Uma equipe internacional de pesquisadores usou cristalografia ultrarrápida com resolução temporal para acompanhar o progresso do reparo do DNA por uma enzima fotolíase. O trabalho é “a primeira caracterização estrutural de um ciclo completo de reação enzimática”, diz Manuel Maestre-Reyna, que liderou a pesquisa.
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Embora muitas das fases deste processo já tenham sido estudadas antes, a nova investigação vai significativamente mais longe “ao visualizar a coreografia tanto do substrato como da enzima”, diz o biólogo molecular Aziz Sancar, da Faculdade de Medicina da Universidade da Carolina do Norte, que foi laureado com o Prêmio Nobel de Química de 2015 por seu trabalho em estudos mecanísticos de reparo de DNA. Em particular, o estudo superou o desafio de capturar eventos que ocorrem em escalas de tempomuito diferentes para mapear cada etapa enzimática do processo.
Sancar chama isso de “trabalho notável, ultrapassando os limites da cristalogra com resolução temporal”.
▪️ ‘As enzimas são lentas’
As fotolíases reparam danos no DNA causados pela luz ultravioleta em bactérias, fungos, plantas e alguns animais, incluindo marsupiais.
Os humanos e outros mamíferos não contêm estas enzimas, mas nós também sofremos danos induzidos pela luz.
Um resultado comum é a formação de dímeros de ciclobutano pirimidina (CPDs), onde duas bases pirimidinas adjacentes (timina ou citosina) se fundem através de um anel ciclobutano de quatro membros.
“A formação de CPD é a principal causa do cancro da pele, e a pele queimada pelo sol contém sempre lesões de CPD”, diz Maestre-Reyna, bioquímico do Instituto de Química Biológica de Taipei, Taiwan.
A enzima repara o DNA mantendo o CPD em seu sítio ativo, enquanto uma coenzima flavina adenina dinucleotídeo (FAD) transfere um elétron para o anel ciclobutano em um processo que é estimulado pela luz. Isso desencadeia uma reação de radicais livres que corta as duas ligações carbono-carbono que mantêm as pirimidinas unidas.
As etapas do reparo abrangem escalas de tempo de pico a nanossegundos, tornando um desafio capturar todo o processo de ponta a ponta.
Tudo isso acontece rapidamente quando o FAD é ativado: a transferência inicial de elétrons acontece após 100ps, e a segunda ligação C – C se quebra após cerca de 1ns. Mas então são necessários cerca de 500 ns para que o sítio ativo da enzima retorne ao seu estado inicial, e mais 200 μs para que as pirimidinas reparadassaiam do sítio ativo e o DNA seja liberado.
“As enzimas são lentas”, diz o biofísico Marius Schmidt, da Universidade de Wisconsin-Milwaukee. ‘Os ciclos catalíticos são concluídos na escala de milissegundos, mas os eventos fundamentais, como a formação de ligações e os relaxamentos locais, são extremamente rápidos. Estas duas escalas de tempo são difíceis de conciliar.»
Para acompanhar todo o processo, Maestre-Reyna e seus colegas realizaram cristalografia ultrarrápida em co-cristais de uma fotolíase microbiana e DNA contendo CPD, usando duas fontes de laser de elétrons livres (FEL) de raios X brilhantes. Uma equipe, trabalhando na Suíça, coletou dados dos primeiros 10 ns da reação, enquanto a outra equipe, utilizando um FEL no Japão, estudou o relaxamento do complexo enzimático e a liberação do DNA de 10ns a 200μ.
Tivemos que purificar a proteína, ativá-la, cocristalizá-la, colher os cristais e coletar os dados em 20 horas.
O principal desafio, diz Maestre-Reyna, foi que as equipes tiveram que trabalhar rápido para coletar os dados. “As fotolíases só são ativas na sua forma totalmente reduzida, por isso todos os experimentos tiveram que ser realizados em condições livres de oxigênio”, diz ele. E como a forma reduzida é facilmenteoxidada, eles estimaram que teriam apenas cerca de 20horas antes que ela fosse novamente desativada.
“Tivemos que purificar a proteína, ativá-la, cocristalizá-la, colher os cristais e prepará-los para a coleta de dados e, em seguida, coletar os dados, tudo no local em no máximo20horas”, acrescenta.
Maestre-Reyna ressalta que o trabalho só foi possível com uma grandeequipe multidisciplinar.
Isso incluiu Ming-Daw Tsai no laboratório de Taiwan, que trabalhou extensivamente na base estrutural do reparo de DNA, Lars-Oliver Essen da Philipps University Marburg (‘um dos mais importantes cientistas da fotolíase do mundo’), Junpei Yamamoto da Universidade de Osaka (‘possivelmente o único químico sintético do mundo capaz de produzir DNA fotodanificado nas enormes escalas necessárias’) e Antoine Royant da Universidade de Grenoble Alps, especialista em realizar espectroscopia em cristais.
Um componente chave, mas até agora pouco compreendido, da reação é um aglomerado de cinco moléculas de água dentro do sítio ativo.
Este aglomerado, ligado por ligações de hidrogênio a uma parte da proteína, parece ajustar a afinidade do sítio ativo pelos CPDs e permite-lhe reorganizar-serapidamente quando ocorre a transferência inicial de eletrões – uma ideia anteriormente especulativa que o novo trabalho confirma.
Maestre-Reyna também diz que “embora tenhamos entrado armados com um conhecimento muito bom do que esperar durante o primeiro nanossegundo ou mais, o que aconteceria mais tarde [quando as bases fossem libertadas] era um território muito desconhecido”.
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Referências:
M Maestre-Reyna et al, Science, 2023, 382, eadd7795 (DOI: 10.1126/science.add7795
O sistema CRISPR – Cas9 (foto) é usado para encontrar e cortar sequências específicas de DNA. Credit: Carlos Clarivan/Science Photo Library
CRISPR–Cas9 é mais conhecido como uma ferramenta de laboratório para edição de DNA, mas sua funçãonatural é como parte do sistema imunológico que ajuda certos microrganismos a combater vírus. Agora, os pesquisadores usaram um algoritmo para classificar milhões de genomas para encontrar novos e raros tipos de sistema CRISPR que poderiam eventualmente ser adaptados em ferramentas de edição de genoma.
“Estamos simplesmente impressionados com a diversidade dos sistemas CRISPR”, afirma Feng Zhang, bioquímico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, em Cambridge, e coautor de um artigo de 23 de novembro na revista Science que descreve os sistemas[1]. “Fazer essa análise nos permite matar dois coelhos com uma cajadada só: ambos estudam biologia e também potencialmente encontram coisas úteis.”
Bactérias unicelulares e archaea usamsistemas CRISPRpara se defenderem contra vírus conhecidos como bacteriófagos. Os sistemas geralmente têm duas partes: moléculas de “RNA guia” que reconhecem e se ligam ao DNA ou RNA do fago, e enzimas que cortam ou de outra forma interferem no material genético no local indicadopelo RNA guia.
Até agora, os pesquisadores identificaram seis tipos de sistema CRISPR, designados I – VI. Estes têm propriedades diferentes, incluindo o tipo de enzima que utilizam e comoreconhecem, se ligam e cortam o RNA ou o DNA.
O sistema CRISPR-Cas9 comumente usado para engenharia genética é classificado como tipo II, mas as características de outros tipos de CRISPR podem torná-los úteis para outras aplicações.
▪️ Sequências semelhantes
Para encontrar diversos sistemas CRISPR na natureza, Zhang, o bioengenheiro do MIT Han Altae-Tran e seus colegas desenvolveram um algoritmo chamado FLSHclust, que analisa sequências genéticas em bancos de dados públicos.
Estas bases de dados contêm centenas de milhares de genomas de bactérias e arquéias, centenas de milhões de sequências que não foram ligadas a uma espécie específica e milhares de milhões de genes que codificam proteínas. FLSHclust encontrou genes associados ao CRISPR procurando semelhanças entre sequências genéticas e agrupando-as em cerca de 500 milhões de clusters.
Ao observar a função prevista dos clusters, os investigadores encontraram cerca de 130.000 genes associados de alguma forma ao CRISPR, 188 dos quais nunca tinham sido vistos antes, e testaram vários em laboratório para descobrir o que fazem. As suas experiências revelam váriasestratégias que os sistemas CRISPR utilizampara atacar bacteriófagos, incluindodesenrolar a dupla hélice do DNA e cortar o DNA de forma a permitir a inserção ou eliminação de genes.
Eles também identificaram fragmentos de DNA “anti-CRISPR” que podem ajudar um fago a escapar das defesas bacterianas.
Entre os novos genes estava o código para um sistema CRISPR totalmente desconhecido que tem como alvo o RNA, que a equipe apelidou de tipo VII. O coautor Eugene Koonin, biólogo do Centro Nacional de Informações sobre Biotecnologia em Bethesda, Maryland, diz que é cada vez mais difícil encontrar novos sistemas CRISPR. O tipo VII – e quaisquer outros tipos que ainda não tenham sido identificados – devem ser extremamente raros na natureza, acrescenta.
“Provavelmente serão necessários esforços monumentais para encontrar o próximo tipo.”
É difícil saber se certos tipos de sistemas CRISPR são rarosporquegeralmentenão são úteis para microrganismos ou se estão especificamente adaptados a um organismo que vive num ambiente específico, diz Christine Pourcel, microbiologista da Universidade Paris-Saclay. Ela acrescenta que, como os bancos de dados genéticos utilizados no estudo incluem fragmentos de genomas que não estão ligados a organismos específicos, será difícil estudar o papel de alguns dos novossistemas.
▪️ Resultado impressionante
O algoritmo em si é um grande avanço, na medida em que permitirá aos investigadores procurar outrostipos de proteínas entre espécies, diz Chris Brown, bioquímico da Universidade de Otago em Dunedin, Nova Zelândia. “Estou impressionado com o que eles puderam fazer”, diz ele.
“É um tesouro para os bioquímicos”, concorda Lennart Randau, microbiologista da Universidade de Marburg, na Alemanha.
O próximo passo, diz ele, será descobrir os mecanismos através dos quais as enzimas e os sistemasfuncionam e como poderão ser adaptados à engenharia biológica.
Brown diz que algumas proteínas CRISPR cortam o DNA aleatoriamente e são inúteis para a engenharia. Mas elas são tãoprecisas na detecção de sequências de DNA ou RNA que podem ser boas ferramentas de diagnóstico ou de pesquisa.
É muito cedo para dizer se os sistemas CRISPR tipo VII ou qualquer outro gene identificado pelo FLSHclust serão úteis para a engenharia genética, diz Altae-Tran, mas eles têm algumas propriedades que podem ser úteis. O tipo VII, por exemplo, envolve apenas alguns genes que poderiam facilmente caber em um vetor viral e ser entregues nas células.
Por outro lado, alguns dos outros sistemas que a equipe encontrou contêm RNAs-guia muito longos, potencialmente permitindo-lhes atingir sequências genéticas específicas com uma precisãosemprecedentes.
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Referencias
[1] Altae-Tran, H. et al. Science 382, eadi1910 (2023).
Estudos encontram uma rede densamente conectada de neurônios que se comunicam por longas distâncias, em vez de através de sinapses.
O verme Caenorhabditis elegans tem 302 neurônios (verdes) que os pesquisadores podem estudar usando ferramentas como marcadores fluorescentes.Crédito: Heiti Paves/Science Photo Library
A ideia de que o sistema nervoso transmitemensagens de uma célula nervosa para outra apenas através de sinapses – os pontos onde as células se ligam de ponta a ponta – está mudando. Dois estudos mostram como as mensagens podem passar entre células a distâncias maiores, através de uma rede nervosa “sem fios” no verme Caenorhabditis elegans.
Os investigadores não tinham apreciado a extensão desta comunicação sem fios, que acontece quando uma molécula chamada neuropéptido é liberada por um neurônio e interceptada por outro a alguma distância. Os novos estudos, publicados na Nature[1 ]e na Neuron[2], mapeiam pela primeira vez toda a rede de comunicação neuropeptídica num organismo modelo.
“Sabíamos que estas ligações químicas existiam, mas este é provavelmente o estudo mais abrangente num sistema nervoso completo”, diz Gáspár Jékely, neurocientista da Universidade de Heidelberg, na Alemanha, que não esteve envolvido no trabalho. E o que a investigação mostra, acrescenta, é que “nem tudo se resume às sinapses”.
▪️ Criadores de mapas
Os investigadores já tinham elaborado mapas de ligações anatómicas – conectomas – mostrando como todos os neurónios da mosca da fruta (Drosophila melanogaster) e do C elegans estão ligados pelas suas sinapses.
No entanto, William Schafer, neurocientista do Laboratório de Biologia Molecular MRC em Cambridge, Reino Unido, questionou-se sobre o papel dos neuropeptídeos, que eram considerados apenas auxiliares nas mensagens do sistema nervoso.
“Quando comecei a falar sobre isso”, diz ele, “algumas pessoas se perguntaram: ‘será tudo apenas uma espécie de sopa‘”, onde os neuropeptídeos flutuam aleatoriamente de um neurônio para o outro, “ou você pode realmente pensar nisso como umarede?”
Ele e seus colegas analisaram quais neurônios do sistema nervoso C elegans expressavam genes para certos neuropeptídeos e quais expressavam genes para os receptores desses neuropeptídeos. Usando esses dados, a equipe previu quais pares de células nervosas poderiam estar secomunicandosem fio. Com base nesses resultados, os pesquisadores geraram um mapa potencial de conexões sem fio no verme, encontrando uma conectividade densa que parece muito diferente do diagrama de fiação anatômico do C elegans.
Eles publicaram suas descobertas na Neuron[2] na semana passada.
De forma independente, uma equipe liderada por Andrew Leifer, neurocientista da Universidade de Princeton, em Nova Jersey, estudou como os sinais viajam através do C elegans medindo a atividade neuronal, o que revelou a contribuição desta rede sem fio.
A equipe recorreu à optogenética, uma técnica que usa luz e proteínas sensíveis à luz para acionar as células nervosas para que enviem “mensagens” elétricas. Um por um, os pesquisadores ativaram cada um dos 302 neurônios do C elegans e então visualizaram como os sinais se propagavam de um neurônio para o outro.
Os pesquisadores usaram a optogenética para estimular cada um dos neurônios de C. elegans (mostrados aqui na mira) e depois observaram como o sinal elétrico se propaga para outras células nervosas (cintilação vermelha). Crédito: Francesco Randi, Universidade de Princeton
O mapa de atividade que criaram não seguiu o que teriam previsto para C elegans com base apenas no seu conectoma padrão – e eles suspeitaram que a comunicação neuropeptídica era a peça que faltava. Então eles produziram um verme geneticamente modificado que carecia de uma proteína crucial para esse tipo de sinalização, e viram que quando tentaram ativar as células do verme com optogenética, muitos deles permaneceram em silêncio.
Isto sugere que a comunicação semfio no verme ativa diretamente os neurônios.
Quando os pesquisadores desenvolveram um modelo para descrever a atividade neuronal em C elegans, eles descobriram que aquele que incorporava conexões sinápticas com fio e sinalizaçãosem fio previa melhor como os sinais viajavam no verme do que apenas as conexões sinápticas.
A equipe publicou seus resultados na revista Nature[1] no início deste mês e os apresentou na reunião da Sociedade de Neurociências em Washington DC, em 14 de novembro.
▪️ Uma visão totalmente nova
“Foi surpreendente ver o quanto a comunicação [dos neuropeptídeos] pode realmente levar à ativação direta dos neurônios”, diz Francesco Randi, primeiro autor do artigo da Nature, que realizou o trabalho enquanto estava em Princeton.
“A rede neuropeptídica foi considerada um auxiliar da sinalização sináptica”, diz Isabel Beets, neurocientista da Universidade Católica de Leuven, na Bélgica, e autora do estudo da Neuron.
