e Huxley como um bom modelo para descrever o neurônio e garantiu que em 1963 eles recebessem o prêmio Nobel em Fisiologia ou Medicina por este trabalho.

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Figura 1: Esquerda: Os pesquisadores Hodgkin e Huxley medindo a atividade elétrica de neurônios no laboratório (imagem modificada deste site). Direita no topo: potencial de membrana da célula nervosa em função do tempo obtido através do experimento e abaixo curva similar obtida com o modelo teórico proposto por eles.

Diversos modelos em física biológica foram desenvolvidos seguindo uma receita parecida. Temos algumas medidas experimentais, gráficos que representam como certas grandezas variam no tempo, e procuramos uma equação matemática que descreva bem aquela curva. Em especial tentamos comparar cada parâmetro da equação com algum componente do mundo real. E com isso, é possível fazer predições teóricas que possam ser testadas experimentalmente. Por exemplo, na equação que descreve o modelo de Hodgkin e Huxley o potencial de membrana do neurônio depende de um somatório de correntes iônicas de sódio e potássio que atravessam a membrana celular. Então, podemos usar o modelo para fazer uma predição. Por exemplo, o que acontece se bloquearmos a entrada de sódio na célula? Se anularmos o termo da corrente de sódio na equação do modelo obteremos uma nova curva do potencial em função do tempo. Se agora refizermos o experimento, bloqueando a corrente sódio através do neurônio, podemos comparar se a curva experimental ainda se parece com a curva teórica. Em caso afirmativo, nosso modelo continua sendo considerado um bom modelo mesmo nessa nova condição (sem sódio) e podemos seguir fazendo novas previsões.
Desde os anos 50, diversos modelos biológicos foram desenvolvidos para descrever a atividade elétrica de neurônios de diversos tipos, sinapses, grupos de  neurônios, regiões corticais, tálamo, hipocampo, etc. Em particular, um tipo de modelo chamado neural mass (massa neural em tradução livre) usa poucas equações diferenciais para descrever a atividade oscilatória de regiões corticais formada por milhares de neurônios. Conectando várias dessas regiões é possível representar a atividade elétrica do cérebro como um todo. Na Fig. 2 podemos ver um exemplo de cérebro em que cada região está sendo representada por um nó da rede e está conectada a várias outras regiões.

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Figura 2: Representação do cérebro como uma rede complexa. Cada bolinha representa umaregiao e os links as conexões sinápticas entre estas regiões. Modificada das referências [1] e [2].

Recentemente, um estudo liderado pela pesquisadora alemã Petra Ritter* [1] deu um passo importante no desenvolvimento de um modelo matemático que busca descrever a atividade  cerebral como um todo. A grande novidade deste trabalho foi a inclusão de medidas experimentais como parte do modelo teórico (ver Fig. 3A). Pessoas saudáveis que se voluntariaram para participar nas pesquisas tiveram a atividade do seu cérebro gravada simultaneamente através de dois métodos bastante utilizado em neurociência: eletroencefalograma (EEG) e ressonância magnética funcional (fMRI). As curvas azuis e pretas na Fig. 3B mostram o sinal obtido com EEG (filtrado para uma certa componente de frequência) e com fMRI. Assim como no exemplo do neurônio, em que queríamos um modelo que reproduzisse a curva do potencial elétrico no tempo (ver Fig. 1), aqui queremos um modelo que reproduza a curva experimental preta. E de fato, o grupo mostrou que incluindo o dados de EEG como um dos termos do modelo chamado neural mass eles conseguem obter a curva vermelha: bastante similar a curva preta! Na Fig. 3C podemos ver que outros modelos (que não levam em conta o EEG) não reproduzem tão bem a curva experimental.

Esta nova abordagem abre inúmeras possibilidades para combinar dados experimentais com modelos teóricos na busca de entender melhor a atividade cerebral. No futuro, este tipo de modelo híbrido poderá ser útil, por exemplo, para predizer certas atividades que só poderiam ser medidas de maneira invasiva (através de cirurgias e implante de eletrodos intracranianos) utilizando apenas o EEG dos pacientes. Além disso, será possível fazer novas predições e testes sobre os mecanismos responsáveis por determinados tipos de atividades cerebrais. Com este método, também poderá ser possível caracterizar particularidades de cada indivíduo, o que pode vir a ser útil no tratamento de doenças em pacientes que são mais vulneráveis que a média.

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Figura 3: A) Sinal de EEG(esquerda) utilizado no modelo híbrido (centro) para predizer o sinal obtido com a ressonância magnética (direita). B) Série temporal com um exemplo do sinal de EEG (azul), sinal obtido com o fMRI (preto)  medido simultaneamente ao EEG e resultado obtido utilizando o modelos híbrido (vermelho) de neural mass e EEG. C) Comparando o fMRI experimental com o modelo híbrido e outros modelos.  Modificada da referência [1].

