quinta-feira, 10 de setembro de 2015

Lâmpadas vivas

Sobrevivente de Nagasaki e Prémio Nobel da Química, Osamu Shimomura, um investigador japonês estabelecido nos Estados Unidos, dedicou a vida ao estudo da bioluminescência. As suas descobertas encontraram aplicações na medicina, na genética e na biotecnologia.

Shimomura diminui a intensidade da luz no laboratório, retira um punhado de bichinhos secos, que parecem estar a transformar-se em pó, de um frasco marcado com a etiqueta Cypridina-1944, coloca-os num almofariz, acrescenta água e começa a moer. Em breve, brota do recipiente uma suave luminescência azul, que se intensifica à medida que se aplica maior pressão. O fulgor deste ser marinho (Cypridina luciferin, do grupo dos ostracodes, um género de crustáceos microscópicos) iluminou o caminho do investigador, de 82 anos, desde os dias negros do pós-guerra no Japão até à conquista do Prémio Nobel da Química, em 2008. O professor jubilado do Marine Biological Laboratory, no Massachusetts, é responsável pela descoberta da proteína verde fluorescente (GFP), “uma das ferramentas mais importantes da biologia moderna”, de acordo com a Academia sueca.

A proteína pode ser encontrada na Aequorea victoria, uma alforreca bioluminescente, isto é, com capacidade para gerar a sua própria luz. A descoberta revolucionou a biologia molecular em 1961 e, hoje, é possível manipular esse “farol” químico para iluminar o interior da célula.

Graças a Osamu Shimomura (e a Martin Chalfie e Roger Y. Tsien, que partilharam o Nobel), a GFP pode ser introduzida numa célula viva para observar as suas alterações e compreender, por exemplo, a organização dos neurónios, a propagação de um tumor ou a interacção das proteínas entre si. “A GFP foi uma consequência acidental do meu trabalho. O objectivo inicial era a aequorina, a proteí­na da Aequorea que produz luz azul. Queria compreen­der o processo químico da emissão de luz pe­los animais, fundamental para a ciência”, explica.

A aventura começara décadas atrás com a Cypridina, muito abundante no Japão. Na década de 1940, os soldados nipónicos recorriam à sua luz para ler os mapas de noite, nos campos de batalha; para isso, bastava deitar algumas gotas de saliva num pouco de pó de Cypridina moída. A bioluminescência deste crustáceo produz-se pela oxidação do pigmento luciferina e pela acção da enzima catalizadora luciferase. Determinar a natureza e o funcionamento de ambos os elementos tornou-se o Santo Graal da bioquímica de então.

O jovem Shimomura cresceu num dos períodos mais difíceis da história do seu país. O pai, coronel do Exército, levou a família para longe de Osaka durante a Segunda Guerra Mundial, pois receava que a cidade fosse alvo de bombardeamentos. Instalaram-se numa casa a dez quilómetros de Nagasaki... “No primeiro dia da escola secundária, disseram-nos que não ia haver aulas porque os alunos tinham de ir trabalhar na indústria bélica, pelo que fui parar a uma fábrica de aviões nos arredores de Nagasaki”, recorda. “A fábrica foi atacada pelos caças B-29 norte-americanos com bombas de magnésio e vi morrer muitos dos meus colegas. No dia 9 de Agosto de 1945, as sirenes voltaram a tocar como sempre.” Do topo de uma colina, viu um único avião inimigo lançar três pequenos pára-quedas com objectos alongados. “Quando voltei ao trabalho, uma luz intensa invadiu o interior do edifício e cegou-me temporariamente. Menos de um minuto depois, soou uma explosão e a onda de choque causou-me dor nos ouvidos. Depois, tudo se tornou cinzento. No regresso a casa, caía uma chuva negra. Quando cheguei, a minha avó tirou-me a roupa e deu-me banho. Talvez me tenha salvo da radiação.”