“Mas a extensa escala deste mapa de sinalização mostra realmente que é igualmente importante, complexo e talvez ainda mais diversificado do que a rede de sinalização sináptica.”
Drogas como o popular tratamento para perda de peso semaglutida (Wegovy) podem ativar receptores de neuropeptídeos no corpo, portanto, compreender essa rede sem fio é importante, diz Schafer.
Os próximos passos para Schafer e os seus colegas serão realizar estudos semelhantes noutros organismos – com o objetivo de compreender como a rede neuropeptídica, em combinação com a rede sináptica “ligada”, contribui para o comportamento de um organismo.
Uma técnica publicada na Science[3] na semana passada que permite aos investigadores visualizar onde os neuropeptídeos se ligam aos seus receptores pode ajudar nesta busca.
Como os neuropeptídeos são conservados entre as espécies, alguns investigadores suspeitam que esta rede possa ser semelhante à de outros organismos, incluindo os humanos.
“Os dois artigos são belos exemplos de como aproveitar as vantagens de um organismo simples e bem estudado, com muitas ferramentas moleculares e genéticas, para começar a aprender lições que tenho 100% de certeza de que serão aplicadas a todos os animais”, diz Stephen Smith, neurocientista do Allen Institute em Seattle, Washington.
Os pesquisadores esperam que as descobertas estimulem outros a pensar de forma diferente sobre como surge a dinâmica neural.
“Acho que temos que nos afastar da visão do sistema nervoso apenas por sinapses”, diz Jékely. “Isso simplesmente não vai funcionar.”
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Referências
[1] Randi, F., Sharma, A. K., Dvali, S. & Leifer, A. M. Nature 623, 406–414 (2023).
Estudo sugere que a dobragem 3D do genoma é fundamental para a CAPACIDADE das células de ARMAZENAR e TRANSMITIR ‘MEMÓRIAS‘ de quais genes elas DEVEM expressar
Cada célula do corpo humano contém as mesmas INSTRUÇÕES genéticas, CODIFICADAS no seu DNA. No entanto, de cerca de 30.000 genes, cada célula expressa apenas os genes NECESSÁRIOS PARA se tornar uma célula nervosa, uma célula imunológica ou qualquer uma das outras centenas de tipos de células do corpo.
O DESTINO de cada célula é em grande parte determinado por modificações químicas nas proteínas que DECORAM o seu DNA; essas modificações, por sua vez, CONTROLAM quais genes são ATIVADOS ou DESATIVADOS.
No entanto, quando as células copiam o seu DNA para se dividirem, perdem metade destas modificações, deixando a questão: como é que as células MANTÊM a MEMÓRIA de que tipo de célula DEVERIAM ser?
Um novo estudo do MIT propõe um modelo teórico que ajuda a explicar COMO estas MEMÓRIAS são passadas de geração em geração quando as células se dividem.
A equipe de pesquisa sugere que dentro do núcleo de cada célula, o padrão de dobramento 3D do seu genoma determina quais partes do genoma serão marcadas por essas modificações químicas. Depois de uma célula COPIAR o seu DNA, as marcas são parcialmente perdidas, mas a dobragem 3D permite que cada célula filha RESTAURE facilmente as marcas químicas NECESSÁRIAS para MANTER a sua IDENTIDADE. E cada vez que uma célula se divide, marcas químicas permitem que uma célula restaure a dobragem 3D do seu genoma.
Desta forma, ao CONCILIAR a MEMÓRIA entre a dobragem 3D e as marcas, a MEMÓRIA pode ser PRESERVADA ao longo de centenas de divisões celulares.
“Um aspecto fundamental de como os tipos de células diferem é que diferentes genes SÃOATIVADOS ou DESATIVADOS. É MUITO DIFÍCILTRANSFORMAR um TIPO de célula em OUTRO porque esses estados estão MUITO COMPROMETIDOS“, diz Jeremy Owen PhD ’22, principal autor do estudo. “O que fizemos neste trabalho foi desenvolver um modelo simples que destaca características qualitativas dos SISTEMAS químicos dentro das células e COMO eles PRECISAM FUNCIONAR para tornar ESTÁVEIS as MEMÓRIAS de EXPRESSÃO genética.”
Leonid Mirny, professor do Instituto de Engenharia Médica e Ciência do MIT e do Departamento de Física, é o autor sênior do artigo, que aparece hoje na Science.
O ex-pós-doutorado do MIT Dino Osmanovi também é autor do estudo.
▪️ Mantendo a memória
Dentro do núcleo da célula, o DNA está enrolado em proteínas chamadas histonas, formando uma estrutura densamente compactada conhecida como cromatina.
As histonas podem apresentar uma variedade de modificações que ajudam a CONTROLAR QUAIS genes são EXPRESSOS em uma DETERMINADA célula. Essas modificações geram “MEMÓRIA epigenética”, que AJUDA a célula a MANTER seu TIPO celular.
No entanto, COMO essa MEMÓRIA é TRANSMITIDA às células-filhas é um MISTÉRIO.
Trabalhos anteriores do laboratório de Mirny mostraram que a estrutura 3D dos cromossomos dobrados é parcialmente determinada por essas modificações epigenéticas, ou marcas. Em particular, eles descobriram que certas regiões da cromatina, com marcas que DIZEMÀS CÉLULAS PARANÃO LEREM um determinado segmento de DNA, atraem-se umas às outras e formam aglomerados densos chamados heterocromatina, que são de DIFÍCIL ACESSO para a célula.
No seu novo estudo, Mirny e os seus colegas queriam responder à questão de como essas marcas epigenéticas são mantidas de geração em geração.
Eles desenvolveram um modelo computacional de um polímero com algumas regiões marcadas e viram que essas regiões marcadas colapsavam umas nas outras, formando um aglomerado denso. Depois estudaram como essas marcas são perdidas e ganhas.
Quando uma célula copia seu DNA para dividi-lo entre duas células-filhas, cada cópia recebe cerca de metade das marcas epigenéticas. A célula PRECISA então RESTAURAR as marcas PERDIDAS ANTES que o DNA seja passado para as células filhas, e a forma como os cromossomos foram dobrados serve como um modelo para onde essas marcas restantes DEVEM ir.
Essas modificações são adicionadas por enzimas ESPECIALIZADAS conhecidas como enzimas “LEITOR-ESCRITOR”. Cada uma dessas enzimas é específica para uma determinada marca e, uma vez que “LÊEM” as marcas existentes, elas “ESCREVEM” marcas adicionais em locais próximos. Se a cromatina já estiver dobrada em formato 3D, as marcas se acumularão em regiões que já tiveram modificações herdadas da célula-mãe.
“Existem várias linhas de evidência que sugerem que a propagação pode acontecer em 3D, ou seja, se houver duas partes próximas uma da outra no espaço, mesmo que não sejam adjacentes ao longo do DNA, então a propagação pode acontecer de uma para outra”, diz Owen. “É assim que a estrutura 3D pode influenciar a propagação dessas marcas”.
Este processo é análogo à propagação de doenças infecciosas, pois quanto mais contatos uma região da cromatina tiver com outras regiões, maior será a probabilidade de ela ser modificada, assim como um indivíduo suscetível a uma determinada doença terá maior probabilidade de ser infectado à medida que o número de contatos aumenta. Nesta analogia, regiões densas de heterocromatina são como cidades onde as pessoas têm muitas interacções sociais, enquanto o resto do genoma é comparável a áreas rurais escassamente povoadas.
“Isso significa essencialmente que as marcas estarão por toda parte na região densa e serão muito esparsas em qualquer lugar fora dela”, diz Mirny.
O novo modelo sugere possíveis paralelos entre memórias epigenéticas armazenadas num polímero dobrado e memórias armazenadas numa rede neural, acrescenta. Os padrões de marcas podem ser considerados análogos aos padrões de conexões formadas entre neurônios que disparam juntos em uma rede neural.
“Em termos gerais, isto sugere que, semelhante à forma como as redes neurais são capazes de PROCESSARINFORMAÇÕES MUITO COMPLEXAS, o MECANISMO de MEMÓRIA epigenética que descrevemos pode ser capaz de PROCESSAR INFORMAÇÕES, e não apenas ARMAZENÁ-LAS”, diz ele.
▪️ Erosão epigenética
Embora este modelo parecesse oferecer uma boa explicação sobre como a memória epigenética pode ser mantida, os investigadores descobriram que, eventualmente, a ATIVIDADE da enzima LEITOR-ESCRITOR levaria a que todo o genoma fosse coberto por modificações epigenéticas. Quando alteraram o modelo para tornar a enzima mais fraca, ela não cobriu o suficiente do genoma e as memórias foram perdidas em algumas gerações de células.
Para que o modelo considere com maior precisão a preservação das marcas epigenéticas, os investigadores ACRESCENTARAMOUTRO ELEMENTO: LIMITAR a QUANTIDADE de enzima LEITOR-ESCRITOR disponível.
Eles descobriram que se a quantidade de enzima fosse mantida entre 0,1 e 1% do número de histonas (uma porcentagem baseada em estimativas da abundância real dessas enzimas), suas células modelo PODERIAMMANTER COM PRECISÃO sua MEMÓRIA epigenética por até centenas de gerações, dependendo da complexidade do padrão epigenético.
Já se sabe que as células começam a PERDER a sua MEMÓRIA epigenética à medida que ENVELHECEM, e os investigadores planeiam agora estudar se o processo descrito neste artigo pode desempenhar um papel na erosão epigenética e na perda da identidade celular. Eles também planejam modelar uma doença chamada progéria, na qual as células apresentam uma MUTAÇÃOGENÉTICA que LEVA à PERDA de heterocromatina. Pessoas com esta DOENÇA apresentam envelhecimento acelerado.
“A ligação mecanicista entre estas MUTAÇÕES e as mudanças epigenéticas que eventualmente acontecem não é bem compreendida”, diz Owen.
“Seria ótimo usar um modelo como o nosso, onde existem marcas dinâmicas, juntamente com a dinâmica do polímero, para tentar explicar isso”.
Os investigadores também esperam trabalhar com colaboradores para testar experimentalmente algumas das previsões do seu modelo, o que poderia ser feito alterando o nível das enzimas LEITOR-ESCRITOR NASCÉLULAS VIVAS e medindo o EFEITO na MEMÓRIA epigenética.
A pesquisa foi financiada pelo Instituto Nacional de Pesquisa do Genoma Humano, pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais e pela Fundação Nacional de Ciência.
[Ênfase adicionada]
Referência do periódico: Jeremy A. Owen, Dino Osmanović, Leonid Mirny. Design principles of 3D epigenetic memory systems. Science, 2023; 382 (6672) DOI: 10.1126/science.adg3053
Neuromodulação no cérebro. (A) Quatro tipos de neuromoduladores e suas vias biológicas. (B) Neuromodulação não linear. (C) A neuromodulação diversifica a plasticidade local. Crédito: CASIA
O esquecimento catastrófico, um problema inato com algoritmos de aprendizado de retropropagação, é um problema desafiador na pesquisa de redes neurais artificiais com pico (ANN e SNN).
O cérebroRESOLVEU um pouco esse problema usando plasticidade em várias escalas. Sob REGULAMENTAÇÃOglobal por caminhos específicos, os neuromoduladores são dispersos para atingirregiões do cérebro, onde a plasticidade sináptica e neuronal é modulada por neuromoduladores localmente.
Especificamente, os neuromoduladores modificam a capacidade e a propriedade neural eplasticidade sináptica. Essa modificação é conhecida como METAPLASTICIDADE.
Pesquisadores liderados pelo Prof. Xu Bo, do Instituto de Automação da Academia Chinesa de Ciências, e seus colaboradores propuseram um novo método de aprendizadoINSPIRADO no cérebro (NACA), BASEADO na plasticidade dependente da modulação neural, o que pode ajudar a mitigar o esquecimentoCATASTRÓFICO no ANN e no SNN. O estudo foi publicado na Science Advancesem 25 de agosto.
Esse método é BASEADO na estrutura da complexa via de modulação neural no cérebro e depende de um MODELO MATEMÁTICO da via de modulação neural na forma de uma previsível CODIFICAÇÃOdematriz. Após receber o sinal de estímulo, são geradossinais de SUPERVISÃO da dopamina de diferentes forças, que afetam ainda mais a plasticidade sináptica e neuronal local.
NACA na tarefa de aprendizagem contínua em classe. Neuromodulação (A, B) em plasticidade neuronal local e plasticidade sináptica. (C-G) Desempenho do NACA em comparação com EWC e BP. Crédito: CASIA
O NACA apóia o uso de métodos puros de aprendizado de fluxo feed forward para treinar ANNAs e SNNs. Através do suporte global à difusão de dopamina, ele SINCRONIZA com osinal de entradae até propaga INFORMAÇÕESavançadas antes do sinal de entrada. Juntamente com o AJUSTE SELETIVO da plasticidade dependente do tempo de pico, a NACA apresenta vantagenssignificativas na rápida convergência e mitigação do esquecimento catastrófico.
Em duas tarefas típicas de reconhecimento de padrões de imagem e fala, a equipe de pesquisa avaliou a precisão e o custocomputacional do algoritmo NACA.
Em testes usando os conjuntos de dados padrão de classificação de imagem (MNIST) ereconhecimento de fala(TIDigits), NACA alcançouMAIOR PRECISÃO de classificação (aproximadamente 1,92%) e MENORCONSUMO de energia de APRENDIZAGEM (aproximadamente98%).
Além disso, a equipe de pesquisa se concentrou em testar a capacidade de aprendizadocontínuo da NACA no aprendizado contínuo de classe e estendeu a modulação neural à gama de plasticidade neuronal.
Nas cinco principais tarefas de aprendizado contínuo de diferentes categorias (incluindo números manuscritos contínuos do MNIST, letras manuscritas em alfabeto contínuo, símbolos matemáticos manuscritos contínuos MathGreek, imagens naturais contínuas do Cifar-10, e gestos dinâmicos DvsGesture contínuos), NACA mostrou menorconsumo de energiacomparado aos algoritmos de retropropagação e consolidação de peso elástico e pode mitigar bastante os problemas de esquecimentocatastróficos.
“A NACA é um algoritmo de otimização global biologicamenteplausível que usa plasticidade macroscópica para ‘modular’ ainda mais a plasticidade local, que pode ser vista como uma ‘plasticidade da plasticidade’ método com consistência funcional intuitiva com ‘aprender a aprender‘ e ‘meta-aprendizado‘ “, disse o professor Xu.
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[Ênfase adicionada por este blog]
Mais informações:Tielin Zhang et al, A brain-inspired algorithm that mitigates catastrophic forgetting of artificial and spiking neural networks with low computational cost,Science Advances(2023).DOI: 10.1126/sciadv.adi2947
Bactérias magnetotáticas ligam urânio em sua parede celular (à direita).Isso pode ser usado para purificar a água contaminada com urânio, separando as bactérias carregadas com um ímã (à esquerda).Crédito: B. Schröder/HZDR
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Uma equipe de pesquisa no Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) conseguiu purificar a água contendo urânio usando um tipo especial de bactéria conhecida como bactéria magnetotática.O nome deriva de sua capacidade de reagir a campos magnéticos.Elas podem acumular metais pesados dissolvidos em suas paredes celulares.Essas descobertas da pesquisa também lançaram uma nova luz sobre a interação entre urânio e bioligantes.
“Nossos experimentos são voltados para aplicações industriais potenciais no campo da remediação microbiológica da água, especialmente quando ela está contaminada com metais pesados do tipo que você encontra na água de drenagem de minas nas antigas minas de urânio“, explica a Dra. Evelyn Krawczyk-Bärsch, da Instituto de Ecologia de Recursos do HZDR.
“Para este PROJETO, buscamos a ajuda de um grupo muito especial de seres vivos: asbactérias magnetotáticas“, acrescenta seu colega, Dr. Johannes Raff, e continua: “Devido à sua estrutura, eles estão positivamente PREDESTINADOS para tal tarefa.”