Referências

[1] Schirner, M., McIntosh, A. R., Jirsa, V., Deco, G., & Ritter, P. (2018). Inferring multi-scale neural mechanisms with brain network modelling. Elife, 7, e28927.

Nota da autora: essa revista (Elife) torna público o comentário dos revisores que recomendaram a publicação do artigo e a resposta dos autores. Vale a pena dar uma lida nos pontos levantados pelos especialistas da área e nas respostas dos autores!

[2] Deco, G., Kringelbach, M. L., Jirsa, V. K., & Ritter, P. (2017). The dynamics of resting fluctuations in the brain: metastability and its dynamical cortical core. Scientific reports, 7(1), 3095.

*Petra Ritter é médica, terminou o doutorado em 2004, é a pesquisadora chefe do grupo Berlin Neuroimaging Center e em 2007 recebeu o prêmio Unesco-L’Óreal para jovens cientistas e mães. Saiba mais sobre ela aqui ou aqui.

Para ler mais sobre o modelo de Hodgkin e Huxley, sobre EEG e fMRI é só clicar.

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Será que estamos de fato sozinhos? Parasitos e os efeitos da microbiota intestinal no corpo humano

O termo microbiota descreve um conjunto de microrganismos que habitam um determinado ecossistema, e a microbiota intestinal é composta por todos aqueles microrganismos que ocorrem no sistema gastrointestinal que coevoluíram com a espécie humana, sendo essencial para a sua saúde. A microbiota é adquirida através da mãe, durante o parto, amamentação, e também após este período durante a introdução a alimentos diversos.

A microbiota intestinal possui diversos papéis que determinam a fisiologia do hospedeiro. Por exemplo são responsáveis pela maturação do sistema imunológico, resposta intestinal a lesões no epitélio celular, e também pelo metabolismo energético. Múltiplos fatores afetam a sua diversidade, como o sexo, idade, fatores genéticos, dieta e histórico de infecções (quem diria que esses seres microscópicos teriam um papel tão importante?).

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Imagem retirada de CC0 Public Domain

Os mamíferos possuem um genoma extenso relacionado aos microrganismos que se localizam no intestino. O metabolismo da microbiota intestinal já foi diretamente  relacionado a patogêneses como obesidade, doenças circulatórias e          inflamações no sistema gastrointestinal. E quais são os principais microrganismos que habitam nossa flora intestinal? Existem 4 filos principais de bactérias no intestino dos mamíferos: Firmicutes; Bacteroidetes; Actinobacterias; Proteobacterias.

A microbiota extrai a energia necessária através da comida ingerida, acumulação de lipídios, e síntese de vitaminas, assim como outras atividades metabólicas. A desregulação destes processos pode resultar em doenças de nível metabólico, já que estes microrganismos têm a habilidade de quebrar componentes que não capazes de serem digeridos, aumentando a absorção de energia. Estas doenças, como obesidade, diabetes e doenças cardiovasculares são um problema de saúde pública, e o entendimento sobre a ligação entre estas doenças e a microbiota é absolutamente necessário. Porém, não são só os componentes de dieta, o sistema imunológico e genético que podem vir a alterar a microbiota intestinal. Diversos estudos têm demonstrado que parasitos podem alterar a microbiota do nicho em que eles habitam, levando a inflamação e alterações metabólicas.

 

Os vermes e a microbiota

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Necator americanus. Fonte: David Scharf / Science Source

 

Mais ou menos um quarto da população humana está infectada por helmintos (sabe a lombriga? Pois é, ela mesma e outras espécies também). Os parasitos de humanos mais comuns são os geohelmintos (que passam parte do ciclo de vida no solo), como a lombriga (Ascaris lumbricoides), Necator americanus, verme que causa a ancilostomíase, e Trichuris trichiura  que causa a tricuríase. Estes endoparasitos comumente residem no aparelho intestinal.

É sabido que os helmintos secretam (cruzes!) uma variedade de produtos que podem alterar o nicho ambiental que eles dividem com os outros microrganismos. A microbiota, em contrapartida, providencia uma barreira robusta contra a colonização destes parasitos. Outros estudos também mostram que a imunidade é induzida e regulada através da microbiota intestinal e células do sistema imune do epitélio intestinal (clique aqui e aqui para ver outros textos sobre o assunto no blog!) . Estes estudos mostram experimentalmente a capacidade de um parasito do camundongo, Trichuris muris, de alterar a colonização bacteriana e eventualmente proteger o intestino de camundongos de uma possível patologia causada por estas bactérias no intestino.

