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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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Uma nova maneira de divulgar descobertas científicas

Você que é pesquisador, pós-doc, doutorando, mestrando ou até mesmo um aluno de Iniciação Científica, provavelmente, já se deparou com as dificuldades inerentes à publicação de um artigo científico. Pra quem não é da área acadêmica, eu explicarei as etapas necessárias para que um artigo seja aceito para publicação em um bom periódico.

Primeiramente, é necessário o desenvolvimento de um projeto que deve ser avaliado quanto a sua justificativa, objetivo e métodos para obtenção de resultados confiáveis e consistentes. Após o desenvolvimento de todo o seu projeto e análise dos seus resultados, nada mais o impede de começar a escrever o seu artigo científico.

A maioria dos artigos da área de ciências biológicas e saúde é dotada de cinco seções: Resumo, Introdução, Material e Métodos, Resultados e, por fim, Discussão. Essa estrutura é a mais comum, porém alguns artigos das áreas de ciências humanas e sociais podem adotar estilos de redação diferentes. Se você quiser o passo-a-passo de como um artigo científico deve ser escrito, acesse o texto: Como escrever um artigo científico do site Pós-graduando.

Em geral, artigos científicos são curtos e não ultrapassam 10 páginas. Por isso, a capacidade de síntese é algo importante, apesar de difícil, na hora de escrever. Depois de conseguir fazer toda a sua pesquisa caber em poucas páginas escritas em inglês formal¹ você estará pronto para submeter seu artigo, juntamente com todas as suas figuras, gráficos e tabelas, em um periódico científico de preferência com alto fator de impacto².

Uma vez submetido, o artigo passará por uma análise de revisão rigorosa que conta, geralmente, com 2 revisores e 1 editor. Eles vão ler seu trabalho, avaliá-lo e decidir se será aceito, negado ou se precisará passar por correções e uma nova análise para poder ser publicado. A maioria dos periódicos são “peer-reviewed”, ou seja, revisado por pares, isso significa que os pesquisadores que revisarão seu manuscrito são, preferencialmente, da mesma área de pesquisa que você.

Digamos que após algumas correções e rigorosa análise, o seu artigo tenha sido aceito em um periódico. Você pensa: “nossa que ótima notícia, agora todos os pesquisadores do mundo inteiro que tenham interesse pelo meu campo de trabalho poderão acessar meu texto e ler minhas contribuições para a área.” Na verdade, não é bem assim que as coisas funcionam…

Os bons periódicos com acesso aberto (Open Access) ao público, geralmente cobram na faixa de U$1,000 para publicar um artigo. Existem revistas que não cobram para publicação, porém o acesso ao seu artigo fica restrito a assinantes daquela revista, como universidades e institutos de pesquisa. Para os não assinantes, existe uma taxa de cerca de U$40  para permitir acesso ao texto.

Por conta dessas dificuldades, surgiram algumas iniciativas, como o sci-hub. O sci-hub é um site fundado em 2011 pela neurocientista Alexandra Elbakyan, no qual são encontrados cerca de 62 milhões de artigos científicos das mais variadas áreas e revistas. Apesar de ser uma nobre iniciativa, que visa derrubar as barreiras da ciência, o sci-hub é ilegal, já foi retirado do ar diversas vezes e enfrenta graves acusações de roubo de direitos autorais.

Scihub

Fonte: Sci-hub. Tradução livre: ..para remover todas as barreiras no caminho da ciência.

Mais um importante projeto criado pela instituição Cold Spring Harbor Laboratory sediada em Nova Iorque, é o BioRxiv (lê-se bio-archive), um site autointitulado de “the preprint server for biology” (em tradução livre: “servidor para artigos pré-publicados de biologia”) que opera como uma revista científica para artigos que ainda não foram formalmente revisados e publicados. O BioRxiv foi lançado no final de 2013 e já conta com cerca de 10 mil manuscritos disponíveis para serem acessados por qualquer pessoa.

A plataforma funciona da seguinte maneira: pesquisadores podem submeter  rascunhos de seus artigos assim que estiverem prontos para serem compartilhados, com semanas, ou meses antes de serem formalmente publicados em uma revista científica.

preprints

Fonte: Nature. doi: 10.1038/503180a. Tradução livre: Os “preprints” ganham vida.