No pós-guerra, não havia futuro para os jovens no Japão. Muitos professores tinham sido mortos nos bombardeamentos, pelo que Shimomura não conseguiu concluir o ensino secundário. Embora continuasse a estudar por sua conta, as tentativas para se matricular na universidade foram rejeitadas. Um dia, deslocou-se à de Nagoya para pedir emprego a um professor catedrático, mas este tinha viajado. Deambulando, desiludido, pelos corredores da Faculdade de Química, deparou com o professor Yoshimasa Hirata, meio surdo e bastante distraído, que supôs que o jovem queria trabalhar para ele. “Podes vir para o meu laboratório para me ajudares a isolar e purificar compostos.” Shimomura aceitou de imediato.

No primeiro dia, Hirata pegou numa pequena quantidade de Cypridina seca, fê-la refulgir de azul e disse-lhe: “Não sabemos nada sobre isto. Começa por isolar e estudar a luciferina deste organismo.” Shimomura conta: “Comecei a trabalhar tendo como única ajuda a pouca literatura existente, quase toda em inglês. Sabia apenas que a luciferina era o combustível que causava a bioluminescência, mas ignorava se se tratava de uma proteína, de um açúcar, de um aminoácido ou de outro tipo de molécula desconhecida. Das dezenas de milhares de substâncias que compõem a Cypridina, teria de isolar uma que fosse altamente instável, que se degradasse rapidamente quando exposta ao oxigénio.”

Fez as experiências em câmaras de hidrogénio, um gás perigoso devido à sua natureza explosiva. Cada tentativa exigia uma semana de trabalho mas, embora a amostra fosse mais pura do que a anterior, não conseguia que a luciferina se cristalizasse. Até que, uma tarde, deixou por acaso uma pequena quantidade da substância num meio muito ácido. No dia seguinte, observou, espantado, que se tinha formado uma camada de cristais vermelhos na solução. Eureka! Tinha conseguido.

No final dos anos 50, aceitou uma oferta de emprego da Universidade de Princeton e não tardaria a sentir-se fascinado pelos lampejos luminescentes da Aequorea, muito abundante na costa norte-americana do Pacífico. Durante um Verão que passou a trabalhar num laboratório de Vancouver, Shimomura e a mulher, Akemi (também especializada em biologia marinha) pescaram 9000 alforrecas com redes de limpar piscinas. Extraíam das medusas as tiras de órgãos bioluminescentes com tesouras, envolviam-nos em panos de algodão e espremiam-nos para extrair o líquido luminoso, que podia brilhar durante várias horas. Contudo, suspendiam a reacção e separavam a luciferina da luciferase o mais depressa possível.

“Se a revolução molecular se tivesse verificado antes, Shimomura não teria tido necessidade de apanhar tantos espécimes, pois poderia ter reproduzido a proteína em grande quantidade dentro de uma bactéria, como é actualmente feito pelos laboratórios”, escreveu o oceanógrafo David Gruber. O certo é que a descoberta foi feita a tempo: se os seus estudos se tivessem prolongado, já não teria encontrado um único exemplar da alforreca, actualmente extinta nas águas do Pacífico.

Por fim, descobriu que o segredo da bioluminescência da Aequorea era uma fotoproteí­na, que baptizou com o nome de aequorina: ao ser activada com cálcio, emitia uma luz azul. “A medusa geria a concentração deste elemento nas suas células para controlar a produção luminosa”, explica Shimomura. “Quando a incomodam, o nível de cálcio sobe e acende-se o alarme, que parece um néon intermitente.” Em 1961, observou que a luminosidade da medusa, contemplada sob luz ultravioleta, adquiria uma tonalidade esverdeada, devido à acção da GFP, que emite bioluminescência na zona verde do espectro visível. O facto de a GFP estar relacionada com o nível de cálcio é determinante: a mobilidade deste elemento desempenha um papel fundamental em muitos processos biológicos, como a contracção muscular, a transmissão de impulsos nervosos, a libertação de neurotransmissores, a divisão celular ou a segregação de insulina. A possibilidade de “aplicar a fluorescência molecular para seguir a rota do cálcio permite melhorar o conhecimento sobre numerosas doenças”.