A infecção por helmintos pode afetar a microbiota, porém se estas alterações são benéficas ou não, aí depende dos fatores que estão relacionados a infecção: por exemplo a condição do hospedeiro e sua suscetibilidade, além da coinfecção com outros parasitos. Além disso, uma quantidade grande de vermes no intestino pode também alterar a suscetibilidade do hospedeiro a infecções secundárias.

Porém, estudos experimentais demonstraram que helmintos também podem impactar no metabolismo indiretamente, devido a alteração da microbiota por um longo período de tempo de infecção. Por exemplo, estudos epidemiológicos sugeriram que uma baixa diversidade bacteriana está diretamente relacionada à deposição de gordura e a inflamação à obesidade. A infecção por helmintos pode estar associada a diversidade bacteriana e, portanto, ter um efeito positivo e diminuir a obesidade.

Outras pesquisas conseguiram estabelecer um link entre aterosclerose, microbiota e helmintos. As bactérias comumente encontradas na cavidade oral têm sido encontradas nas placas ateroscleróticas e sua presença é relacionada a aumento da infiltração de leucócitos. Por sua vez, a infecção por helmintos tem uma correlação positiva com a proteção de doenças cardiovasculares, já que a ocorrência de helmintos pode diminuir os níveis de colesterol e a possibilidade de aterosclerose e consequentemente, doenças cardiovasculares. Os estudos mostram que a resposta do sistema imunológico também tem um papel importante assim como os antígenos secretados pelos helmintos.

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Créditos da imagem: http://saude.culturamix.com

Entretanto, ainda assim são necessários mais estudos já que outras pesquisas relacionadas a microbiota e obesidade em camundongos demonstraram que a dieta também tem um papel importante. Nestes estudos camundongos magros colonizados por uma microbiota de indivíduos obesos começaram a apresentar um aumento no tecido adiposo e na gordura total do corpo.  

As doenças metabólicas têm sido um problema de saúde pública, principalmente em países em desenvolvimento. Muitas variáveis afetam as interações e associações entre a microbiota, o hospedeiro e os parasitos. Ainda, nem todos os parasitos atuam da mesma forma, e pouco se sabe sobre as secreções e sua influência na microbiota. Investigações ainda estão em andamento relacionados a doenças metabólicas e suscetibilidade genética, status imunológico e dieta. Porém, não podemos descartar o entendimento sobre mudanças na microbiota causadas por parasitos.                     

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Créditos: facebook.com/ minhalombriga

 

Será que é tão ruim ter uma lombriguinha na barriga?

 

 

 

 

Referências:

  1. Bhattacharjee, S., Kalbfuss, N., & Prazeres da Costa, C. (2017). Parasites, microbiota and metabolic disease. Parasite immunology, 39(5), e12390.
  2. Kinross, J. M., Darzi, A. W., & Nicholson, J. K. (2011). Gut microbiome-host interactions in health and disease. Genome medicine, 3(3), 14.
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Somo todos carnívoros? Ou somos todos vegetarianos?

É cada vez mais constante em nossas vida a discussão do que devemos ou não comer. Sugestões de dietas estão por todas as partes, jornal, novela, Twitter, Reddit, na roda do cafezinho do trabalho. Contudo, a motivação que nos leva a essa curiosidade é diferente para cada grupo de pessoas; pode ser a busca por um estilo de vida saudável, pode ser consciência ambiental, solidarização com os animais, guerra contra a indústria alimentícia, moda, intenção de emagrecer ou mesmo a combinação destes e outros fatores.

Uma coisa bastante comum entre os discursos sobre dieta, é afirmar que a “sua” dieta é a correta porque é aquela para qual o nosso corpo é biologicamente preparado para lidar.

Mas o nosso corpo evoluiu para comer o quê?

 

 

woman carrying basket of fruits and vegetables

Foto por rawpixel.com em Pexels.com

A questão pode parecer simples inicialmente. Não possuímos características anatômicas de carnívoros – nossos dentes não são ótimos para rasgar a carne como de onças, nossos intestinos são muito longos; mas também não possuímos os dentes de herbívoros ou um intestino tão longo quanto o deles. Isso parece nos dizer que somos onívoros, que significa que comemos de tudo, seja conteúdo vegetal ou animal. Contudo, muitas vezes essas relações entre anatomia e dieta não são tão claras, por exemplo o panda: ele possui caninos que poderiam te levar a concluir que é um carnívoro, mas ele come exclusivamente bambu.

 

Como anatomicamente somos parecidos com outros macacos poderíamos olhar na dieta deles para termos uma ideia do que seria nossa dieta “natural”. E assim, poderíamos concluir que comemos frutas, folhas, nozes, insetos e ocasionalmente carne. Outra forma de acessar o que evoluímos para comer, seria olhar para as dietas das populações humana que não reproduzem o sistema social das populações contemporânea-ocidentais. E verificaríamos que em sua maioria, não possui carne como base da alimentação

Então, somo predominantemente vegetarianos?