Por apresentarem uma característica que as diferencia de outras bactérias, as bactérias magnetotáticas formam cristais magnéticos nanoscópicos dentro da célula.Eles são organizados como uma fileira de eles e tãoPERFEITAMENTEformados que os humanos atualmente seriam incapazes de reproduzi-lossinteticamente.Cada cristal magnético individual é incorporado em uma membrana protetora.
Juntos, os cristais e a membrana formam o chamado magnetossomo, que as bactérias usampara se alinhar com ocampo magnéticoda Terra e seorientar em seu habitat.Também os torna adequados para processos de separação simples.
Bactérias magnetotáticas podem ser encontradas em quase todos os ambientes aquosos, desdeágua doceaté água salgada, incluindo ambientes com muito poucos nutrientes.
O microbiologista Dr. Christopher Lefèvre até os descobriu nas fontes termais de Nevada.Foi dele e de seu colega, Dr. Damien Faivre, da Comissão Francesa de Energias Alternativas e Energia Atômica (CEA), que os cientistas de Rossendorf adquiriram sua cepa de bactéria, sem mencionar os conselhos de especialistas sobre a melhor forma de preservá-las – porque, apesar de serem bastante comuns, cultivá-las requer algum conhecimentoespecializado.
▪️ Coletores de metais pesados estáveis em um ambiente hostil
Bactérias magnetotáticas podem sobreviver em valores de pH neutros, mesmo emsoluções aquosascontendo altas concentrações de urânio.Em uma ampla faixa de pH, elas se ligam ao urânio quase exclusivamente em suas paredes celulares – uma excelente base para lidar com as condições encontradas na água associada à mineração.Nenhum urânio penetra no interior da célula no processo, nem é limitado pelo magnetossomo.
Já se sabia que diferentes tipos de bactérias podem ligar metais pesados em suas paredes celulares, apesar de serem potencialmente estruturados de maneira bastantediferente.
No caso das bactérias magnetotáticas, as paredes celulares são formadas por uma camada de peptidoglicano, macromolécula composta por açúcares e aminoácidos que é o principal componente da parede celular de muitas bactérias, com apenas quatro nanômetros de espessura.
As paredes celulares das bactérias magnetotáticas são cercadas por uma membrana externa composta de açúcares e componentes semelhantes a gorduras: potenciais locais de ancoragem para o urânio.
“Nossos resultados mostram que nas bactérias magnetotáticas o peptidoglicano desempenha o papelprincipal na absorção de urânio.
Esse conhecimento é novo e inesperado nesse tipo de bactéria“, diz Krawczyk-Bärsch.A equipe ainda conseguiu identificar três espécies específicas de peptidoglicano de urânio e confirmar suas descobertas com amostras de referência.
Esses novos insights só foram possíveis graças a uma combinação de microscopia e várias técnicas espectroscópicas, uma combinação que raramente é encontrada em qualquer outro lugar do mundo.
“Ao cooperar com o Institute of Ion Beam Physics and Materials Research em HZDR, por exemplo, pudemos usar o microscópio eletrônico.
A proximidade de nossos institutos no local e a experiência de nossos colegas são uma grande vantagem para nosso trabalho“, Raff diz.
▪️ Significado para a purificação de água contaminada
Graças às suas propriedades magnéticas, as bactérias magnetotáticas podem ser facilmente separadas da água usando ímãs.
“É concebível que isso possa ser feito em grande escala, realizando o tratamento diretamente na água de superfície ou bombeando água deminas subterrânease direcionando-a para estações piloto de tratamento“, explica Krawczyk-Bärsch.
O uso de bactérias magnetotáticas pode ser uma alternativa eficaz aos caros tratamentos químicos convencionais – porque as bactérias magnetotáticas são pouco exigentes em termos de manutenção;a implementação de outras soluções baseadas em biomassa, por outro lado, falha regularmente devido aos custos envolvidos no aumento das necessidades de nutrientes e energia.
E outro detalhe despertou o interesse dos pesquisadores por essas bactérias: suasproteínas podem estabilizar o ferro bivalente e trivalente para que a magnetita armazenada nos magnetossomos possa ser sintetizada.“Então, estamos realmente nos perguntando como esses microorganismos interagem com radionuclídeos em vários estados de oxidação. Em particular, estamos pensando no plutônio“, explica Raff.
Isso ocorre porque, ao contrário do urânio, é concebível que sua semelhança química com o ferro signifique que ele use outras rotas para entrar na célula.Como isso influencia o comportamento de migração do plutônio na natureza e também pode ser uma maneira de remover o plutônio das águas residuais?Assim, o tópico também é relevante para a pesquisa de repositórios: quaisquer resultados podem ser incorporados à avaliação de segurança.
As descobertas foram publicadas noJournal of Hazardous Materials.
Mais informações:Evelyn Krawczyk-Bärsch et al, Peptidoglycan as major binding motif for Uranium bioassociation on Magnetospirillum magneticum AMB-1 in contaminated waters, Journal of Hazardous Materials (2022). DOI: 10.1016/j.jhazmat.2022.129376
No episódio 6 da série de vídeos de Michael Behe, Secrets of the Cell, o animador retratou pequenos operários humanos, robôs e máquinas trabalhando dentro de uma célula bacteriana magnetotática.
Os personagens dos desenhos animados são vistos gerenciando a produção de energia, carregando docas com empilhadeiras em miniatura, codificando software, empacotando os magnetossomos contendo ferro para entrega em correias transportadoras e fazendo todos os tipos de coisas com as quais podemos nos relacionar em nível humano.Células reais, embora operem com muitos dos mesmos requisitos funcionais, são moles.
Elas não se parecem com a animação.Como podemos visualizar as entranhas de uma célula de uma forma que relacione a aparência real com as operações de fábrica que acontecem?
Capturar todas as partes internas de uma célula em suas relações complexas deu muito trabalho, mas alguns pesquisadores estabeleceram um novo patamar para imagens biofísicas.O Allen Instituteem Seattle divulgounotíciasem 1º de abril que descrevem seu trabalho visualizando o “espaço da forma” de uma célula típica.O cientista sênior Matheus Viana explica o pensamento:
“Sabemos que em biologia, forma e função estão inter-relacionadas, e entender a forma da célula é importante para entender como as células funcionam”, disse Viana.
“Criamos uma estrutura que nos permite medir a forma de uma célula e, no momento em que você faz isso, pode encontrar células com formas semelhantes e, para essas células, pode olhar para dentro e ver como tudo está organizado.”[Enfase adicionada.]
▪️ O Espaço da Forma é o Espaço da Função
A primeira tarefa do projeto foi fixar a forma exterior.Identificar a forma de células-tronco geneticamente modificadas saudáveis não foi fácil, porque elas são moles.Não há dois idênticos, mesmo quando cultivados nas mesmas condições.
As células-tronco no meio da amostra de tecido epitelial têm formas diferentes daquelas nas bordas.
Para complicar ainda mais a tarefa está o fato de que nem todas as células semelhantes executam as mesmas funções ao mesmo tempo.
Algumas podem estar em mitose quando observadas;isso afeta profundamente a forma da célula.
Os pesquisadores descobriram que a maioria de suas 215.081 células eram em forma de feijão ou pêra em vários graus.Medindo a “bean-ness” e “pera-ness” de milhares de células de acordo com 8 critérios de forma, eles chegaram a uma forma média.
Isso permitiu que eles estudassem as localizações de 25 organelas e outras partes internas que eles seguiram usando marcadores fluorescentes.
O resultado é a célula modelo rotativa mostrada no comunicado de imprensa.Tem uma semelhança distante com a fábrica compartimentada de Behe.
Observe suas próprias palavras revelando semelhanças:
Quando eles olharam para a posição das 25 estruturas destacadas, comparando essas estruturas em grupos de células com formas semelhantes, eles descobriram que todas as células se organizavam de maneiras notavelmente semelhantes.
Apesar das enormes variações na forma das células, sua organização interna era surpreendentemente consistente.
Se você está olhando como milhares de trabalhadores de colarinho branco organizam seus móveis em um prédio de escritóriosalto, é como se cada trabalhador colocasse sua mesa bem no meio de seu escritório e seu arquivo precisamente no canto esquerdo, não importa o tamanho ou a forma do escritório.
Pode-se aplicar essa descrição à imagem da fábrica de células Behe.
O centro de controle, centro de importação e centro de entrega tendem a seguir uma organização interna previsível.
▪️ Visualizando Alterações Funcionais Durante a Mitose
O primeiro conjunto de dados da equipe do Allen Institute compreendia uma “grande população de linha de base de células em interfase”.Em seguida, eles estudaram as formas das células nas bordas externas dos tecidos epiteliais.Ambos os conjuntos de dados envolviam imagens estáticas.As coisas ficaram realmente interessantes quando eles adicionaram a 4ªdimensão: o tempo.
Sua maior conquista foi um modelo 3D incorporando observações de células em divisão – mapeando todas as 25 organelas e estruturas – durante cinco estágios da mitose.O resultado é uma “célula-tronco mitótica interativa” colorida e interativa que os biólogos acharão profundamente interessante para explorar emIMSC.AllenCell.org.
Eu recomendo fortemente que os leitores passem um pouco de tempo no site.Isso me lembra um projeto descrito no filme Metamorfose, da Illustra, em que o biólogo Richard Stringer fez uma série temporal de imagens de ressonância magnética de uma crisálida de borboleta, cortou-as em centenas de quadros e construiu um modelo 3D do que acontece durante a transformação de crisálida em borboleta.A Illustra codificou as estruturas com cores para que os espectadores pudessem assistir de qualquer ângulo enquanto as asas tomavam forma, o sistema digestivo era dramaticamente reorganizado e todos os novos órgãos para o adulto eram construídos.
Da mesma forma, na ferramenta de visualização Allen Cell, os espectadores podem observar o que acontece com cada organela durante a mitose.Esta é uma experiência muito mais rica do que a que os alunos têm na biologia do ensino médio, onde o foco geralmente está nos cromossomos.Agora, pode-se ver o que acontece com as mitocôndrias, o aparelho de Golgi, o nucléolo, o envelope nuclear, os lisossomos, as junções comunicantes, os filamentos de actina e tudo mais durante os cinco estágios mitóticos.Os espectadores podem girar e ampliar a célula, ligar e desligar as 25 organelas, reproduzir uma animação de rotação e observar as partes em diferentes graus de detalhe.
A equipe notou que algumas organelas permanecem relativamente estáveis durante a mitose, migrando para os nós apicais (lifonodos auxiliares), enquanto outras, como o envelope nuclear e o Golgi, sofrem mudanças dramáticas, essencialmente desintegrando-se e reorganizando-se em novas estruturas, como músicos de bandas marciais em uma formação “dispersa”.Os professores de biologia vão adorar esta ferramenta de visualização.
Para os defensores do DI, abre novas oportunidades para hipóteses baseadas em design: por exemplo, o que orquestra a sequência particular de mudanças de cada organela de uma célula para duas células e o que controla suas relações espaciais com outras organelas?
A equipe de Allen vê sua ferramenta de “espaço de forma” como um complemento para estudos baseados em proteínas.
Outras abordagens sistemáticas baseadas em imagens catalogaram a localização de proteínas humanas em vários tipos de células e usaram as localizações de proteínase estruturas dentro das células para identificar diferenças nos padrões espaciais intracelulares entre as células em estados distintos. Nosso trabalho complementa essas abordagenscom foco na análise da organização celular 3D no nível intermediário das estruturas celulares (em vez de proteínas individuais)e na geração de medições quantitativas de aspectos distintos da organização, o que permite comparações estatísticas e fornece uma visão mais sutil, definição sistemática da organização e reorganização celular.
Juntos, esses estudos trazem uma dimensão faltante crucial – isto é, o componente espaço-temporal – para a revolução unicelular.
O conjunto de dados de imagem completo e os algoritmos de análise apresentados aqui, bem como todos os reagentes, métodos e ferramentas necessários para gerá-los, são compartilhados de forma facilmente acessível (https://www.allencell.org/).
Esses dados estão disponíveis a todos para análises biológicas posteriores e como referência para o desenvolvimento de ferramentas e abordagens voltadas para uma compreensão holística do comportamento celular.
Tendo um modelo de uma célula saudável normal digitalizada em um computador, os profissionais médicos poderão identificar estados anormais mais cedo.
Assista ao vídeo livre de Darwin “Como você mede uma célula humana?”para testemunhar a emoção que sentiram quando sua célula modelo foi montada após sete anos de trabalho.E este é apenas o começo.O novo modelo era todo para um tipo de célula, mas um corpo humano tem muitos tipos diferentes de células atuando em múltiplas situações, sujeitas a diferentes patologias.
“Este estudo reúne tudo o que temos feito no Allen Institute for Cell Science desde que o instituto foi lançado”, disse Ru Gunawardane, Ph.D., diretor executivo do Allen Institute for Cell Science.“Construímos tudo isso do zero, incluindo as métricas para medir e comparar diferentes aspectos de como as células são organizadas.
O que me deixa realmente empolgado é como nós e outras pessoas da comunidade podemos agora desenvolver isso e fazer perguntas sobre biologia celular que nunca poderíamos fazer antes.”
A grande equipe de Viana publicou seus resultados em acesso aberto naNatureem 4 de janeiro.
As únicas coisas que “evoluíram” no artigo foram as próprias técnicas inteligentemente projetadas pelos cientistas para geração de imagens e realização de experimentos.Todo o resto estava em “linguagem de máquina”—
Compreender como um subconjunto de genes expressos dita o fenótipo celular é um desafio consideráveldevido ao grande número de moléculas envolvidas, sua combinatóriae a infinidade de comportamentos celularesque determinam.
Aqui, reduzimos essa complexidade focando na organização celular— uma leitura chave e condutora do comportamento celular — no nível das principais estruturas celulares que representam organelas distintas e máquinas funcionais, e geramos o WTC-11 hiPSC Single-Cell Image Dataset v1, que contém mais de 200.000 células vivas em 3D, abrangendo 25 estruturas celulares importantes.
O esforço pioneiro da equipe de Allen para digitalizar uma célula-tronco normal 3D em mitose pode agora ser expandido por outras equipes que desejam investigar outros tipos de células – neurônios, células musculares, eritrócitos, células ósseas – em qualquer outro organismo, de micróbios a mamíferos.
Lembro-me de fotos de vários mamíferos embrionários no útero: uma girafa tomando forma, um elefante, um camundongo.Uma vez que a sequência básica da gestação foi visualizada para o ser humano, tornou-se fascinante procurar semelhanças e diferenças em outros mamíferos.Da mesma forma, o projeto de Allen visualizando uma “célula-tronco modelo” começa o que certamente levará a modelos adicionais para outros tipos de células.
Se, como os defensores do DI sabem por experiência, a complexidade especificada na biologia cresce em função do detalhe, o futuro parece promissor para a apologética do design.Leeuwenhoek teria ficado surpreso.
▪️ Anedota
Há notícias sobre bactérias magnetotáticas que o Dr. Behe discutiu em seu vídeo.
A Associação Helmholtz para Centros de Pesquisa Alemães relata (via Phys.org) que esses micróbios podem remover metais pesados, incluindo urânio, de águas residuais.“Devido à sua estrutura, eles estão positivamente predestinados para tal tarefa”, diz o artigo, observando que eles podem ser facilmente separados da água por meio de ímãs.citações notáveis:
Por apresentarem uma característica que as diferencia de outras bactérias, as bactérias magnetotáticas formam cristais magnéticos nanoscópicos dentro da célula.Eles são arranjados como uma fileira de contas e tão perfeitamente formados que os humanos atualmente seriam incapazes de reproduzi-los sinteticamente. Cada cristal magnético individual é incorporado em uma membrana protetora.