O objetivo do BioRxiv é acelerar o compartilhamento de resultados científicos importantes que ficariam “escondidos” até serem aceitos para publicação em algum periódico. O mais legal desta plataforma é que outros cientistas podem deixar comentários e te ajudar no processo de evolução do seu manuscrito. Uma vez que um artigo é adicionado no BioRxiv ele não pode ser removido, pois o site permite sua citação por outros autores. Depois de ser aceito para publicação, o site atualiza automaticamente a versão “preprint” com um link para a versão publicada.

Em abril deste ano foi divulgado que o servidor recebeu uma grande contribuição de Chan Zuckerberg Initiative (CZI) para a expansão do site e adição de mais ferramentas. “O acesso expandido a esses manuscritos pode acelerar o ritmo de descobertas e, como consequência, nosso entendimento de saúde e doenças”, afirmou o neurocientista Cori Bargmann, presidente do Departamento de Ciências da CZI.

Iniciativas como o BioRxiv já são altamente disseminadas em outras áreas do conhecimento, como no  campo da física, matemática e ciências sociais com o site Rxiv (archive) que aceita “preprints” dessas áreas há 25 anos, mas para os pesquisadores do campo da biologia e de saúde isso tudo é uma grande novidade.

O servidor certamente contribuirá para todas as áreas da biologia,  principalmente para a saúde. Uma das contribuições mais evidentes é reportar rapidamente surtos de doenças infecciosas, como no começo do ano de 2013, quando cientistas submeteram ao Rxiv um relatório a respeito de surtos de gripe aviária (H7N9) que ocorriam na China.

O sistema atual de publicação de artigos científicos é caro, restringe o acesso à ciência aos meios especializados e torna o desenvolvimento científico mais lento, artigos podem levar até um ano para serem publicados.  Diante desse cenário, a comunidade científica deve considerar que uma ação como o BioRxiv pode realmente representar um avanço no jeito de fazer e divulgar ciência.

¹Nem todos os artigos científicos são, obrigatoriamente, escritos em inglês, porém os textos em inglês podem ser lidos por qualquer pessoa ao redor do mundo.

²Fator de impacto: é uma medida que calcula o número médio de citações de artigos científicos publicados em determinado periódico.

 

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Mais sobre Sci-hub

BioRxiv

Mais sobre BioRxiv (inglês)

 

 

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RNA de interferência, uma nova maneira de proteger plantações contra patógenos

     A história da humanidade foi modificada amplamente a partir do momento que percebemos que somos capazes de manipular, até certo ponto, a natureza. O cruzamento de plantas e de animais para a obtenção de características específicas foi aprimorado ao longo do tempo, aumentando a resistência a doenças, a produtividade e a longevidade.

     Com os avanços em biologia molecular e engenharia genética, aprendemos a inserir e alterar genes responsáveis por características de interesse comercial bem como introduzir genes de resistência a pragas e pesticidas. Além disso, foi possível a obtenção em larga escala de medicamentos e vacinas, como a insulina, os antibióticos e a vacina contra hepatite B. Entretanto, a manipulação genética e seus produtos, os organismos geneticamente modificados (OGM), não são bem vistos por uma boa parcela da população, que prefere optar pelo consumo de produtos de origem orgânica. Mas uma nova metodologia para o silenciamento de genes em plantas, sem alteração do DNA, pode revolucionar o controle de pragas e doenças.

     Proteger as plantas contra infecções virais é uma tarefa complicada, pois é necessário cultivar plantas resistentes aos vírus, caso existam, ou utilizar pesticidas que combatam os animais vetores dos vírus. Os vetores são animais capazes de transmitir a outro ser vivo vírus, bactérias e protozoários causadores de doenças. Atualmente, estima-se que entre 30 e 40% da produção agrícola seja perdida devido a pragas. Com as mudanças climáticas globais, a tendência é que cada vez mais plantações se tornem suscetíveis, uma vez que o aumento global das temperaturas facilita a dispersão de micro-organismos causadores de doenças. Dessa maneira, é cada vez mais evidente que a utilização de técnicas de manejo sustentáveis para plantações seja uma necessidade, com o intuito de reduzir a utilização de agrotóxicos e pesticidas, diminuir a contaminação ambiental, e baratear os custos de produção.