 

Também não. Um recente estudo publicado na Nature (pelos biólogos Katherine Zink e Daniel Lieberman da Universidade de Harvard), traz mais evidências à velha teoria do órgão caro; dois órgãos que são energeticamente muito custosos são o intestino e o cérebro. Herbívoros precisam de longos intestinos – onde vivem bactérias, para conseguir digerir as complexas células vegetais. Como nossos antepassados tinham uma dieta com base em alimentos de origem vegetal, precisamos de um intestino longo (lembra que mencionei que é mais longo que de um carnívoro?), mas ser capaz de acessar essa fonte extra de energia e proteína fornecida pela carne permitiu que nosso cérebro evoluísse. Ao mesmo tempo que economizamos em não ter um intestino maior ainda, também alocamos energia para o cérebro. Isso foi cerca de 2,6 milhões de anos atrás.

Mas não poderíamos apenas comer mais frutas, verduras, raízes (poxa todo mundo sabe que batata tem muita energia!)? Matematicamente falando, sim. Bastaria comer mais das fontes vegetais, contudo precisaríamos de muito tempo comendo para conseguir o necessário para liberar energia usada na evolução do nosso cérebro. Ainda mais se nossos ancestrais estivessem se alimentando de alimentos crus (o processo de cocção, não apenas ajuda na mastigação fazendo com que você consiga comer mais em menos tempo, mas também na digestão dos nutrientes, contudo, apenas dominamos esses processo 500 mil anos atrás). De acordo com Katherine e Daniel, para que nossos antepassados conseguissem energia suficiente apenas de fontes vegetais eles teriam que mastigar até 15 milhões de vezes em um ano. Isso porque no experimento conduzido por eles, foi utilizado raízes que são mais calóricas que outros alimentos vegetais. (Uma mandioca é mais calórica que um alface ou uma maçã). No experimento eles alimentaram um grupo de voluntários com raízes e outro grupo com carne, e utilizando eletrodos mediram quantas vezes cada grupo precisava mastigar e quanta energia gastavam para ingerir a mesma quantidade calórica.

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Foto por Pixabay em Pexels.com

Nada disso, claro, significa que o consumo de carne aumentou tanto nos humanos contemporâneos. Clique aqui se você quiser acessar a média do consumo de carne por país. O paladar tem um papel fundamental aqui. Assim como o acesso a carne, mas isso já é assunto para uma próxima conversa.

 

Apenas gostaria de terminar dizendo, que não é porque a proteína da carne foi fundamental para a nossa evolução que nossa dieta não pode mudar. Como dito neste outro texto, não paramos de evoluir e há adaptações recentes a dietas como consumo de leite. Além disso, hoje o acesso a alimentos (infelizmente não para todos) é fácil, permitindo que você tenha acesso a outras recursos calóricos e ricos em proteína que não tenha origem animal, e claro, você também pode cozinhar.

 

Considerando nossa crise ambiental, discutir nossa dieta pensando na nossa saúde e na saúde do nosso planeta é uma questão urgente.

 

PARA LER MAIS:

 

Zink, K. D. & Lieberman, D. E. (2016). Impact of meat and lower Palaelithic food processing techniques on chewing in humans. Nature, 531, 500-503

https://www.nationalgeographic.com/foodfeatures/evolution-of-diet/

Fotos de domínio livre a serem usadas (pizabay):

 

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O que é vida? Como a física pode contribuir para essa questão?

O que é a vida? Poucas questões são tão intrigantes e simples de serem formuladas como esta. Ainda que do ponto de vista prático possa parecer fácil:

Um cachorro é vida? Sim.

Uma cadeira é vida? Não.

Do ponto de vista das definições formais não há uma resposta simples. A própria linguagem utilizada por pesquisadores em diferentes áreas para caracterizar a vida pode ser  bastante diferente. Em biologia costumamos falar de homeostase, células, metabolismo, resposta a estímulos, reprodução, evolução. Em física falamos em sistema fora do equilíbrio, entropia, calor, dissipação, autorreplicação, auto-organização.

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Sky and Water I (Céu e Água I). Xilogravura do artista holandês M. C. Escher, impressa pela primeira vez em junho de 1938.

Em 1944, um dos físicos mais famosos do século passado, Erwin Schrödinger, publicou um livro fantástico sobre o que é vida do ponto de vista da física [1]. Nele Schrödinger usou a ideia de entropia negativa, e desde então, costuma-se pensar em vida como uma diminuição da desordem local (entropia negativa) aumentando a desordem global (entropia positiva). Neste contexto, o atual sonho de muita gente na física é uma generalização da mecânica estatística desenvolvida por Boltzmann (que utiliza conceitos microscópicos, para explicar propriedades macroscópicas como pressão e volume de gases) que fosse capaz de utilizar este conceito. Esta generalização descreveria sistemas que estão fora do equilíbrio termodinâmico, dentre eles células, cérebros e a própria vida.