Juntos, os cristais e a membrana formam o chamado magnetossomo, que as bactérias usam para se alinhar com o campo magnético da Terra e se orientar em seu habitat.Também os torna adequados para processos de separação simples.
Bactérias magnetotáticas podem ser encontradas em quase todos os ambientes aquosos, desde água doce até água salgada, incluindo ambientes com muito poucos nutrientes.O microbiologista Dr. Christopher Lefèvre até as descobriu nas fontes termais de Nevada.
A hidrogenase de níquel-ferro, descrita pelos pesquisadores como “uma das enzimas mais complicadas e belas da natureza”, pode ser crucial no impulso mundial em direção a uma economia de energia renovável. Crédito: Mirica group, University of Illinois at Urbana-Champaign
Uma antiga enzima biológica conhecida como hidrogenase de níquel-ferro pode desempenhar um papel fundamental na produção de hidrogênio para uma economia de energia baseada em fontes renováveis, descobriram pesquisadores.O estudo cuidadoso da enzima levou os químicos da Universidade de Illinois Urbana-Champaign a projetar uma molécula sintética que imita a reação química de produção de gás hidrogênio realizada pela enzima.
Os pesquisadores relataram suas descobertas na revistaNature Communications.
Atualmente, o hidrogênio industrialé geralmente produzido pela separação de moléculas de gás hidrogênio deátomos de oxigêniona água usando um processo chamado eletrólise.
Para impulsionar essa reação química no ambiente industrial, a platina metálica é usada como catalisador nos cátodos que direcionam a reação.
No entanto, muitos estudos mostraram que o custo e a raridade da platina a tornam pouco atraente à medida que o mundo avança em direção a fontes de energia mais ecologicamente corretas.
Por outro lado, aenzimahidrogenase de níquel-ferro da natureza produz hidrogênio usando metais abundantes em seu núcleo, disse o professor de química Liviu Mirica, que liderou o estudo com o estudante de pós-graduação Sagnik Chakrabarti.
“O níquel no núcleo da enzima natural produz hidrogênio reduzindo prótons na água”, disse Chakrabarti.“Durante o processo catalítico, o centro de níquel passa por intermediários paramagnéticos, o que significa que os intermediários têm um elétron desemparelhado – o que os torna extremamente de curta duração.”
Os químicos sintéticos fizeram compostos de níquel que produzem hidrogênio por mais de uma década, disse Mirica.Embora alguns desses compostos sejam muito eficientes na produção de hidrogênio, a grande maioria deles opera por meio de intermediários que não são paramagnéticos.
“Os pesquisadores estão tentando imitar exatamente o que a naturezafaz porque é eficiente, e maximizar a eficiência é um desafio importante a ser superado ao projetarfontesdeenergia“, disse Mirica.“Ser capaz de reproduzir as etapas intermediárias paramagnéticas que ocorrem na enzima natural é o que nosso grupo está tentando alcançar – aumentar a eficiência e imitar a natureza.”
Para conseguir isso, a equipe projetou uma molécula orgânica chamada ligante que contém átomos doadores de elétrons, como nitrogênio e enxofre, e pode manter o níquel no lugar e apoiar os dois estados paramagnéticos relevantes que produzem hidrogênio.O principal ELEMENTO DE DESIGN que diferencia essa molécula de outros catalisadores é a presença de uma ligação carbono-hidrogênio perto do centro de níquel que é quebrada e formada novamente durante a catálise.Isso foi crucial para estabilizar os estados paramagnéticos mencionados acima.
“Uma das principais conclusões do nosso trabalho é que, usando oliganteespecialmente projetado da maneira que fizemos, unimos com sucesso ideias de dois campos da química inorgânica – química bioinorgânica e organometálica – para fazer complexos deníquelque se comportam de maneirasemelhante aoativo localde uma das ENZIMASMAIS BELAS e COMPLICADAS da natureza“, disse Chakrabarti.
No passado recente, várias enzimasincomuns foram encontradas com ligações metal-carbono em seus locais ativos, disseram os pesquisadores.
Tais PRINCÍPIOS DE DESIGNem complexos sintéticos podem levar a mais informações sobre como a naturezarealizaa química com pequenas moléculas como o hidrogênio.
Os ex-pesquisadores de Illinois Soumalya Sinha, Giang N. Tran e Hanah Na contribuíram para este estudo.
[Ênfase adicionada]
Mais informações:Sagnik Chakrabarti et al, Characterization of paramagnetic states in an organometallic nickel hydrogen evolution electrocatalyst,Nature Communications(2023).DOI: 10.1038/s41467-023-36609-7
Novo estudo na Nature Aging descreve uma nova estrutura anatômica no cérebro chamada SLYM, uma abreviação de Subarachnoidal LYmphatic-like Membrane, que atua como uma barreira e uma plataforma a partir da qual as células imunológicas podem monitorar o cérebro. Crédito: Universidade de Copenhague
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Da complexidade das redes neurais às funções e estruturas biológicas básicas, o cérebro humano apenas relutantemente revela seus segredos.Avanços em neuro-imagem e biologia molecular só recentemente permitiram que os cientistas estudassem o cérebro vivo em um nível de detalhe não alcançável anteriormente, desvendando muitos de seus mistérios.
A descoberta mais recente, descrita hoje na revistaScience, é um componente anteriormente desconhecido da anatomia do cérebro que atua tanto como uma barreira protetora quanto como uma plataforma a partir da qual as células imunológicasMONITORAM o cérebro EM BUSCA de infecções e inflamações.
O novo estudo vem dos laboratórios de Maiken Nedergaard, co-director do Centro de Neuromedicina Translacional da Universidade de Rochester e da Universidade de Copenhague e o MD, professor de neuroanatomia da Universidade de Copenhague Kjeld Møllgård.
Nedergaard e seus colegas transformaram nossa compreensão da mecânica fundamental docérebro humanoe fizeram descobertas significativas no campo da neurociência, incluindo detalhar as muitas funções críticas decélulasanteriormente negligenciadas no cérebro chamadas glia e o processo único do cérebro de remoção de resíduos, que o laboratório chamou de sistema glinfático.
“A descoberta de uma nova estrutura anatômica que segrega e ajuda a controlar o fluxo de líquido cefalorraquidiano (LCR) dentro e ao redor do cérebro agora nos fornece uma apreciação muito maior do papel SOFISTICADO que o LCR desempenha não apenas no transporte e remoção de resíduos do cérebro, mas também no suporte de suas defesas imunológicas“, disse Nedergaard.
O estudo se concentra nas membranas que envolvem o cérebro, que criam uma barreira do resto do corpo e o mantêm banhado em LCR.
O entendimento tradicional do que é chamado coletivamente de camada meníngea, uma barreira composta por camadas individuais conhecidas como dura-máter, aracnóide e pia-matéria.
A nova camada descoberta pela equipe de pesquisa dos EUA e da Dinamarca divide ainda mais o espaço abaixo da camada aracnóide, o espaço subaracnóide, em dois compartimentos, separados pela camada recém-descrita, que os pesquisadores chamam de SLYM, uma abreviação de Subarachnoid LYmphatic-like Membrane (Membrana do tipo Linfático Subaracnoide).
Embora grande parte da pesquisa no artigo descreva a função do SLYM em camundongos, eles também relatam sua presença real no cérebro humano adulto.
O SLYM é um tipo de membrana chamada mesotélio, que é conhecida por revestir outros órgãos do corpo, incluindo os pulmões e o coração.
A mesotelia normalmente envolve e protege os órgãos e abriga ascélulas imunológicas.A ideia de que uma membrana semelhante possa existir no sistema nervoso central foi uma questão colocada pela primeira vez por Møllgård, o primeiro autor do estudo.Sua pesquisa se concentra na neurobiologia do desenvolvimento e nos sistemas de barreiras que protegem o cérebro.
A nova membrana é muito fina e delicada e consiste em apenas uma ou algumas células de espessura.
No entanto, o SLYM é uma barreira rígida e permite que apenas moléculas muito pequenas transitem;parece separar o LCR “limpo” do “sujo“.
Esta última observação indica o provável papel desempenhado pelo SLYM no sistema glinfático, que REQUER um fluxo controlado e troca de LCR, permitindo o influxo de LCR fresco enquanto libera as proteínas tóxicas associadas ao mal de Alzheimer e outrasdoenças neurológicasdo sistema nervoso central.Esta descoberta ajudará os pesquisadores a entender com mais precisão a mecânica do sistema glinfático, que foi objeto de uma recente doação de US$ 13 milhões do National Institutes of Health.
O SLYM também parece importante para as defesas do cérebro.O sistema nervoso central mantém sua própria população nativa de células imunológicas, e a integridade da membrana impede a entrada de células imunológicas externas.
Além disso, o SLYM parece hospedar sua própria população de células imunes do sistema nervoso central que usam o SLYM para vigilância na superfície do cérebro, permitindo que eles ESCANEIEM o LCR em busca de sinais de infecção.
A descoberta do SLYM abre as portas para um estudo mais aprofundado de seu papel nas doenças cerebrais.
Por exemplo, os pesquisadores observam que concentrações maiores e mais diversas de células imunes se reúnem na membrana durante a inflamação e o envelhecimento.
Quando a membrana foi rompida durante umalesão cerebral traumática, a interrupção resultante no fluxo de LCR prejudicou o sistema glinfático e permitiu que células imunes do sistema nervoso não central entrassem no cérebro.
Essas e outras observações semelhantes sugerem que doenças tão diversas como esclerose múltipla, infecções dosistema nervoso centrale mal de Alzheimer podem ser desencadeadas ou agravadas por ANORMALIDADES na FUNÇÃO SLYM.Eles também sugerem que a entrega de drogas e terapia genética aocérebropode ser afetada pela função SLYM, que precisará ser considerada à medida que novas gerações de terapias biológicas estão sendo desenvolvidas.
Co-autores adicionais incluem Felix Beinlich, Peter Kusk, Leo Miyakoshi, Christine Delle, Virginia Pla, Natalie Hauglund, Tina Esmail, Martin Rasmussen, Ryszard Gomolka e Yuki Mori com o Centro de Neuromedicina Translacional da Universidade de Copenhague.
[Ênfase adicionada]
Mais informações: Kjeld Møllgård et al, A mesothelium divides the subarachnoid space into functional compartments, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adc8810. http://www.science.org/doi/10.1126/science.adc8810
Estereoma de equinoderme como um sólido celular bicontínuo.aFotografia de um ouriço-do-marH. mamillatusvisto ventralmente .bImagem SEM da estrutura do estereoma.Imagem óptica inserida da seção transversal de uma lombada.cReconstruções µ-CT do estereoma e da estrutura de vazios correspondente (inserção).ds,dv, edtrepresentam as espessuras (diâmetros) de estereoma, estrutura de vazios e gargantas, respectivamente.d,eRede celular 3D de estéreo e a estrutura de vazios correspondente com tipos de nós coloridos por suas conectividades.f,g As distribuições de espessura do estereoma (ds) e a estrutura de vazios correspondente (dv).hRenderização em 3D de pequenas gargantas (dt < 24 μm) para volume (c).iDistribuiçãodeds,dvedt.__jDistribuição da forma interfacial do estereoma.κ1eκ2são as curvaturas principais máxima e mínima, respectivamente.kVisualização de regiões em estéreo com distribuições de curvatura mostradas em (j), onde as regiões roxas e verdes correspondem a superfícies mínimas com curvatura média zero e a superfície de sela com maior densidade de distribuição, respectivamente. lUma imagem SEM da superfície da ramificação do estereoma.Crédito:Nature Communications(2022).DOI: 10.1038/s41467-022-33712-z
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Ling Li, professor assistente do Departamento de Engenharia Mecânica da Virginia Tech, desvendou um mistério nas microestruturas porosas de exoesqueletos de ouriços-do-mar que podem levar à criação de cerâmicas sintéticas leves.Suas descobertas foram publicadas naNature Communications.
As cerâmicas são altamente resistentes ao calor, o que as torna a escolha favorita para gerenciar as brutais demandas térmicas de veículos de alta velocidade que viajam mais rápido que a velocidade do som.Nessas velocidades vertiginosas, o ar comprimido cria atrito significativo contra o veículo, resultando em um rápido aumento no calor que encontra.
As cerâmicas tornam-se ainda menos tolerantes a danos quando são tornadas porosas pararedução de peso;no entanto, a redução do peso é um requisito crítico para muitas aplicações estruturais, incluindo veículos de alta velocidade.
A Força Aérea dos EUA, um dos patrocinadores da pesquisa de Li, há muito se interessa em melhorar o desempenho mecânico dos materiais cerâmicos.Além de receberapoio financeirodo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, a equipe de Li também obteve fundos da National Science Foundation.
Esses fundos combinados, recebidos pelo laboratório em 2018, equiparam os pesquisadores para explorar novos princípios de DESIGNincorporados nos sólidos celulares cerâmicos naturais formados por organismos como ouriços-do-mar.O exoesqueleto de um ouriço-do-mar é um tipo de sólido celular, ou “espuma”, assim chamado porque sua microestrutura é um conjunto de células abertas com bordas ou faces sólidas, agrupadas para preencher o espaço.As lacunas entre as células as tornam porosas, criando um material que pode ser mecanicamentemaiseficiente do que estruturas densas.
▪️ Como lidar com os danos como um ouriço do mar
“Neste trabalho, achamos que encontramos algumas das principais estratégias que permitem que o ouriço-do-mar seja forte e resistente, oferecendo redução de peso com sua microestrutura porosa”, disse Li.“Este artigo daNature Communicationsrelata os resultados que encontramos do que está escondido dentro”.
Os espinhos dos ouriços-do-mar são rígidos, fortes e leves.Esses espinhos são feitos de um mineral quebradiço chamadocarbonato de cálcio, que é semelhante à cerâmica sintética, mas o ouriço tem uma tolerânciamuitomaior a danos ao receber peso ou força.A equipe de Li testou esse princípio pressionando as espinhas mecanicamente, simulando o mesmo tipo de condição sob a qual uma cerâmica de engenharia pode precisar resistir.
Os espinhos do ouriço-do-mar deformaram-se graciosamente sob a força exercida sobre eles, em contraste com a falhacatastrófica dos atuais sólidos celulares cerâmicos sintéticos.Esse comportamento de “falha graciosa”permite que os espinhos do ouriço-do-mar resistam a danos com capacidade significativa de absorção de energia.
No decorrer desta pesquisa, a equipe de Li descobriu alguns segredos que dão ao ouriço sua capacidade de se manter unido durante o carregamento mecânico.
▪️ Segredos das profundezas
“Existem alguns segredos nas características estruturais dos espinhos dos ouriços-do-mar. Um deles está relacionado à conexão dos ramos”, disse Li.“O segundo é o tamanho dos poros.”
Sob um microscópio, a equipe de Li observou uma arquitetura de ramos curtos interconectados.Uma rede de nós mantém esses ramos juntos, e um dos segredos da tolerância a danos do ouriço é o equilíbrio entre o NÚMERO de nós e ramos.Esse NÚMERO é PRECISAMENTECRÍTICO porque nós com muitas ramificações conectadas farão com que a estrutura se torne mais frágil e quebrável.
Os nós na estrutura porosa em espinhos de ouriço-do-mar estão conectados a três ramos em média, o que significa que a rede de ramos sofrerá fratura induzida por flexão em vez de fratura induzida por estiramento mais catastrófica.
O segundo segredo está no tamanho das lacunas, ou poros, entre os ramos.
A equipe descobriu que as lacunas dentro da estrutura porosa dos espinhos dos ouriços-do-mar são apenas um pouco menores do que o tamanho dos galhos.Isso significa que, uma vez que os ramos fraturam, eles podem ser travados imediatamente por essas aberturas menores.Galhos quebrados se empilham uns sobre os outros nos poros, criando uma região densa que ainda é capaz de sustentar a carga.
Os ouriços-do-mar também têm uma morfologia de superfície diferente da cerâmica sintética.
