Revolução na biologia? O código bioelétrico além dos genes
(bitsofwonder.co)- A pesquisa de Michael Levin propõe que o desenvolvimento biológico não seja visto apenas de forma centrada nos genes, mas que as células coordenam a estrutura do corpo por meio de redes bioelétricas
- Em experimentos com planárias, o potencial de repouso da membrana e o estado elétrico relativo das células estiveram envolvidos na regeneração de cabeça e cauda, e foi possível alterar a estrutura corporal com fármacos que bloqueiam canais iônicos específicos
- Algumas mudanças em planárias persistiram sem edição genética, e estruturas com duas cabeças foram transmitidas às gerações seguintes sem manipulação adicional
- A mesma abordagem foi expandida para membros extras e olhos em posições anormais em sapos, biobots que se movem e se autorreplicam, e biobots baseados em células humanas capazes de curar neurônios danificados
- Se células, tecidos e órgãos também puderem ter uma inteligência coletiva capaz de mudar os meios para alcançar objetivos, o escopo da pesquisa em biotecnologia e ciência cognitiva poderá se ampliar bastante
Como uma única célula se torna um corpo
- Para que um único óvulo fertilizado se desenvolva em embrião e adulto, é preciso formar a disposição e a conexão de ossos, pele, músculos, órgãos e cerca de 100 bilhões de neurônios
- Máquinas são montadas por pessoas com base em projetos, mas no desenvolvimento biológico não existe um centro de controle central que observe o corpo inteiro e dê ordens a cada parte
- A biologia tradicional em geral se aproximou de uma estrutura bottom-up, na qual mecanismos moleculares produzem funções celulares, e funções celulares produzem órgãos e o corpo
- Desde o sequenciamento do genoma humano em 2003, muitas pesquisas se concentraram em como genes e vias químicas determinam estruturas biológicas de alto nível
- O ponto central de Levin é que os genes contêm muita informação necessária para construir o corpo, mas não são o único nível de abstração para compreender e intervir no desenvolvimento
- Na analogia com programação, os genes estariam mais próximos de código de máquina, enquanto programadores modernos lidam com construções de nível mais alto como objetos, módulos e aplicações
- A biologia também teria camadas superiores de controle significativas, e uma delas seria a rede bioelétrica
Redes bioelétricas e regeneração em planárias
- Neurônios se comunicam em rede por padrões elétricos da membrana e neurotransmissores, mas as células do corpo inteiro também possuem os mesmos componentes de comunicação e trocam sinais, só que mais lentamente
- Levin e colegas chamam isso de rede bioelétrica, para distingui-la de uma rede neural
- A planária é um organismo de cerca de 2 cm de comprimento que não envelhece, não desenvolve câncer e consegue regenerar cada parte do corpo mesmo quando é cortada em mais de 250 pedaços
- A questão central da regeneração é como cada fragmento cortado distingue quais partes do corpo já possui e quais precisa criar
- Existe um gradiente de potencial de repouso da membrana nas células do corpo inteiro
- As células rastreiam sua posição no corpo por meio desse estado elétrico
- Os experimentos mostraram que a posição do estado elétrico de uma célula em relação ao restante do corpo participa da decisão entre regenerar cabeça ou cauda
- A capacidade de regeneração também depende dos neoblasts, células-tronco adultas que podem representar até 30% do corpo da planária
- Nem todos os biólogos concordam com a centralidade das redes bioelétricas, e Alfonso Martinez Arias considera que a atenção deveria se concentrar mais na capacidade das células-tronco
Experimentos que mudaram a estrutura corporal sem alterar genes
- A equipe de Levin colocou planárias em uma solução com fármacos que bloqueiam canais iônicos específicos para alterar o estado elétrico das células, levando-as a formar não uma, mas duas cabeças
- Em experimentos da mesma linha, também houve casos em que nenhuma cabeça se formou ou em que surgiu a cabeça de outra espécie de verme
- Esses vermes não tiveram seus genes editados, e todos eram organismos vivos funcionais, mas com estrutura corporal diferente
- Algumas mudanças foram persistentes, e planárias com duas cabeças continuaram produzindo descendentes com duas cabeças sem drogas ou manipulações adicionais
- Essa linhagem de planárias se reproduz por fissão, dividindo o corpo em duas partes
- O resultado sugere que é possível produzir mudanças permanentes na estrutura do corpo sem modificar genes e, na visão de Levin, isso corresponde a uma abordagem de decifrar o código bioelétrico do corpo