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Livro do Schrödinger [1]

Recentemente um jovem professor do MIT,  Jeremy England, desenvolveu uma formulação matemática baseada num teorema bem estabelecido da mecânica estatística fora do equilíbrio (teorema da flutuação de Crooks) para explicar o aumento da organização local em certos sistemas. England mostrou que um grupo de átomos dirigido por uma fonte externa de energia (como o sol ou combustível químico) imersa em um banho térmico (como o oceano ou a atmosfera), vai gradualmente se estruturar de maneira a dissipar cada vez mais energia. Este aumento gradual na organização local vem sendo chamado de adaptação dirigida por dissipação, e não seria uma mera coincidência, mas a trajetória fisicamente mais provável para um sistema vivo.

Sua teoria tem bases matemáticas firmes, mas as interpretações do quanto seus modelos podem ser comparados com a vida real ainda são especulativas. Em todo caso, suas ideias são suficientemente interessantes e inovadoras para prender nossa atenção. England sugere que, além de entropia negativa, para que os organismos vivos sejam complexos como são é necessário que os estados de maior organização sejam razoavelmente estáveis.

Assim poderíamos falar em adaptação num sentido mais amplo do que o de Darwin.  Não só em termos de algo ser mais adaptado do que seus ancestrais para sobreviver, mas ser mais adaptado do que as configurações anteriores que assumiu. E para isso poderíamos pensar, por exemplo, nas configurações espaciais de átomos formando moléculas e proteínas. Uma definição de adaptação seguindo essa linha poderia ser que uma entidade bem adaptada absorve energia do meio ao redor de maneira mais eficiente do que outras (ou do que ela mesma no passado).

Um professor da Universidade de Oxford, Ard Louis, sugeriu  que se England estiver correto talvez passemos a dizer algo como: a razão pela qual um organismo possui características X e não Y pode não ser porque X é mais apto que Y, mas sim porque as restrições físicas do sistema permitiram que X evoluísse mais que Y.

Forma e funcionalidade.

A relação entre forma e funcionalidade é a ideia de que certas estruturas biológicas são exatamente como são porque sua forma está relacionada com sua utilidade ou funcionalidade. Guiados por essa ideia, muitos cientistas procuram entender a funcionalidade (ou a vantagem evolutiva) de certas estruturas que aparecem mais do que outras (ou mais do que deveríamos esperar apenas ao acaso).

Por exemplo, certas proteínas podem ser encontradas em mais de uma configuração espacial (mas não em todas as configurações possíveis) e cada configuração tem uma função diferente. Outro exemplo, tanto no cérebro de primatas como em um animal simples como um verme (C. Elegans), a probabilidade de achar grupos de três neurônios conectados de uma maneira específica é maior do que a probabilidade de encontrar a mesma configuração se as conexões entre os neurônios ocorressem ao acaso. Ou ainda, se pegarmos todos os átomos de uma bactéria, separarmos numa caixa e a sacudirmos, a probabilidade de ao acaso eles se reorganizarem na configuração de algo que se pareça com uma bactéria é mínima.

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Figura 3.
A) Uma rede quadrada de tamanho 15×15 com 25 partículas distinguíveis (cada uma tem uma cor diferente e poderia representar uma mólecula orgânica) que podem estar em um dos dois estados: borda preenchida ou tracejada. B) Dois exemplos de configurações mais complexas desejadas (que poderiam representar duas configurações possíveis de uma mesma proteína). C) Em cada passo de tempo uma partícula aleatória é sorteada e pode se mover em uma das quatros direções. Se a energia da nova configuração for menor que a da primeira o movimento ocorre com probabilidade 1; se for maior, existe uma probabilidade menor que 1 da partícula se mover. Em seguida uma nova partícula é sorteada e seu estado pode ser alterado pela mesma regra de probabilidade. Adaptada da referência [2].

Portanto, um dos ingredientes mais simples para a existência de vida deveria ser uma maior probabilidade de encontrar certas configurações específicas do que outras. Ou seja, a entropia local diminui e as configurações são estáveis o suficiente para continuarem existindo na natureza. Recentemente mais um trabalho do grupo do England foi publicado levando em conta essas ideias [2]. A pesquisadora Gili Bisker é a primeira autora do artigo que simula um modelo simples de partículas interagentes em uma rede quadrada. As partículas podem se mover no espaço e mudar seu estado interno. Assim como diversas proteínas, as partículas podem formar diversas estruturas diferentes utilizando os mesmos componentes básicos (veja Figura 3).