Cerâmicas celulares fabricadas têm MUITOS DEFEITOS microscópicos em suas superfícies e internamente, tornando esses materiais mais suscetíveis a FALHAS.Este NÃO É O CASO da espinha do ouriço-do-mar, que tem uma superfície quase vítrea, lisa até a escala nanométrica.DEFEITOS são pontos a partir dos quais os danos podem começar, e A FALTA DE DEFEITOS significa a falta de locais propensos a FALHAS.
Li demonstrou essa ideia com um pedaço de papel.“Quando você tenta rasgar um pedaço de papel não danificado, o papel resiste a rasgar.
Se você fizer um pequeno rasgo na lateral do papel, no entanto, o rasgo continuará a partir desse ponto danificado.”
Com galhos, poros e uma superfície lisa em jogo, os espinhos leves do ouriço-do-mar alcançamaltaresistência e tolerância a danos, distribuindo uniformemente o estresse dentro da estrutura e absorvendo energia com mais eficiência.
▪️ Fazendo a próxima geração de cerâmica
Com esse conhecimento, podemos recriar a suavidade, a falta de defeitos e as estruturas específicas de ramificações e nós necessáriaspara capitalizar os segredos do ouriço-do-mar?No momento, não podemos, porque os métodos atuais de processamento de cerâmica não estão lá.
O primeiro passo é criar a forma, e o segundo é queimar a peça para que a cerâmica endureça, o que lhe confere a resistência pela qual é conhecida.Os oleiros seguem esse método quando criam uma panela e a aquecem em um forno.Processos semelhantes também são usados para cerâmicas impressas em 3D, onde a etapa de impressão 3D forma a forma e, em seguida, a queima subsequente é necessária para produzir as peças cerâmicas finais.
Essa etapa de queima, ou sinterização, é a mais problemática para recriar a microestrutura do ouriço-do-mar, porque o processo de sinterização leva à formação de defeitos microscópicos, tornando-os de baixa resistência.
“No meu laboratório, também estamos interessados em COMO organismos comoos ouriços-do-marFORMAM esses sólidos celulares cerâmicos naturais“, disse Li.
“Esperamos que um dia possamos não apenas integrar os princípios de DESIGN de materiais a materiais cerâmicos leves de INSPIRAÇÃObiológica, mas também as estratégias de processamento de materiais aprendidas com sistemasnaturais”.
[Ênfase adicionada]
Mais informações:Ting Yang et al, High strength and damage-tolerance in echinoderm stereom as a natural bicontinuous ceramic cellular solid,Nature Communications(2022).DOI: 10.1038/s41467-022-33712-z
[Observação desse blog: Artigo não reproduzido na sua totalidade. A imagem também não faz parte do artigo original.]
Cientistas da Oregon Health & Science University revelaram, pela primeira vez e em detalhes quase atômicos, a estrutura da parte-chave do ouvido interno responsável pela audição.
“Este é o último sistema sensorial no qual essa maquinaria molecular fundamental permaneceu desconhecida”, disse o autor sênior Eric Gouaux, Ph.D., cientista sênior do OHSU Vollum Institute e investigador do Howard Hughes Medical Institute.
“A maquinaria molecular que realiza esse processo absolutamente incrível não foi resolvida por décadas”.
Até agora.
Os pesquisadores fizeram a descoberta desvendando a estrutura através de anos de pesquisas meticulosas para isolar o processo que permite que o ouvido interno converta vibrações em som, conhecido como complexo de transdução mecanosensorial.
O estudo, que revelou a estrutura através de microscopia crioeletrônica, foi publicado hoje na revistaNature.
As descobertas podem apontar o caminho para o desenvolvimento de novos tratamentos para deficiências auditivas, que afetam mais de 460 milhões de pessoas em todo o mundo.
A descoberta revela a arquitetura do complexo do ouvido interno que converte as vibrações em impulsos elétricos que o cérebro traduz como som.Conhecido como transdução mecanossensorial, o processo é responsável pelas sensações de equilíbrio e som.
Os cientistas exploraram o fato de que a lombrigaCaenorhabditis elegansabriga um complexo mecanosensorial muito semelhante ao dos humanos.
Resolver a estrutura básica é o primeiro passo, segundo Gouaux.
“Isso sugere imediatamente mecanismos pelos quais se pode compensar esses déficits”, disse Gouaux.“Se uma mutação dá origem a um defeito no canal de transdução que causa perda auditiva, é possível projetar uma molécula que se encaixe nesse espaço e resgate o defeito. Ou pode significar que podemos fortalecer as interações que foram enfraquecidas.”
A perda auditiva pode ser herdada por meio de mutaçõesgenéticas que alteram as proteínas que compõem o complexo de transdução mecanosensorial.Ou pode ocorrer devido a danos, incluindo exposição prolongada a ruídos altos.Em ambos os casos, a descoberta dos pesquisadores da OHSU permite que os cientistas visualizem o complexo pela primeira vez.
A descoberta é uma conquista extraordinária, disse um dos principais pesquisadores de neurociência da OHSU, que não esteve diretamente envolvido na pesquisa.
“O campo da neurociência auditiva está esperando por esses resultados há décadas, e agora que eles estão aqui – estamos em êxtase”, disse Peter Barr-Gillespie, Ph.D., cientista pesquisador da OHSU e líder nacional em pesquisa auditiva.“Os resultados deste artigo sugerem imediatamente novos caminhos de pesquisa e, portanto, revigorarão o campo nos próximos anos”.
Barr-Gillespie também atua como diretor de pesquisa e vice-presidente executivo da OHSU.
Os pesquisadores resolveram o quebra-cabeça por meio de técnicas cuidadosas de cultivo e isolamento envolvendo 60 milhões de vermes ao longo de quase cinco anos.
“Passamos vários anos otimizando métodos de crescimento de vermes e isolamento de proteínas, e tivemos muitos momentos de ‘fundo do poço’ quando consideramos desistir”, a co-primeira autora Sarah Clark, Ph.D., pós-doutoranda no laboratório de Gouaux, escreveu em um resumo de pesquisa publicado pela Nature
[Ênfase adicionada]
Referência do jornal:
Hanbin Jeong, Sarah Clark, April Goehring, Sepehr Dehghani-Ghahnaviyeh, Ali Rasouli, Emad Tajkhorshid, Eric Gouaux.Structures of the TMC-1 complex illuminate mechanosensory transduction.Nature, 2022; DOI:10.1038/s41586-022-05314-8
Repórteres científicos lutam por metáforas para descrever as operações complexas que eles veem acontecendo na célula.Por exemplo:
▪️ A Orquestra
Notícias da Universidade de Genebracomparam o genoma humano a uma “orquestra complexa”.Sua pesquisa levou a descobertas “inesperadas” e “surpreendentes” mostrando “comportamento harmonizado e sinérgico” na regulação dos genes.A metáfora de um maestro mantendo todos os vários jogadores em harmonia veio à mente:
Uma equipe de geneticistas suíços da Universidade de Genebra (UNIGE), da École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) e da Universidade de Lausanne (UNIL) descobriu que a variação genética tem o potencial de afetar o estado do genoma em muitas posições aparentemente separadase, assim, modular a atividade do gene, muito parecido com um maestro orientando os intérpretes de um conjunto musical para tocar com harmonia.
Esses resultadosinesperados, publicados na Cell, revelam a versatilidade da regulação do genoma e oferecem insights sobre a forma como ela é orquestrada.[Enfase adicionada.]
▪️ As forças armadas
Outra metáfora popular entre os repórteres é “forças armadas”.Essa metáfora será instrutiva à medida que lemos sobre proteção do DNA e reparo de danos.Vejamos algumas das etapas desse processo onde encontraremos soldados, técnicos de emergência médica, ambulâncias e hospitais militares em ação, todos bem treinados e equipados para a defesa.
▪️ Vigilância e Inspeção
Qualquer operação militar disciplinada requer altos padrões.
Soldados no campo de treinamento sabem que os sargentos podem ser implacáveis ao inspecionar rifles, engraxates e camas de quartel.
Da mesma forma, as máquinas do genoma inspecionam o DNA em busca de erros e não toleram menos do que a perfeição.
Qualquer desencontro faz com que esse sargento pare e encare o recruta, mesmo que ele seja um em um milhão.
Felizmente, nossos corpos têm um sistema para detectar e reparar essas incompatibilidades – um par de proteínas conhecidas como MutS e MutL.
A MutS desliza ao longo do lado recém-criado da fita de DNA depois de replicada, revisando-a.Quando encontra uma incompatibilidade, ele se encaixa no local do erroe recruta a MutL para se juntar a ela.
A MutL faz um corte na fita de DNA recém-sintetizadapara marcá-la como defeituosae sinaliza uma proteína diferente para devorar a porçãodo DNA que contém o erro.
Em seguida, a correspondência de nucleotídeos recomeça, preenchendo a lacuna novamente.Todo o processo reduz os erros de replicação em cerca de mil vezes, servindo como melhor defesa contra mutações genéticase os problemasque podem surgir delas, como o câncer.
▪️ Primeira resposta
Se ocorrerem vítimas, elas devem ser detectadas.Uma proteína chamada ATF3 é a capitã de um esquadrão que atua como “primeiro respondedor” a danos no DNA, como explicaa Georgia Regents University.
Digamos que uma fita de DNA se rompa por causa da luz solar, quimioterapia ou um raio cósmico.
Se não for corrigida rapidamente, a célula pode se tornar cancerosa ou morrer.O que acontece primeiro?
No cenário rápido e complexoque permite que uma célula repare danos no DNA ou morra, a ATF3, ou Ativador do Fator de Transcrição 3, parece ser um verdadeiro primeiro respondedor, aumentando seus níveis e depois encontrando e se ligando a outra proteína, Tip60, o que acabará por ajudar atrair um enxame de outras proteínaspara o local do dano.
▪️ Operações de Combate
Os vírus invadiram!As forças armadas entram em alerta máximo.O Salk Institute for Biological Studiesdescreve a enxurrada de atividades resultantes, porque todo organismo “deve proteger seu DNA a todo custo”.
Antes de entrar em pânico, os comandantes da célula precisam de inteligência.Se uma quebra de DNA coloca a célula em estresse, seja uma quebra natural, digamos de um raio cósmico, ou de um vírus, como um insurgente jogando uma granada?Um movimento em falso pode levar a baixas de fogo amigo.
Os pesquisadores explicam como a célula descobre se o dano ao DNA foi interno ou externo.Primeiro, o complexo MRN dá o sinal de “todas as mãos no convés”.Ele interrompe a replicação e outras operações da célula até que a quebra seja corrigida.
O interessanteé que mesmo uma única interrupção transmite um sinal globalatravés da célula, interrompendo a divisão e o crescimento celular”, diz O’Shea.
“Essa resposta impede a replicação para que a célula não passe por uma pausa.”
A resposta viral começa da mesma forma, mas não dá o alarme global.
Em vez disso, o alarme é localizado e sentinelas na área despacham os invasores.Há uma razão para isso.
“Se todos os vírus que chegam estimulassem uma resposta igualmente forte, aponta O’Shea, nossas células seriam pausadas com frequência, prejudicando nosso crescimento”.Mas quando a célula fica preocupada com o reparo de danos no DNA, os vírus podem se infiltrar.
Um vídeo no artigo aplica a metáfora das forças armadas:
Govind Shah: “As proteínas de reparo do DNA servem como guardas de segurança dentro do núcleo.Eles pegam o DNA do vírus e os escoltam para forada célula.
Se uma célula sofrer uma grande quantidade de danos no DNA, esses guardas de segurança serão afastados do DNA viral e permitirão que o DNA viral se replique em altos níveis”.
Clodagh O’Shea: “Descobrimos que se você tem danos no DNA em seu próprio genoma, e o alarmedispara, na verdade isso recruta todas as forças: toda a polícia, guarda nacional – todo mundo está lá.Todas as forças estão lidando com seu próprio dano ao DNA, e não há mais nada para realmente ver ou desligar o vírus.”
Isso lhes deu uma ideia.Shah diz: “Então, por que não usar isso para matar células cancerígenas” com vírus projetados para entrar nas células tumorais?A resposta programada que eles descobriram fará com que a célula deixe os vírus entrarem enquanto está preocupada em consertar quebras de DNA.
“Se a célula não puder consertar a quebra do DNA, ela induzirá a morte celular – um mecanismo de autodestruiçãoque ajuda a impedir que as células mutantes se repliquem (e, portanto, impede o crescimento do tumor)”.
▪️ Médicos
Estamos todos familiarizados com as imagens de helicópteros no campo de batalha entregando médicos para dar primeiros socorros aos feridos, ou transportando-os de avião para a estação de triagem ou hospital mais próximo.O núcleo da célula tem hospitais, diz um artigo da Biotechniques, e “Uma ambulância molecular para DNA” sabe como levar as vítimas ao pronto-socorro.
As quebras de fita dupla no DNA são uma fonte de estressee às vezes amortedas células.
Mas as quebras podem ser corrigidas se encontrarem uma maneira de reparar os locaisdentro da célula.
Em leveduras, um dos principais sítios de reparo reside no envelope nuclear, onde um conjunto de proteínas, incluindo o sub-complexo de poros nucleares Nup84, serve como uma espécie de hospital molecular.
O complexo de proteína motora cinesina-14, uma “ambulância de DNA”, move as pausaspara locais de reparo, de acordo com um novo estudo da Nature Communications.
Pesquisadores da Universidade de Toronto acharam “muito surpreendente” que o motorista da ambulância seja a conhecida proteína motora cinesina-14 (veja nossa animação da cinesina em ação abaixo [áudio original em inglês]).
▪️ Funcionários do Hospital
Notícias do MD Anderson Cancer Center da Universidade do Texasapresentam alguns dos especialistas do hospital de reparo de DNA: fumarase, uma enzima metabólica;DNA-PK, uma proteína quinase;e enzimas de metilação de histonas que regulam o processo de reparo.
Esses médicos qualificados realizam cirurgias restauradoras para “quebras de fita dupla de DNA (DSBs)”, que “são a pior forma possível de mau funcionamento genético que pode causar câncer e resistência à terapia”.
▪️ Equipe de limpeza
As células investem muita energia em seus ribossomos, as organelas que traduzem o DNA.Os ribossomos são montados a partir de domínios de proteína e RNA.O que acontece com as sobras?Um item da Universidade de Heidelbergdescreve máquinas moleculares que codificam os fragmentos em código de barras para serem entregues a um triturador em forma de barril chamado exossomo.
Embora não sejam descritos em termos militares, os agentes estão sob ordens estritas e obrigados a passar por postos de controle.
De acordo com o Prof. Hurt, a produção de ribossomos é um processo extremamente complexoque segue um esquema rígidocom vários pontos de controle de qualidade.
As fábricas de proteínas são feitas de inúmeras proteínas ribossômicas (r-proteínas) e ácido ribonucleico ribossômico (rRNA).
Mais de 200 proteínas auxiliares, conhecidas como fatores de biogênese do ribossomo, são necessárias nas células eucarióticas para montar corretamente as proteínas-r e os diferentes rRNAs.Três do total de quatro rRNAs diferentes são fabricados a partir de um grande RNA precursor. Eles precisam ser “aparados” em pontos específicos durante o processo de fabricação, e as peças supérfluas são descartadas.
“Como esses processos são irreversíveis, é necessária uma verificação especial”, explica Ed Hurt.
O número de pessoas das “forças armadas” envolvidas na defesa do DNA e no controle de qualidade das células é surpreendente.Está além de uma orquestra bem conduzida.É como uma operação militar, com protocolos rígidos, estrutura de comando hierárquica e especialistas treinados.Esses sistemas são orientados a objetivos: eles existem para proteger o genoma.Eles estão de plantão inspecionando componentes mesmo quando nada está errado.E quando as coisas dão errado, eles sabem exatamente o que fazer, como se estivessem bem treinados em seguir ordens.