Na década de 80, Martin Chalfie, neurobiólogo de Harvard, quis saber se seria possível implantar a GFP da alforreca no verme Caenorhabditis elegans, de forma a poder sintetizar a proteína e produzir luz. Assim, poder-se-ia observar em directo os genes que intervêm na bioluminescência. Chalfie tinha razão: a GFP podia fazer brilhar criaturas diferentes da Aequorea. Era perfeita para a revolução da biologia molecular e foi de imediato usada em experiências com genes de diversas plantas, rãs, peixes, cabras, ratos, macacos...

O bioquímico norte-americano de origem chinesa Roger Y. Tsien foi ainda mais longe e propôs-se estudar a célula como se esta fosse uma cidade e quisesse espiar os seus habitantes nos afazeres quotidianos: tratava-se de observar como nascem as moléculas de proteínas e como se modificam, viajam, colaboram, competem e chegam mesmo a “assassinar” outras. O seu estudo é semelhante a uma antropologia celular. Tsien pretendia inventar técnicas vi­suais com tintas fluorescentes que permitissem aos neurofisiólogos observar o cérebro sem necessidade de abrir a cabeça dos doentes. “Os corantes modificam a intensidade de fluorescência na presença de iões de cálcio livres dentro da célula, tal como se verifica com a alforreca Aequorea para produzir luz. Os iões de cálcio colam-se às proteínas e fazem-nas agir. Só é possível estudar o processo em células vivas”, explica Gruber.

Tsien descreveu a estutura da molécula da GFP, o que lhe permitiu combinar os 238 aminoácidos da proteína e inventar mutações. Foi assim que encontrou a fórmula para criar uma proteína sintética superbrilhante, bastante mais visível do que a natural, e tintas de todas as cores, de modo que o interior da célula, quando se pretende estudar as proteínas, mais parece um quadro de arte contemporânea.

Hoje, oncologistas, imunologistas, virulogistas, neurobiólogos, biólogos celulares e botânicos recorrem às proteínas fluorescentes de Tsien, que refulgem alegremente dentro de todo o género de cobaias. São produzidas em massa na empresa Aurora Biosciences, que lhe pertence e cujo capital ultrapassa os 1500 milhões de dólares. Alguns laboratórios fabricam criaturas de ficção científica, como ratos com caudas e orelhas verdes, gatos que irradiam uma suave tonalidade azul iridiscente e coelhos cor-de-rosa. Há mais de 24 mil estudos publicados sobre a GFP e suas aplicações. Shimomura ouve o número, sorri e repete o mantra com que começava as suas aulas: “Nunca te dês por vencido. Se encontrares um tema interessante, estuda-o até ao fim. Se enfrentares dificuldades, ultrapassa-as. Não desanimes.”

Brilho selectivo
No início de Junho, o Instituto Tecnológico do Massachusetts anunciou um novo método para marcar moléculas com fluorescência, que irá permitir observar a actividade celular como nunca aconteceu antes. O facto é que a molécula da proteína verde fluorescente é tão grande (possui 238 aminoácidos) que pode interferir no trabalho normal de outras proteínas que também se queira estudar. O método, denominado PRIME (sigla de probe incorporation mediated by enzymes), baseia-se na enzima ligase fluoróforo, que é geneticamente acrescentada a cada célula que se pretende observar. A nova sonda emite uma fluorescência azul, é muito menor do que a GFP e não dificulta a passagem das proteínas submetidas a vigilância, que podem entrar livremente no núcleo da célula sem ter de ofuscá-la. A enzima “sabe” que só deve aplicar a fluorescência às proteínas que se encontram em determinadas re­giões celulares, e não a todas.


Super Interessante
A.P.S.
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