Bisker e England mostraram que a existência de um forçamento local (que favorece certos estados internos das partículas dependendo do estado das suas vizinhas – veja Figura 4) diminui o tempo necessário para atingir certas configurações “desejadas” e aumenta a estabilidade dessas configurações uma vez formadas. Eles mostraram ainda que a distribuição de probabilidade de atingir cada configuração é diferente daquela esperada pela distribuição de Boltzmann. Sem esse forçamento local, a probabilidade de que as configurações desejadas ocorra é baixa. E o aumento do forçamento aumenta a eficiência da auto-organização estrutural.

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Figura 4. O forçamento local foi incluído como um termo extra aumentando ou  diminuindo a energia do estado final apenas para a mudança de estado interno e não para o movimento.  Com isso a probabilidade de em um passo de tempo o sistema mudar entre uma das quatro configurações acima, que inicialmente era igual, com o forçamento ficou mais fácil ir de D para A, do que de A para D. Essa pequena mudança, bastante razoável do ponto de vista biológico, da partícula ser influenciada pelos vizinhos, torna muito mais provável a formação (e aumenta a estabilidade) das configurações desejadas (mostradas na Figura 1B). Adaptada da Referência [2].

O modelo computacional ainda é bem mais simples que sistemas biológicos reais, e o grupo pretende usar as simulações para ajudar a propor experimentos onde possam testar suas ideias. Mas, por enquanto, esse resultado nos deixa com a sensação de que a matéria inanimada, na presença de um forçamento simples, pode assumir características de auto-estruturação que “parecem vida”. Mais que isso, nos deixa com a impressão de estarmos (um pouco) mais perto de uma teoria da física capaz de explicar os eventos que ocorrem (no tempo e no espaço) dentro de uma célula, como propôs Schrodinger já na primeira página do seu livro em 1944 [1].

Referências:

[1] Erwin Schrödinger. What Is Life? the physical aspect of the living cell and mind. Cambridge University Press, Cambridge, 1944.

[2] Gili Bisker e Jeremy L. England. Nonequilibrium associative retrieval of multiple stored self-assembly targets. Proceedings of the National Academy of Sciences 115.45 (2018): E10531-E10538.

[3] Natalie Wolchover. A New Physics Theory of Life. Scientific American (2014).

[4] Natalie Wolchover. First Support for a Physics Theory of Life. Quanta Magazine (2017).

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O papel da evolução no surgimento e no tratamento do câncer

Os últimos meses foram marcados, em todo o Brasil, por campanhas de prevenção ao câncer de mama, com o outubro rosa, e ao câncer de próstata, com o novembro azul. Agora, por meio do dezembro laranja, as campanhas de saúde pública se voltam para outro vilão, o câncer de pele.

O motivo dessas mobilizações nacionais é bem evidente: o câncer é uma doença com uma alta frequência na população nacional e mundial. Segundo a OMS (Organização Mundial de Saúde), estima-se que até 2040 serão registrados 29,4 milhões de novos casos de câncer no mundo, uma expansão de 63% nos próximos 20 anos. Além disso, a mortalidade decorrente de câncer deve subir de 9,6 milhões de pessoas em 2018 para 16,3 milhões em 2040.

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Figura 1. Representação de um tumor (Fonte: Mopic/Alamy, BBC, 2016).

Olhando esse cenário, podemos nos perguntar: qual o motivo de tantas pessoas desenvolverem essa patologia ao longo da vida? As explicações mais comuns para esses números alarmantes estão relacionadas ao envelhecimento da população e aos hábitos das pessoas, como má alimentação, tabagismo, obesidade e falta de atividade física. Entretanto, para responder esse questionamento inteiramente, é importante entender que o câncer é um subproduto do processo evolutivo e que nós, seres humanos, fazemos parte desse processo e, dessa forma, somos suscetíveis a essa doença.

Para compreender o câncer nós precisamos lembrar de um processo biológico fundamental: a divisão celular. Esse processo é extremamente regulado nas células do nosso corpo. Entretanto, uma célula cancerígena é capaz de “quebrar” os mecanismos de controle que uma célula comum segue, gerando uma proliferação celular descontrolada [1].

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Figura 2. Representação de uma molécula de DNA sendo quebrada (Fonte:  Paul Wootton/SPL, BBC, 2016).

Durante os anos de evolução da vida em nosso planeta, muitos mecanismos de reparo de danos celulares surgiram, além de mecanismos de destruição das células que apresentem alguma irregularidade. Esses mecanismos evitam que tais células “danificadas” causem prejuízos para todo o organismo. Entretanto, essas correções, apesar de excelentes, não são exatamente perfeitas. Quando um pequeno número de células que possuem alguma alteração não são “consertadas” pelos mecanismos de reparo, essa população celular pode crescer, gerando centenas e milhares de células alteradas, que levam à formação do que conhecemos por um tumor [2].