Não estamos surpresos ao notar que esses artigos não dizem nada sobre evolução.Por quê?Porque todos sabemos pela nossa experiência que os fenómenos caracterizados por sistemas de comando e controle hierárquicos com procedimentos documentados e agentes qualificados são sempre concebidos de forma inteligente.
Um processo que as células usam para desvendar filamentos de DNA nodosos – assemelhando-se a um métodousadoparacontrolar cordas de escalada – foi descoberto por cientistas.
As descobertas ajudam a explicar como cerca de 2 metros de DNA podem ser empacotados Ordenadamente em cada uma de nossas células, em um espaço que tem aproximadamente a largura de um fio de cabelo.
Os cientistas identificaram dois conjuntos de proteínas nas células que trabalhamjuntasPARA manter os fios soltos, evitando emaranhados que dificultariam processos biológicos vitais.
Essas proteínas são encontradas em muitos organismos, e os cientistas acreditam que seu papel no GERENCIAMENTO do DNA pode sercomum em toda a natureza.
Uma família de proteínas – conhecida como SMC – atua como um dispositivo de segurança usado por alpinistas, que passa cordas por uma série de laços.
Descobriu-se que essas proteínas funcionam ao lado de outro conjunto, conhecido como TopoII, que anteriormente pensava-se ser para ajudar a RESOLVER emaranhados, mas de uma maneira que não era bem compreendida.
Pesquisadores das Universidades de Edimburgo e Pádua, na Itália, estudaram o processo criando modelos de computador de DNA com nós e links.
Eles descobriram que o SMC age como um segurança, deslizando para frente e para trás para aumentar ou reduzir as alças em segmentos ligados de DNA.Os nós são primeiro espremidos e comprimidos pelo SMC e, posteriormente, são facilmenteDETECTADOS e RESOLVIDOS pelo TopoII.
Seu estudo é o primeiro a explicar como as duas famílias de proteínas MANTÊM o DNA livre de emaranhados sob as condiçõesconfinadas e lotadas da célula.
A pesquisa, publicada na revistaProceedings of the National Academy of Science, foi apoiada pelo Conselho Europeu de Pesquisa.
Davide Michieletto, da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Edimburgo, que liderou o estudo, disse: “Pode-se esperar que os longos fios de DNA fiquem HORRIVELMENTE emaranhados – um pouco como tirar fones de ouvido com nós do bolso. Mas, em vez disso, a naturezaCRIOU essas MÁQUINAS INCRÍVEIS para RESOLVER esse PROBLEMA de Maneira Notável, aparentemente em muitas espécies.”
[Ênfase adicionada]
Referência do Jornal:
Enzo Orlandini, Davide Marenduzzo, Davide Michieletto.Synergy of topoisomerase and structural-maintenance-of-chromosomes proteins creates a universal pathway to simplify genome topology.Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019; 201815394 DOI:10.1073/pnas.1815394116
[Obs: o artigo original não possui imagem didática, ficou por conta desse blog]
“O que há de milagroso na teia de aranha?”disse a Sra. Arable.“Não vejo por que você diz que a teia é um milagre – é apenas uma teia.”
“Já tentou tecer uma?”perguntou o Dr. Dorian.
EB WHITE, CHARLOTTE’S WEB
As aranhas são outro engenheiro mestre da natureza.Cerca de metade das espécies de aranhas conhecidas (ordem Araneae) constroem teias de seda.As aranhas podem fazer diferentes tipos de seda, dependendo de sua função.Por exemplo, a aranha-tecelã-de-orbe-dourada tem sete tipos de glândulas de seda, com seis fiandeiras.1Algumas são usadas para tecer teias, é claro, mas outros tipos são usadas para embrulhar presas e ovos.A seda pode ser mais forte do que o aço da mesma espessura, pode esticar mais do que a borracha e é mais pegajosa do que a maioria das fitas.2Os Goulds descrevem a seda como “facilmente o material de construção mais notável do planeta, e tem uma fonte: artrópodes”.3 Apesar do grande esforço, os humanos ainda não produziram nada funcionalmente equivalente à seda.Por meio da engenharia genética, foram feitas tentativas de duplicá-lo, sem sucesso.
O principal desafio é replicar as moléculas de proteína sofisticadas e ricas em informações encontradas na seda produzida por aranhas e outros artrópodes produtores de seda, como o bicho-da-seda – proteínas que têm quase o dobro do tamanho da proteína humana média.4
Proteínas menores não têm a força ou flexibilidade da seda da aranha.Dadas as tecnologias genéticas e de manufatura avançadas disponíveis hoje, é notável que a seda da aranha ainda não possa ser duplicada.Isso ilustra o quão avançado é o projeto de engenharia da seda de aranha.
Uma típica teia de aranha de jardim
As teias de orbe são os tipos mais comuns e familiares de teias de aranha.Uma típica teia de aranha de jardim é feita de 18 a 195 pés de seda.5
As teias consistem em “fios de fixação” pegajosos;“raios” radiais para segurar os fios pegajosos;“Pontes de fios” que agem como linhas de sustentação para segurar a teia;“Fios de sinalização” que informam a aranha por meio de vibrações sentidas nas patas que a presa está na teia;e “linha de reboque” para acessar a teia de sua casa.6As sedas empregadas nos diferentes usos são cada uma única, sendo construídas a partir de diferentes combinações de proteínas.Os tipos incluem “colante” para elasticidade, “zíper” para flexibilidade e “lego” para resistência.7
A construção da teia é uma atividade objetiva e voltada para objetivos.Isso se torna particularmente óbvio quando se observa o processo em vídeos disponíveis na Internet.8
Várias teias de aranha, mesmo entre aranhas da mesma espécie, estão longe de ser idênticas.A razão mais óbvia para as diferenças é que cada uma é feita sob medida para seu local específico.Como explicam os Goulds, “Cada conjunto de pontos de ancoragem iniciais é diferente;o número de raios depende da oportunidade;o início da espiral pegajosa depende de onde os raios mais longos ficam.Em suma, cada teia é uma produção personalizada. ”9
Os Goulds postulam que as aranhas têm uma forma de capacidade de mapeamento que lhes permite implementar princípios gerais de design em uma ampla variedade de circunstâncias.Isso é demonstrado, por exemplo, por aranhas que consertam com sucesso teias danificadas.
Alçapões, coleiras e tubos
Outra fonte de diferença é a função.Quando pensamos em teias de aranha, tendemos a imaginar o tipo mais comumente encontrado – as teias em forma de rede espalhadas entre as árvores, vigas ou paredes do sótão.Mas existem vários outros tipos, incluindo aquelas que funcionam como alçapões para tocas de aranha, coleiras que se estendem das tocas e teias que funcionam como tubos na casca de árvore que também podem ter portas com dobradiças.10
Mencionei tópicos de sinalização acima.Elas dizem a uma aranha que a presa está presente na teia, mas transmitem muito mais do que apenas isso.As aranhas são capazes de determinar o ângulo e a distância da presa do centro da teia.Elas são capazes de determinar a localização da presa usando a mesma técnica básica que usamos para determinar a localização da fonte do som.
Os humanos usam a diferença de intensidade do som recebido por nossos ouvidos para estimar a localização relativa.As aranhas fazem algo semelhante com base na intensidade das vibrações recebidas, no caso delas percebidas por oito pernas.11 Obviamente, o algoritmo usado no processamento de informações de oito sensores é muito mais complicado do que apenas os dois sensores que os humanos possuem.E isso é apenas a metade.Experimentos demonstraram que as aranhas podem armazenar as coordenadas da localização de pelo menos três presas diferentes que ficam presas na teia.12
Em busca de explicações evolutivas
Fornecer explicações evolutivas confiáveis para a origem da seda e do design da teia tem se mostrado problemático.Várias teorias foram propostas para a origem de ambas, mas nenhuma foi geralmente aceita.13
Obiólogo e especialista em aranhas William Shear admite que “uma explicação funcional para as origens da seda e do hábito de fiar pode ser impossível de se conseguir”.14
Um fator complicador é que as teias de algumas aranhas aparentadas de maneira mais remota são quase idênticas.Shear escreve: “Parece provável que vários tipos de teia são o produto da evolução convergente – isto é, que a mesma teia evoluiu em espécies não relacionadas que se adaptaram a circunstâncias ambientais semelhantes”.15
Mas, como argumentarei no capítulo 6, essa é uma explicação pouco convincente para a origem de comportamentos programados complexos.
Um desafio mais fundamental para aqueles que buscam fornecer uma explicação detalhada e causalmente confiável para a origem da seda e da arquitetura da teia de aranha é o número de genes envolvidos na produção da seda e os complexos genomas das aranhas.16 Depois de décadas de tentativas fracassadas de fornecer uma explicação causalmente adequada, alguém pode ser perdoado por concluir que não temos nenhuma razão convincente para supor que um caminho evolutivo passo a passo para tal substrato rico em informações realmente exista.E, como discutiremos mais tarde, agora existem algumas razões positivas para considerar que tais sistemas ricos em informações têm como fonte algo diferente de um processo material puramente cego.Aqui, basta dizer que os comportamentos e funções associados à fiação da seda e da teia exibem muitas características da engenharia humana e de uma engenharia de uma ordem muito elevada.
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Notas
Elizabeth Pennisi, “Untangling Spider Biology,” Science 358 (October 2017): 292.
Barbara Taylor, Jen Green, and John Farndon, The Big Bug Book (London: Hermes House, 2007), 22.
Gould and Gould, Animal Architects, 19.
Robert Service notes that “mass-produced, superstrong fibers remain out of reach.” Robert F. Service, “Silken Promises,” Science 358, no. 6361 (October 2017): 293–294.
William Shear, “Untangling the Evolution of the Web,” in Exploring Animal Behavior, eds. Sherman and Alcock, 149.
Gould and Gould, Animal Architects, 50. The Goulds further explain, “The vibrations induced by struggling insects are transmitted along the slack and sticky spiral of catching threads to the taut radii, and thence to the center. The spider compares the strength of vibrations between radii to interpolate the angle of the prey from the center. In theory, the spider should simply rush out along the closest radius until it encounters the insect. However, when vibrations are induced experimentally, the spider nevertheless stops at about the right distance out from the center of the web.”
Heinrich, The Homing Instinct, 50.
Shear, “Untangling the Evolution of the Web,” 148–158.
Shear, “Untangling the Evolution of the Web,” 151.
Shear, “Untangling the Evolution of the Web,” 153–154.
Outro dia, um amigo nos apresentou um novo conceito – tapetes de cozinha e banheiro feitos de terra de diatomáceas, rica em fósseis de diatomáceas.Derrame água no tapete enquanto lava a louça e seca quase imediatamente.Não se preocupe mais com mofo, entre outras coisas, caso isso seja uma preocupação para você.
O mundo, de fato, deveria saber mais sobre os micróbios chamados diatomáceas.Quando você ouve a palavra “micróbio”, o que vem à mente?Para a maioria, é provavelmente uma ameba disforme ou um germe de doença.Na verdade, “micróbio” é um termo genérico que incorpora arquéias, bactérias e eucariotos – qualquer microrganismo unicelular.Agregar diatomáceas com bactérias causadoras de doenças deveria ser uma afronta, como chamar a rainha de partidária.
Esqueça os tapetes de banho.Se as diatomáceas pudessem ser ampliadas para caber na palma da mão, seriam joias preciosas, cintilando em um arco-íris de cores e vendidas nas melhores joalherias.E se pudessem ser aumentados ainda mais, de modo a se sobressair sobre as pessoas, as multidões tirariam férias em suas sombras, admirando a magnífica arquitetura.E ouvir que nossas vidas dependem dessas pequenas catedrais modernistas – bem, isso seria quase demais para os visitantes contemplarem.
Respire fundo
Os cientistas estimam que um quarto do oxigênio que respiramos vem das diatomáceas.Existem cerca de 100.000 espécies delas, habitando o oceano, água doce e solo.Elas vivem em quase todos os lugares.
As diatomáceas são eucariotos, uma forma de algas fotossintéticas.Ao contrário de outros micróbios, elas constroem casas de casca dura para viver, compostas de vidro de sílica que elas coletam do ambiente e cimentam com proteínas.
Por causa de sua onipresença, eles desempenham um papel importante no ciclo do silício da Terra.
As conchas, chamadas frústulas, se encaixam como duas partes de uma caixa de comprimidos presas por um cinto.A variedade de formas de diatomáceas é impressionante.Algumas frústulas são redondas, outras em forma de bastão, outras triangulares e outras até mesmo em forma de estrela de cinco pontas.Suas superfícies são decoradas com padrões complexos.
Os microscópios de luz desde o século 19 revelaram algo sobre sua variedade e beleza.Os observadores fizeram desenhos da melhor maneira que puderam.À medida que os microscópios melhoravam e as câmeras se juntavam a eles, a maravilha da variedade e composição das diatomáceas ficava mais clara.
Pode-se imaginar admirar uma mão ampliada.No final da década de 1930, os microscópios eletrônicos inauguraram uma nova era de imagens detalhadas.Agora no século 21, a era da microscopia de super-resolução e outras técnicas permitem que toda a glória das diatomáceas entre em foco (veja, “Resolution Revolution’: Intelligent Design, Now at the Atomic Level”.
É como se pudéssemos andar dentro deles, olhando para os pilares e suportes e padrões artísticos bem acima.
A alegria da descoberta para nove microscopistas da Polônia e Alemanha, que escreveram sobre isso na Nature Scientific Reports, é palpável, não diminuída em nada por seu encantador inglês quebrado.
A concha de diatomáceas é um exemplo de estrutura siliciosa complexa que é um modelo adequado para demonstrar o processo de escavação na terceira dimensão usando técnicas de visualização modernas….
A natureza é uma fonte de materiais complexos que possuem uma ampla gama de propriedades complementares ou sinérgicas.
Estruturas multi-escala em organismos biológicos determinam seu comportamento, ao mesmo tempo, essa perfeição elegante deixa os cientistas maravilhados.Além do prazer, os engenheirosfazem tentativas de emular soluções, bem como designs inventados pela Naturezaem inovações feitas pelo homem.Uma gama de avanços tecnológicos inspirados em organismos vivos também conhecidos como biomimética é ampla e se generalizou. Não há dúvida de que as soluções apresentadas pela Natureza estão bem à frente de todo material de engenharia.[Enfase adicionada.]
Izabela Zgłobicka et al.lembra os leitores de que as conchas de diatomáceas são extremamente difíceis para seu tamanho.Elas também são notavelmente resistentes a fraturas, capazes de suportar centenas de bilhões de pascal de pressão (um pascal é um quilograma por metro quadrado ao quadrado).Este fato, sem dúvida, surpreenderia o polímata Blaise Pascal (1623-1662), que investigou pressão, matemática, teologia, probabilidade e vários outros assuntos.
A morfologia de suas conchas siliciosas (= frústulas) é altamente elaborada.Substancialmente, muitos detalhes responsáveis pelas propriedades dessas estruturas, por exemplo, as mecânicas, podem ser observados por imagens de alta resolução.De acordo com a literatura, as propriedades mecânicas da frústula da diatomácea dependem da localização.Experimentos conduzidos em Navicula pelliculosamostraram que os maiores valores do módulo de elasticidade e dureza, respectivamente até centenas de GPa e até 12 GPa, foram obtidos na parte central da frústula.Esses resultados foram confirmados por Subhash et al.conduzindo investigações de dureza e modos de fratura da frustula de Coscinodiscus concinnus, valores mais elevados foram obtidos no nódulo central que é sólido.Além disso, aresistênciaà fraturatambém depende do tamanho das diatomáceas. Esses valores são considerados notavelmente altos para conchas feitas de bio-sílica relativamente maciae discutidos em termos de células guardiãs dentro das frústulas contra predadores.
Surge a pergunta
Então, a proteção contra predadores requer esse nível de engenharia e beleza?