     Liderado pela doutora Neena Mitter, da Universidade de Queensland na Austrália, o grupo de pesquisa desenvolveu um spray contendo ácido ribonucleico (RNA) de dupla fita (dsRNA) capaz de proteger plantas de tabaco (Nicotiana tabacum) contra infecções virais. O RNA é o material genético, de fita simples, responsável pela produção de proteínas nas células e um dsRNA é uma molécula de RNA que está pareada com outra molécula complementar, também de RNA. O dsRNA é acoplado a nanopartículas de argila, esse complexo é então aspergido sobre as folhas das plantas a serem protegidas. Após a aplicação, ocorre a liberação do dsRNA e sua absorção pelas folhas conforme a partícula se degrada. A proteção é baseada no silenciamento de genes essenciais dos vírus estudados, ou seja, a técnica impede a expressão de genes sem os quais os vírus não são capazes de se replicar dentro das células. Com isso, a técnica chama bastante atenção porque se torna uma alternativa à modificação genética de organismos, que pode levar anos até se mostrar segura e eficiente.

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Mecanismo de aplicação, liberação e ação do spray desenvolvido pelos pesquisadores da Universidade de Queensland (Esquema retirado do artigo original).

     A técnica desenvolvida pelo grupo é baseada num sistema de defesa existente em organismos eucariotos (que possuem núcleo em suas células), chamado de RNA de interferência (RNAi). Esse mecanismo tem por função identificar e degradar qualquer sequência de nucleotídeos estranha à célula, como vírus e transposons, impedindo a tradução dessa sequência. No entanto, essa degradação só ocorre caso haja complementaridade entre a sequência do RNAi e do RNA estranho, conferindo uma especificidade em sua ação. Dessa maneira, não há risco de interferência no funcionamento celular normal. Outra vantagem é a possibilidade de um mesmo spray poder ser utilizado em diferentes variedades de plantas. Porém, é possível que os organismos alvo acabem desenvolvendo resistência ao alterar sua sequência de DNA em resposta à aplicação do spray. Uma das maneiras para burlar esse mecanismo seria a utilização de diferentes sequências numa mesma solução, aumentando o número de sequências alvo e diminuindo assim as chances de adaptação.

     Os resultados do trabalho mostram que as plantas ficam protegidas por pelo menos 20 dias após a aplicação de uma dose do spray e que mesmo as folhas novas, que não receberam o tratamento, estão protegidas contra a infecção viral. Pesquisadores da Universidade de Cornel em Nova Iorque, também desenvolveram um spray semelhante, mas o alvo foi o besouro-da-batata e o estudo desenvolvido mostrou que a plantação ficou protegida por mais de 28 dias.

     Por ora, a intenção é silenciar genes de pragas biológicas, mas num futuro não muito distante é possível que sprays semelhantes sejam desenvolvidos para alterar outras características das plantas, como composição nutricional, amadurecimento e coloração. E aí, já pensou mudar a cor das flores no seu jardim usando apenas um spray?

Para saber mais:

Artigo original: Clay nanospheres for topical delivery of RNAi for sustained protection against plant viruses. Neena Mitter, Elizabeth A. Worrall, Karl E. Robinson, Peng Li, Ritesh G. Jain, Christelle Taochy, Stephen J. Fletcher, Bernard J. Carroll, G. Q. (Max) Lu, Zhi Ping Xu. http://www.nature.com/articles/nplants2016207

Vídeo em inglês sobre o mecanismo de funcionamento do RNAi: http://www.nature.com/nrg/multimedia/rnai/animation/index.html

RNAi para terapia em humanos: http://www.scielo.br/pdf/rbr/v50n6/v50n6a08.pdf

Poster da Nature (em inglês) sobre RNAi: http://www.nature.com/nrg/posters/small-rna/small-rna.pdf

O mundo dos pequenos RNAs: http://www.plantcell.org/site/teachingtools/TTPB5LectureNotes_PortugueseVersion.pdf

Vetores de doenças: https://pt.wikipedia.org/wiki/Vetor_(epidemiologia)

Nucleotídeos: http://www.biocristalografia.df.ibilce.unesp.br/cursos/intro_bioquimica/aula7.pdf