Recentemente os cientistas olharam para as células cancerígenas sob novas perspectivas, e perceberam que com o crescimento desacelerado e desordenado, cada célula cancerígena possui um material genético diferente da outras células [2], como um organismo independente, e que o conjunto dessas células, o que seria análogo ao que conhecemos como uma população, está suscetível a várias pressões do ambiente externo e aos fatores evolutivos.  

Assim, após a formação de um tumor, constituído inteiramente por células alteradas, novas modificações acontecem dentro dessa mesma população de células cancerígenas, tornando-as cada vez mais diversas geneticamente [1,3]. Assim, sob essa diversidade de células há a atuação da seleção natural, ou seja, as células com maiores taxas de divisão, mais “agressivas” e resistentes sobrevivem, enquanto as outras células não tão adaptadas morrem. Esse processo faz com que as células do tumor se tornem cada vez mais “fortes” e adaptadas, sendo necessária a completa remoção de todas as células de um organismo para a eliminação da doença pois, se apenas algumas sobreviverem, elas podem rapidamente se multiplicar e voltar ao estágio de tumor.

Esse processo evolutivo com constantes modificações é uma das razões de ser tão difícil encontrar um único tratamento para o câncer. Entretanto, entender esse processo nos revela também uma das possibilidades de cura. Cientistas começaram a olhar os cânceres sob a luz da evolução e descobriram que as células de um tumor usualmente compartilham alterações genéticas (mutações) provenientes das primeiras células que sofreram alterações. Em uma analogia, funciona como uma árvore com vários galhos (Figura 3).

Nature_tumor separation

Figura 3. Representação do isolamento de células de diferentes partes de um tumor e reconstrução da ordem de aparecimento de cada modificação (Fonte: Kuo, C.J; Curtis, C. Nature, 2018, com adaptações e tradução para português).

O estudo [4] foi publicado na revista Nature em abril de 2018, e mostra que a partir da separação de diferentes regiões de um tumor é possível identificar a origem e as mutações acumuladas em cada parte. Assim, após entender e mapear essas primeiras alterações celulares é possível criar terapias direcionadas para cada tipo de tumor que eliminem todas as células de uma só vez.

Por fim, a ciência básica e a ciência aplicada caminham mais uma vez de mãos dadas e a cada dia mais unidas para desvendar um dos grandes desafios da humanidade no século atual: a cura do câncer.

Para saber mais sobre a história do câncer e estatísticas brasileiras vale a pena ler o livro gratuito do Instituto Nacional do Câncer (INCA) dos autores Luis A. Teixeira e Cristina O. Fonseca, intitulado “De doença desconhecida a problema de saúde pública: o INCA e o controle do câncer no Brasil”. E, aqui no blog, recentemente nós publicamos um texto sobre um dos últimos avanços da medicina em relação ao tratamento do câncer por meio da imunoterapia. Boa leitura!

Referências:

[1] Mel Greaves & Carlo C. Maley. Clonal evolution in cancer. Nature, v. 481, p. 306–313, 2012. (https://www.nature.com/articles/nature10762)

[2] Melissa Hogenboom. How cancer was created by evolution. BBC Earth, 2016. (http://www.bbc.com/earth/story/20160601-is-cancer-inevitable)

[3] Calvin J. Kuo & Christina Curtis. Organoids reveal cancer dynamics. Nature News &  Views, p. 441, 2018. (https://www.nature.com/articles/d41586-018-03841-x)

[4] Roerink, S et al. Intra-tumour diversification in colorectal cancer at the single-cell level. Nature, n. 556, p. 457–462, 2018. (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29643510)

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O solo como estoque de carbono e gestão de resíduos. Na busca por soluções para o avanço do aquecimento global.

Surgem cada vez mais estudos no mundo sobre sequestro de carbono (C) no solo, com práticas agropecuárias diversas. De modo geral, essas taxas variam entre 0,1 e 0,5 tonelada de C por hectare por ano, dependendo do tipo de prática, da composição e estrutura do solo, e da região do estudo.

A questão é, até que ponto a forma como o solo é manejado pode interferir no aquecimento global?  Bom, segundo as pesquisas, interfere e muito!

Medidas calculadas a partir de uma meta-análise global por West e Post (2002) do Departamento de Energia dos EUA sugerem uma taxa de sequestro de C média de 0,48 ± 0,13 t C / ha / ano, no caso de conversão de sistema de plantio convencional (práticas intensivas de manejo) para o plantio direto (plantio sobre a palha da colheita anterior – menos intensivo). Rotações de culturas têm uma taxa de sequestro de C média de 0,15 ± 0,04 t C /ha /ano.