Deixe o leitor visitar este artigo de acesso aberto e olhar as figuras.À medida que as fotografias passam de imagens de microscópio de luz para as mais recentes usando EM, feixe de íons focalizado e nano tomografia de raios-X, a comparação com catedrais se torna aparente.Há design artístico em todos os sentidos!
“Os materiais com arquitetura natural apresentam grande variedade em forma, morfologia e estrutura”, concluem.Construir diatomáceas em escala superior pode ser um projeto de arte que vale a pena.Alguém poderia fazer joias no formato de diatomáceas.Um arquiteto poderia construir um palácio de cristal com base nas estruturas de suporte e nos padrões artísticos mostrados nas Figuras 3 a 5. O artigo ainda faz essa sugestão na última frase: “O uso dessas técnicas sofisticadas de visualização, como XCT e TXM, têm um significado especial de possível upscaling tal qual solução de base biogênica por impressão 3D”.Boa ideia!E se os construtores pudessem imitar a resistência à fratura e a dureza do material de diatomácea, haveria pouco risco de quebra.
Um mistério evolucionário
Em 2012, Michael Gross escreveu sobre “Os Mistérios das Diatomáceas” na revistaCurrent Biology.Os darwinistas pensam que as diatomáceas surgiram repentinamente no Jurássico e então se diversificaram rapidamente nas 100.000 formas que temos hoje em uma “pequena fração da escala de tempo geológica”.
Eles acreditam nisso não porque uma série progressiva foi encontrada, mas porque as diatomáceas são tão bem-sucedidas que devem ser, de alguma forma, as mais “aptas” para a sobrevivência.
Talvez a endossimbiose estivesse envolvida, diz uma teoria.Nenhuma dessas especulações explica o artesanato de alta qualidade nas frústulas.Gross escreve,
As frústulas de sílica, com seus intrincados padrões em nanoescala, podem deixar qualquer nanotecnologista com inveja.A natureza pode produzir tais estruturas à temperatura ambiente e sob condições benignas, uma conquista que nossa tecnologia ainda não pode igualar.
Experiência de Engenharia
Outros pesquisadores notaram projetos funcionais em conchas de diatomáceas que sugerem engenharia de alta qualidade.Uma teoria é que as conchas protegem as células internas daluz ultravioletapor meio de “estruturas bandgap fotônicas” devido aos “padrões periódicos de 10-100 nm de orifícios, fendas e costelas”.Outra sugestão é que os poros nas conchas direcionem o comprimento de onda correto da luz para os fotocentros.
Antes de sugerir sua teoria de proteção contra a luz ultravioleta, Luis Ever Aguirre et al., escreveu na Nature Scientific Reports, veja analogias com invenções humanas em diatomáceas:
As frústulas do gênero Coscinodiscus atuam como lentes que focalizam a luzem um pequeno volume a uma distância da frustula, e esse volume é constante com a mudança da direção da iluminação da luz.
Também foi notado que as frústulas podem atuar como pequenos espectrógrafos, focalizando fótons em volumes específicos dentro da diatomácea, possivelmente para absorção pela clorofila e outros cromóforos.
Além disso, essas impressionantes características de engenharia são independentes da incrível força da frústula de diatomácea. Cientistas da Caltech em 2016descobriram que minúsculas diatomáceas “possuem uma força enorme”.Suas conchas de sílica têm a maior força específica (resistência à quebra por unidade de densidade) “de qualquer material biológico conhecido, incluindo osso, chifres e dentes”.Esta é uma propriedade notável para um objeto de vidro!
“A sílica é um material forte, mas frágil.Por exemplo, quando você deixa cair um pedaço de vidro, ele se estilhaça”, diz Greer.“Mas arquitetar esse material no design complexo dessas conchas de diatomáceas, na verdade, cria uma estrutura que é resilientecontra danos. A presença dos orifícios desloca as concentrações de estressena estrutura. ”
O trabalho de Zachary Aitken et al.foi publicado no PNAS.
Respostas de design unificado vão além da função local
É preciso se perguntar, olhando para essas imagens, como e por que as diatomáceas microscópicas “sem cérebro” fazem isso.Os padrões, únicos para cada espécie, parecem ir muito além de qualquer necessidade de sobrevivência, proteção ou reconhecimento de espécies.As fotos mostram que os padrões intrincados são encontrados não apenas por fora, mas também por dentro.
O organismo está olhando para sua própria catedral?Ou essa beleza é destinada a nós, seres humanos, como mentes e almas excepcionais, para refletir sobre o nível de engenharia dos sistemas biológicos ao nosso redor?Em caso afirmativo, é possível que as evidências tenham sido planejadas propositadamente para se desenvolverem ao longo do tempo à medida que nossa tecnologia melhorava, de modo que nunca ficaríamos sem evidências quanto mais atentássemos?
Alguns dos padrões de diatomáceas parecem revelar espirais de Fibonacci semelhantes às encontradas em cabeças de girassol e conchas de náutilo.Assista novamenteaNature by Numbers deCristobal Vila.
A descoberta de belos padrões matematicamente precisos em múltiplas escalas em fenômenos díspares irá sugerir a muitos uma assinatura unificadora e inegável de uma inteligência projetista.Uma perspectiva de design não requer nenhuma narrativa sobre um funileiro cego descobrindo que o silício é útil para a sobrevivência.Em vez disso, apóia ahipótese de Deus: a melhor explicação para a engenharia, beleza e propósito onipresentes que nos cercam.
Resumo: Cientistas estão entendendo mais sobre as células natural killer (NK), que são suas aliadas no combate a infecções e câncer.
Parte de nosso sistema imunológico inato, que despacha essas primeiras respostas, as células NK sãopreparadasdesde o nascimento para reconhecer e responder ao perigo.
Aprender o que alimenta as células NK é uma área ativa de pesquisa em imunologia, com importantes implicações clínicas.
“Há muito interesse agora nas células NK como um alvo potencial da imunoterapia“, disse Joseph Sun, imunologista do Instituto Sloan Kettering. “Quanto mais pudermos entender o que impulsiona essas células, melhor podemos programá-lasparacombater doenças.”
Apesar do nome saído de um filme de Tarantino, as células natural killer (NK) são suas aliadas no combate a infecções e câncer. Se as células T são como uma equipe de médicos especialistas em uma sala de emergência, as células NK são os paramédicos: elas chegam primeiro no local e realizam o controle de danos até a chegada de reforços.
Primeiro da Linha
Trabalhos anteriores de pesquisadores da MSK e de outros lugares mostraram que as células T dependem da glicólise aeróbica pararealizar suas funçõesde proteção. Mas não se sabia se as células NK dependem dessa forma de metabolismo para alimentar suas próprias atividades.
Como o Dr. Sun e seus colegas estudaram as células NK em animais em vez de em um recipiente, eles puderam estabelecer que tipo de metabolismo as células NK usam e compará-lo com as células T em um ambiente natural. Eles descobriram que as células NK aumentam a glicólise aeróbica cerca de cinco dias antes de as células T responderem com seu próprio pico glicolítico.
“Isso se encaixa com a ideia de que as células NK são células imunes inatas que são realmente críticas para montar uma resposta rápida“, diz o Dr. Sheppard.
As descobertas são relevantes para os esforços contínuos para usar as células NK como imunoterapia em pessoas com câncer e outras condições. Em particular, eles têm implicações no uso de células NK como uma forma de terapia celular – quando as células são cultivadas fora de um paciente e depois infundidas de volta no sangue do paciente.
“Se você está cultivando essas células em um recipiente e as pressiona para que se dividam muito rapidamente, elas podem não ter tanto potencial para sofrer glicólise aeróbica quando você as coloca em um paciente”, diz o Dr. Sheppard.
A lição para os pesquisadores que planejam ensaios clínicos é a seguinte: eles devemencontrar um equilíbrio entre estimular as células NK a se multiplicarem e preservar sua resistência. Essas células NK são os paramédicos de nosso sistema imunológico, por isso é importantemantê-las rápidas e responsivas.
As descobertas foram relatadas em 1º de junho de 2021 na revista Cell Reports .
Esta pesquisa foi apoiada pelo Cancer Research Institute, o NCI Cancer Center Support Grant (P30CA08748), Cycle for Survival, o Ludwig Center for Cancer Immunotherapy, a American Cancer Society, o Burroughs Wellcome Fund e o NIH (concede AI100874, AI130043, AI155558). Os autores do estudo declaram não haver conflitos de interesse.
[Ênfase adicionada]
Journal Reference:
Sam Sheppard, Endi K. Santosa, Colleen M. Lau, Sara Violante, Paolo Giovanelli, Hyunu Kim, Justin R. Cross, Ming O. Li, Joseph C. Sun. Lactate dehydrogenase A-dependent aerobic glycolysis promotes natural killer cell anti-viral and anti-tumor function. Cell Reports, 2021; 35 (9): 109210 DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109210
A extrusão de loop é uma técnica usada em várias máquinas para reparos e manutenção.Aqui estão alguns exemplos dos primeiros dias da computação e outras tecnologias:
Os técnicos de áudio extrudiam fitas de áudio em rolos e cassetes para consertar rugas ou unir pontas quebradas.
Os datilógrafos puxavam segmentos de bobinas de tinta para endireitar dobras ou para enrolar a fita além dos pontos defeituosos.
Os operadores de computador podem girar as bobinas de fitas de computador em direções opostas para extrudar loops para inspeção ou reparo da fita, ou para realinhar a fita em torno dos postes de guia.
Essas operações podem ser feitas manualmente ou, às vezes, automatizadas.O princípio geral é que a extrusão do laço permite a inspeção e o reparo quando uma fita física apresenta um problema.
Em operações de alta velocidade com fita de computador, a extrusão de loop também era um mecanismo embutido para amortecer as diferenças de tensão entre as duas bobinas.Caso contrário, mudanças rápidas de direção quebrariam a fita.Em alguns sistemas avançados de fita de computador, os loops podem ter vários metros de comprimento.Os operadores podiam ver os loops diminuindo à medida que as bobinas paravam e começavam rapidamente.
Memórias Distantes
Esses exemplos são memórias distantes para aqueles que trabalharam em computadores e sistemas de áudio dias antes de tudo migrar para discos rígidos, SSDs, arquivos MP3 e computação em nuvem.No entanto, sempre que uma fita física precisar se mover rapidamente, a extrusão de loop é uma boa ideia.Acontece que as células já usavam a extrusão de loop muito antes que os humanos pensassem nisso.
Na Nature, Arnould et al.relatamque as células usam “Extrusão de loop como um mecanismo para a formação de focos de reparo de danos no DNA“.As quebras de fita dupla são particularmente perigosas se não forem reparadas, causando câncer e morte celular.A equipe descobriu que as máquinas moleculares se prendem ao DNA em ambos os lados dos loops de quebra e extrusão que expõem o DNA a máquinas de fosforilação necessárias para chamar outras máquinas de reparo de danos.Os loops podem ser enormes, cobrindo um milhão de pares de bases.
O reparo de quebras de fita dupla de DNA (DSBs) é essencial para salvaguardar a integridade do genoma. Quando um DSB se forma, a quinase ATM relacionada à PI3K ativa rapidamente o estabelecimento de domínios de cromatina do tamanho de uma megabase decorados com histona H2AX fosforilada (γH2AX), que agem como sementes para a formação defocos deresposta a danos no DNA.Não está clarocomo esses focos são rapidamente montados para estabelecer um ambiente ‘sujeito a reparos’ dentro do núcleo. Os domínios de associação topológica são uma característica fundamental da organização do genoma 3D que compartimentaliza a transcrição e a replicação, mas pouco se sabe sobre sua contribuição para os processos de reparo do DNA.Aqui, mostramos que domínios de associação topológica são unidades funcionais da resposta ao dano ao DNA e são instrumentais para o estabelecimento correto dos domínios de cromatina γH2AX-53BP1 de uma maneira queenvolve a extrusão de alça mediada por coesina unilateral em ambos os lados do DSB.Propomos um modelo no qual nucleossomos contendo H2AX são rapidamente fosforilados à medida que passam ativamente pela coesina ancorada em DSB.Nosso trabalho destaca a importância da conformação cromossômicana manutenção da integridade do genoma e demonstra o estabelecimento de uma modificação da cromatina por extrusão em alça.[Enfase adicionada.]
Um princípio geral na manutenção do genoma
Na mesma edição da Nature, Leonid A. Mirnyachou este caso fascinante.Isso amplifica o que ele sabia sobre a extrusão de alças na formação de cromossomos.
As célulascompactam ordenadamente seu espaguete de DNAde várias maneiras.Em células com núcleo, o DNA é primeiro envolvido em torno de núcleos de proteínas histonas para fazer estruturas chamadas nucleossomos, que juntas formam uma fibra de cromatina que se parece com elos em um cordão. A extrusão do loop é o processo de compactação subsequente, por meio do qual um motor molecular ligauma fibra de cromatina e a enrola pelos lados, forçando um loop progressivamente maiorentre eles (Fig. 1a).
Uma olhada na Fig. 1a mostra algo muito interessante: engrenagensque fazem a extrusão.Mirny não pretende sugerir que as máquinas moleculares que fazem a extrusão de loop sejam engrenagens reais.É apenas uma maneira prática de mostrar que motores moleculares girando em direções opostas podem extrudar um loop.Aparentemente, é isso que os motores SMC fazem (“Structural Maintenance of Chromosomes”).Esta família de enzimas no núcleo, “outrora considerada como anéis passivos ou grampos – são, na verdade, motores de extrusão de loop”.
Enquanto isso, em outro lugar do Núcleo
Olhando além dos casos de reparo DSB e ação SMC, Mirny vê evidências de extrusão de alça em outra parte do núcleo.Pode até ser por um princípio geral por trás de vários processos misteriosos.
Os processos celulares costumam ser multitarefa.Então, esse mecanismo onipresente para tecer o genoma poderia ter outras funções?Durante a divisão celular,a formação de loops é a chave para compactar os cromossomos para permitir a passagem precisa do material genético para as células-filhas.Mas o papel da extrusão durante a interfase – o período durante o qual as células duplicam seu DNA e crescem em preparação para a próxima divisão – ainda não foi compreendido.
Existem várias possibilidades.Uma delas é aregulação da expressão gênica: a extrusãopode reunir elementos genômicos distantes(como potenciadores e promotores, que regulam a transcrição) que não são separados por uma barreira de CTCF.Essas barreiras também podem transformar a extrusão em rastreamento genômico.Para explicar, quando uma proteína coesina para em um CTCF, ela pode continuar enrolando DNA do outro lado, rastreando assim longas regiões genômicas ….
Revelar essa maneira inteligente de proteger os filamentos de DNA contra quebras e também de inspecioná-los rapidamente está levando a novos insights sobre os mecanismos físicos que as células usam para manter suas “fitas” genéticas.Ele observa que outro estudo mostrou bactérias capazes de se espalhar a uma taxa de 150.000 bases por minuto.
Cohesin, diz ele, não deve mais ser pensado como um anel passivo em torno do DNA.Bem poderia ser um conjunto de motores usando extrusão de loop para suas funções variadas.
Também é possível que os papéis da coesina e de outros SMCs no reparo de quebras vão além da propagação de γH2AX.A coesina há muito está envolvida no reparo do DNA, mas era considerada um anel passivo, mantendo juntos os cromossomos duplicados para reparo. As descobertas sugerem papéis mais ativos, por exemplo, em permitir a busca por uma região do DNA que pode atuar como um modelo para reparo. Além do mais, o recrutamento de SMCs para quebras e o papel central da coesina em outros processos que lidam com DSBs (como um tipo de divisão chamada meiose e regulação do gene da imunoglobulina), sugere que esses motores podem ser importantes na detecção e gerenciamento do DNA quebrado durante muitos processos celulares normais.Então, complexos SMC – tecelões mestres do genoma– pode ser responsável não apenas por fazer laços, mas também por encontrar e amarrar fibras quebradas.
Uma invenção engenhosa
Um panorama se abre para a visualização de motores no núcleo como extrusores de loop com múltiplas funções: cuidar de quebras de fita dupla, compactar o genoma, reunir promotores e realçadores e garantir a “manutenção estrutural dos cromossomos”.É difícil imaginar como qualquer célula primitiva poderia ter sobrevivido sem essas funções.
As células dominaram a extrusão de loop como uma maneira engenhosa de inspecionar, reparar e compactar o genoma.Eles dominaram a técnica de extrusão de loop muito além do que qualquer operador de computador, digitador ou engenheiro de áudio jamais imaginou.Quando se considera que o DNA não é uma fita sólida, mas uma dupla hélice com delicadas ligações de hidrogênio que mantêm os fios unidos, torna-se evidente o quão cuidadosos esses motores devem ser para realizar suas tarefas de forma rápida e perfeita quase o tempo todo.
A extrusão de loop representa outro mecanismo físico, usando motores moleculares, com os quais os humanos podem se relacionar a partir de sua própria criatividade com o manuseio de fitas – apenas os mecanismos das células são muito mais sofisticados do que qualquer coisa que os humanos já tenham feito.É mais uma maravilha que deve nos fazer admirar a inteligência e sabedoria do designer.
Modelo para a regulação da condensação NELF sob estresse, como choque térmico. Crédito: MPI of Immunbiology and Epigenetic, P. Rawat
Toda a vida na Terra desenvolveu várias camadas e redes paragarantir a sobrevivência em eventos catastróficos.Até as células têm seu plano de emergência: a resposta ao choque térmico.Disparado por múltiplos estímulos de estresse, como calor, toxinas ou radiação, este programa de segurança celular tentaprevenirdanos permanentes ao organismo.A resposta se assemelha a uma estratégia geral de ‘bloqueio’ adotada, testemunhada durante a pandemia global do vírus corona.Durante um bloqueio, apenas as atividades essenciais são permitidas e os recursos são desviados para medidas que garantam a minimização do impacto de uma pandemia.
Em condições normais, a RNA polimerase II desce pelo DNA.Nos locais corretos, o DNA é transcrito em mRNA, que é então traduzido em proteínas.Em uma crise, entretanto, essa atividade de transcrição deve parar, na maior parte, para interromper ou minimizar a produção de proteínas não essenciais durantecondições deestresse.“Este movimento libera as capacidades necessárias para aumentar a produção de RNA e proteínas chamadaschaperonas moleculares, que ajudam a lidar com a ameaça e os efeitos do estresse. A questão permanece: como colocar uma célula inteira sob bloqueio?“diz Ritwick Sawarkar, líder do grupo no MPI de Imunobiologia e Epigenética e na Universidade de Cambridge.
Condensação NELF sob estresse – garante atenuação da transcrição do gene
Estudos anteriores do laboratório de Sawarkar deram os primeiros insights sobre o que acontece nas células, quando elas mudam do normal para o de emergência.O estresse causa o acúmulo do fator de alongamento negativo (NELF) no núcleo e interrompe a transcrição em um grande número de genes.Mas como exatamente o regulador transcricional NELF executa a chamada Atenuação Transcricional Induzida por Estresse (SITA) permaneceu desconhecido.
“No início deste projeto, tentamos visualizar a proteína NELF com imagens de células vivas para entender melhor seu papel e regulação. Surpreendentemente, descobrimos que NELF forma puncta ou gotículas sob estresse, enquanto a mesma proteína permanece difundida sobcondições de estresse. Chamamos essas gotículas de condensados NELF“, diz Prashant Rawat, primeiro autor do estudo.Junto com o Laboratório de Patrick Cramer no MPI for Biophysical Chemistry, que poderia recapitular as mesmas gotículas de NELF in vitro com proteínas purificadas recombinantes, as equipes propõem que a condensação biomolecular induzida por estresse facilita um recrutamento aprimorado de NELF para as regiões promotoras dos genes.Aqui, as gotículas NELF presumivelmente bloqueiam a atividade da polimerase e conduzem a regulação negativa da expressão gênica.
As subunidades NELF contêm as chamadas regiões intrinsecamente desordenadas (IDRs).IDRs são as partes de proteínas sem estrutura fixa e atuam como tentáculos.Os cientistas do Max Planck conseguiram mostrar que as interações entre os tentáculos do NELF são essenciais para a condensação.“Muitas moléculas NELF individuais se unem e seus tentáculos se unem fortemente para formar a gota, como se segurassem as mãos uns dos outros. Mas o que mais nos intrigou foi que NELF sempre contém IDRs como parte de sua estrutura, mas só sofre condensação sob estresse“, diz Prashant Rawat.
Usando abordagens moleculares e bioquímicas do genoma e do proteoma, a equipe identificou modificações pós-tradução específicas (PTMs) que são essenciais para a condensação NELF.PTMs são alterações de proteínas após sua síntese e são frequentemente usados por células para responder a estímulos ambientais.Os resultados mostram que duas modificações diferentes tornam os condensados NELF possíveis.“Descobrimos que mudanças contingentes ao estresse na fosforilação de NELF e mais SUMOilação governam a condensação de NELF”, disse Ritwick Sawarkar.
Condensação NELF relevante para aptidão celular
As células que falham em formar as gotículas NELF devido ao IDR prejudicado ou deficiência de SUMOilação tambémfalham em regular negativamente os genes e a transcrição sob estresse.“Se as células não ficarem bloqueadas pela condensação NELF e pela regulação negativa da transcrição, elas arriscam sua aptidão. Nossos dados mostram taxas de morte significativamente maiores de células semcondensaçãoNELF adequadadurante o estresse“, disse Prashant Rawat.
Para Ritwick Sawarkar, esses resultados também destacam os aspectos colaborativos da vida nos Institutos Max Planck.“Esta pesquisa só se tornou possível devido à estreita cooperação. O laboratório de Andrea Pichler no MPI-IE foi fundamental para entender o papel da máquina SUMO, enquanto outra colaboração com o laboratório de Patrick Cramer no MPI-BPC Göttingen poderia recapitular as mesmas gotículas NELF in vitro com purificado recombinante proteico“, diz Ritwick Sawarkar, principal autor do estudo.
Já se especula que a regulação negativa da transcrição induzida por estresse esteja associada a distúrbios neurológicos como Huntington.“Já geramos modelos de camundongos no instituto para estender nossas descobertas in vivo e a modelos de doenças relevantes“, disse Prashant Rawat.A possibilidade de explorar o papel dos condensados NELF em diferentes doenças parece ser um caminho estimulante para pesquisas futuras em laboratório.
[Ênfase adicionada]
Mais informações:Prashant Rawat et al. Stress-induced nuclear condensation of NELF drives transcriptional downregulation.Molecular Cell. February 05, 2021 DOI:doi.org/10.1016/j.molcel.2021.01.016
Nada na biologia é estático. Os processos biológicos flutuam com o tempo e, se quisermos reunir uma imagem precisa das células, tecidos, órgãos etc., devemos levar em consideração seus padrões temporais. Na verdade, esse esforço deu origem a todo um campo de estudo conhecido como “cronobiologia“.
O fígado é um excelente exemplo. Tudo o que comemos ou bebemos é eventualmente processado lá para separar os nutrientes dos resíduos e regular o equilíbrio metabólico do corpo. Na verdade, o fígado como um todo é amplamente regulado pelo tempo, e esse padrão é orquestrado pelo chamado relógio circadiano, o metrônomo interno do nosso corpo, bem como por sinais bioquímicos e ritmos alimentares.
Mas o fígado está realmente dividido em pequenas unidades repetitivas chamadas lóbulos, nas quais zonas distintasdesempenham funçõesdiferentes. Essa intrincada organização espacial é conhecida como ‘zoneamento do fígado‘. Por exemplo, a quebra de açúcares durante a digestão ocorre preferencialmente em um lado do lóbulo, a chamada zona central, enquanto a produção de glicose enquanto descansamos de estoques como gordura, ocorre no outro lado do fígado, no lado do portal.
Até agora, o zoneamento do fígado foi estudado apenas estaticamente, observando o que cada zona faz independentemente do tempo e vice-versa. E dada a importância do fígado na fisiologia dos mamíferos, as duas abordagens de pesquisa devem unir esforços para entender como os programas temporais e espaciais do fígado interagem.
Em um estudo inédito, cientistas da EPFL e do Weizmann Institute of Science, liderados pelos professores Felix Naef da Escola de Ciências da Vida da EPFL e Shalev Itzkovitz do Weizmann, foram capazes de monitorar as mudanças espaciais da expressão gênica nos lóbulos do fígado em relação para o relógio circadiano. O estudo dessa ligação é o foco da pesquisa de Naef, que já havia descoberto conexões entre o relógio circadiano e as proteínas do fígado, nossos ciclos celulares e até mesmo a estrutura 3-D da cromatina, o DNA compactado no núcleo da célula.
Explorando a capacidade de analisar o tecido do fígado em cada célula individual, os pesquisadores estudaram aproximadamente 5.000 genes nas células do fígado em vários pontos de tempo ao longo do dia de 24 horas. Eles então classificaram estatisticamente os padrões de espaço-tempo que descobriram com um modelo que pode capturar variações espaciais e temporais nos níveis de RNA mensageiro (mRNA), um marcador de expressão gênica.
O estudo revelou que muitos dos genes do fígado parecem ser zoneados e rítmicos, o que significa que são regulados por sua localização no fígado e pela hora do dia. Esses genes duplamente regulados estão principalmente ligados a funções-chave do fígado, por exemplo, o metabolismo de lipídios, carboidratos e aminoácidos, mas também incluem alguns genes que nunca foram associados ao metabolismo, por exemplo, genes relacionados a proteínas chaperonas, que ajudam outras biomoléculas mudam sua estrutura 3-D ou mesmo se montam e desmontam.
“O trabalho revela uma riqueza da dinâmica da expressão gênica do espaço-tempo do fígado e mostra como a compartimentação da função hepática no espaço e no tempo é a marca registrada da atividade metabólica no fígado dos mamíferos“, disse Felix Naef.
A vida é difícil para pequenos animais na selva, mas eles têm muitassoluções para os desafios do meio ambiente. Uma das estratégias mais fascinantes é o torpor. Não, para ser confundido com sono ou letargia de domingo à tarde, o torpor é uma respostacomplexa ao custo de vida.
Para entrar em torpor, o animaldiminui seu metabolismo, reduzindo suas necessidades de energia. Um animal entorpecido muitas vezes fica enrolado em uma bola apertada em seu ninho e parece que está dormindo.
Antes pensava-se que ocorria apenas em pássaros e mamíferos no hemisfério norte, onde os invernos são mais pronunciados, agora sabemos que o torpor está disseminado em pequenos mamíferos australianos e também foi observado em muitas espécies de pequenos pássaros australianos.
Mestres do metabolismo
Aves e mamíferos são endotérmicos e podem manter uma temperatura corporal elevada e constante, independente da temperatura ambiente, graças ao seu altoíndicemetabólico. Isso permite que eles estejam ativos em uma ampla variedade de ambientes.
A desvantagem? Essa alta taxa metabólica requer muitos alimentos para abastecê-la. Ao reduzir o metabolismo de forma muito controlada e entrar em torpor, um animal pode viver com menos energia.
Com uma taxa metabólica mais baixa, a temperatura corporal do animal diminui – às vezes em até 30 ° C. O quão baixo ele vai pode depender da extensão da redução metabólica e da temperatura do ambiente imediato do animal. A temperatura corporal reduzida diminui ainda mais a taxa metabólica.
Equidnas usam torpor para economizar energia. Crédito: Shutterstock
Diminuindo a velocidade para sobreviver
O torpor é uma estratégia de sobrevivência extremamente eficaz para pequenos endotérmicos. Por exemplo, pequenos mamíferos foram observados usando torpor após incêndios florestais.
Veja o antechinus marrom, por exemplo. Quando outros animais fogem, esse marsupial de 30g se esconde em refúgios, espera o fogo e usa o torpor para lidar com a redução da disponibilidade de alimentos até que a vegetação local e as populações de invertebrados se recuperem.
Muitos morcegos e marsupiais prenhes e lactantes, e até mesmo a equidna, sincronizam o torpor com a reprodução para fazer frente aos custos energéticos do acasalamento, gestação ou lactação.
Existem dois tipos principais de torpor: torpor diário e hibernação.
Torpor diário
Animais que usam torpor diariamente podem fazê-lo por aproximadamente 3-6 horas por dia, conforme necessário.
O torpor diário é comum, mas não exclusivo para endotérmicos que vivem em áreas áridas, como o dunnart-de-cauda-gorda. Esta espécie é um marsupial carnívoro e tem uma dieta de insetos e outros invertebrados, que podem ser escassos no inverno.
Pesando aproximadamente 12 gramas quando adulto, o dunnart-de-cauda-gorda pode precisar comer seu peso corporal em alimentos todos os dias. Quando é difícil encontrar comida suficiente, usa o torpor; forrageando no início da noite e entrando em torpor no início da manhã. Os dunnarts-de-cauda-gorda reduzem sua taxa metabólica e, subsequentemente, sua temperatura corporal, de 35 ° C para aproximadamente 15 ° C, ou a temperatura de seu ninho subterrâneo.
O antechinus marrom usa torpor para lidar com a disponibilidade reduzida de alimentos após o incêndio florestal. Crédito: Shutterstock
Hibernação
Animais que hibernam reduzem ainda mais sua taxa metabólica e têm episódios de torpor mais longos do que aqueles que usam o torpor diário. Um exemplo de hibernador australiano é o gambá-pigmeu oriental, um marsupial de 40g encontrado no sudeste da Austrália que hiberna regularmente, diminuindo sua temperatura corporal de aproximadamente 35 ° C para tão baixo quanto 5 ° C.
Quando ativa, esta espécie pode sobreviver por menos de meio dia com 1g de gordura, mas quando hibernando, pode sobreviver por duas semanas.
Se não fosse pelos aumentos periódicos na taxa metabólica e na temperatura corporal, um gambá pigmeu em hibernação poderia viver por bem mais de três meses com 1g de gordura. No entanto, o propósito exato desses despertares periódicos é desconhecido.
A taxa metabólica durante a hibernação do gambá pigmeu é apenas 2% da taxa metabólica mínima que os endotérmicos em uma temperatura corporal normal precisam para viver. Este metabolismo basal é denominado taxa metabólica basal.
Com aproximadamente 120kg, sua taxa metabólica durante a hibernação diminui para 25% da taxa metabólica basal, e a temperatura corporal diminui de aproximadamente 37 ° C para 30 ° C. Os ursos negros não podem hibernar com uma temperatura corporalmais baixa, talvez porque levaria muito tempo para reduzi-la e, em seguida, custaria muita energia para reaquecer no final da hibernação.
Os humanos podem fazer isso?
A pergunta que as pessoas costumam fazer sobre o torpor é “os humanos podem fazer isso?” Curiosamente, alguns pequenos primatas foram observados usando torpor. Embora seja tecnicamente possível induzir quimicamente o torpor em humanos, o torpor é um processo fisiológico muito complexo, e há muitos aspectos dele que os cientistas ainda não entendem completamente.
Lidando com a mudança climática
A vida selvagem da Austrália desenvolveu estratégias para lidar com a vida em um ambiente frequentemente hostil, afetado por secas de vários anos, inundações que alteram a paisagem e incêndios florestais generalizados.
Prevê-se que as mudanças climáticas aumentem a duração, frequência e gravidade desses eventos e, em conjunto com o desmatamento da paisagem, os animais enfrentam novos desafios ambientais e de recursos.
Enquanto os animais que usam torpor diário flexível podem ser bem adequados para lidar com essas épocas, pelo menos a curto prazo, os hibernadores que dependem de invernos longos estão em maior risco.
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