Outra análise, dessa vez do estudo de Lam et al. (2013) mostrou estimativas maiores de sequestro de C na Austrália, após a adoção da chamada lavoura de conservação, com manejo de resíduos de plantas e conversão para pastagem.

A figura abaixo ilustra a diferença entre o plantio convencional e direto, na manutenção do estoque de carbono no solo. No desenho, as setas em vermelho e rosa indicam a liberação de gases do efeito estufa para a atmosfera. As setas verdes indicam a absorção desses gases no solo, como estoque de carbono, dependendo da atividade de uso do solo. Como é possível observar, a floresta possui um sistema equilibrado de entradas e saídas, considerando o ecossistema como um todo. O sistema de plantio convencional tem um balanço negativo na emissão de gases, enquanto que no sistema de plantio direto, a conservação da matéria orgânica promove a elevação da absorção de gases, aumentando a capacidade do solo em reter carbono da atmosfera.

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Fonte: Carlos C. Cerri, 2009.

Normalmente, solos arados ​​contém 1-3% de carbono orgânico (Stockmann et al., 2013). Essa média é relativamente baixa, pelo processo de mineralização da matéria orgânica, causada pelo uso de técnicas agrícolas intensivas.

Por enquanto, só falamos da agricultura que, mesmo com taxas baixas, dependendo do manejo, sequestra certa quantidade de C. No caso da pecuária, o cenário apresentado é oposto, uma vez que o rebanho de gado é, junto com a queima de combustíveis fósseis, uma das principais causas do aumento do efeito estufa e, consequentemente, do aquecimento global. Além disso, a pecuária é responsável por grande parte do desmatamento da Floresta Amazônica, fato ainda mais prejudicial, já que a Floresta representa um grande estoque de carbono ativo.

Apesar da realidade pouco otimista dos dados, ainda há o que fazer para reverter esse quadro.

A modificação das práticas agrícolas convencionais pelo manejo de base ecológica pode auxiliar na melhoria da qualidade e estrutura do solo e, consequentemente, aumentar o estoque de C armazenado. Localizar os recursos e alocá-los de maneira a facilitar processos naturais pode ser uma importante alternativa também. Um exemplo disso é a questão dos resíduos sólidos na cidade.

No Brasil, a taxa de geração de resíduos orgânicos é, em média, 50% da composição do resíduo domiciliar, cerca de 94.309,5 t/dia, de acordo com o IPEA (2012). Entretanto, apenas 1,6% dos resíduos orgânicos (aprox. 1.510 ton/dia) são destinados para unidades de compostagem, sendo o restante (92.800 ton/dia), encaminhado para outros destinos finais (lixões, aterros controlados e aterros sanitários).

Abaixo, segue a tabela com a composição dos resíduos no Brasil por tipo e sua geração em toneladas por dia, bem como a evolução da produção de resíduos entre os anos de 2000 e 2008.

Capturar

Fonte: IPEA (2012)

Caso esse recurso fosse utilizado, muitos dos problemas que enfrentamos seriam solucionados, uma vez que:

  • O volume de resíduos diminuiria, o que faria aumentar a vida útil de aterros sanitários;
  • Contaminações de solo e água poderiam ser evitadas/menos frequentes;
  • Haveria mais recursos para adubação natural do solo, melhorando sua qualidade e estrutura e evitando a utilização de insumos sintéticos;
  • No final desse ciclo virtuoso, a taxa de sequestro de carbono aumentaria notavelmente.

Portanto, o potencial de aumento no estoque de carbono é possível, com gestão in situ estratégica, desenvolvimento de práticas de manejo adequadas, implementação de políticas públicas, envolvimento de todas as cadeias de produção e, principalmente, da sociedade civil.

Além disso, ações individuais são sempre válidas, agir no micro para modificar o macro é uma medida efetiva, principalmente, porque age na transformação de consciência da sociedade.

Então, podemos aprender por nós mesmos como realizar o tratamento dos resíduos orgânicos em casa, acessando links interessantes, como esses:

 

Referências

  • IPEA- Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada. Diagnóstico dos Resíduos Sólidos Urbanos. Relatório de Pesquisa. Brasília/DF, 2012.
  • Lam, S.K., Chen, D., Mosier, A.R., Roush, R.. The potential for carbon sequestration in Australian agricultural soils is technically and economically limited. Sci. Rep. v.3, n. 2179, 2013.
  • Stockmann, U., Adams, M. A., Crawford, J. W., Field, D. J., Henakaarchchi, N., Jenkins, M., Zimmermann, M., et al. The knowns, known unknowns and unknowns of sequestration of soil organic carbon. Agric. Ecosyst. Environ. 164, 80–99. 2013.
  • West, T. O., Post, W. M., Soil organic carbon sequestration rates by tillage and crop rotation. Soil Sci. Soc. Am. J. 66, p.1930–1946. 2002.