Controle do desenvolvimento expandido para sapos, olhos e biobots
- O laboratório de Levin e outros pesquisadores produziram vários exemplos de controle do desenvolvimento por regulação de redes bioelétricas
- Desenvolveram membros extras em sapos
- Criaram olhos no intestino de sapos e olhos funcionalmente capazes de ver na cauda
- O objetivo final imaginado por Levin é um compilador anatômico que, ao receber o projeto de um órgão ou corpo arbitrário, produza o conjunto de sinais químicos e elétricos necessário para construir esse órgão
- A ideia é fornecer descrições de alto nível, como “um olho extra na cauda”, em vez de especificar toda a microestrutura detalhada, algo comparado a um DALL-E da biologia
- No longo prazo, cogita-se aplicação em problemas biomédicos como trauma, defeitos congênitos, doenças degenerativas, câncer e envelhecimento
- Ainda assim, esse tipo de sistema é uma possibilidade muito especulativa e distante, e seu desenvolvimento pode levantar muitos problemas éticos
Inteligência e adaptabilidade no desenvolvimento
- Na visão mais ampla de Levin, “inteligência” e “cognição” não estariam limitadas aos neurônios do cérebro, podendo se aplicar a mais camadas da biologia
- Experimentos em que os órgãos faciais de girinos são embaralhados manualmente, mas durante a maturação migram para as posições corretas, sugerem que o corpo em desenvolvimento pode se mover em direção a um estado-alvo
- Como essa situação de “picasso frogs” dificilmente teria surgido no ambiente evolutivo, interpreta-se que não se trata apenas de um procedimento geneticamente hardcoded para uma situação específica
- Levin define inteligência como a capacidade de atingir o mesmo objetivo por meios diferentes
- Casos relacionados aparecem em vários níveis biológicos
- Se um embrião é dividido cirurgicamente em duas partes, ele não se desenvolve em dois meios-corpos, mas em dois gêmeos saudáveis
- Mesmo quando células de salamandra são artificialmente aumentadas, os túbulos renais se desenvolvem até o mesmo tamanho objetivo usando menos células
- Quando as células ficam maiores, a salamandra pode até formar túbulos feitos de uma única célula dobrada para dentro
Criatividade, agência e inteligência coletiva
- Sistemas biológicos não apenas recuperam a mesma função após sofrer perturbações, como também podem adotar novas funções quando recebem sinais adequados
- A equipe de Levin deu sinais específicos a células da pele de embriões de sapo e criou biobots autorreplicantes que se movem sozinhos
- Também nesse caso não houve modificação genética; o método consistiu em aplicar fármacos a células-tronco comuns
- Mais recentemente, foram criados biobots móveis a partir de células de tecido pulmonar humano adulto, e mostrou-se que eles podem curar neurônios danificados
- Entre as aplicações potenciais estão atacar células cancerosas, limpar toxinas ambientais e curar tecido nervoso degenerado
- Levin considera que, mesmo antes do surgimento do cérebro, a evolução pode ter encontrado agência e processamento inteligente de informação em subsistemas como a morfogênese, colônias bacterianas e redes genéticas
- Se encararmos células e grupos de células como sistemas dotados de inteligência inata, abre-se uma linha de pesquisa para usar essa inteligência em objetivos intencionais
Expansão do escopo da ciência cognitiva
- Se cérebro, órgãos e células compartilham os mesmos componentes cognitivos básicos, ferramentas e ideias podem ser compartilhadas entre áreas
- A “ciência cognitiva” poderia se expandir além do estudo dos neurônios cerebrais para incluir todos os tipos de células que se coordenam em conjunto e, de forma mais ampla, todos os coletivos
- Já foram estudadas abordagens que tratam o câncer como um “transtorno dissociativo de identidade” de um coletivo celular, assim como o fenômeno de colônias de formigas caírem em tipos de ilusão visual semelhantes aos do cérebro
- Levin vê toda inteligência como inteligência coletiva
- Diferentes inteligências seriam formadas pela combinação de muitas subunidades, cada uma com suas próprias capacidades e subinteligências
- O indivíduo humano também é um coletivo em que cerca de 100 bilhões de neurônios e trilhões de outras células cooperam
- O corpo é uma sociedade de células, e a conexão entre sociedades humanas e sociedades celulares dentro do corpo pode ser mais do que uma simples metáfora
1 comentários
Opiniões do Hacker News
A perspectiva de Michael Levin está ficando bem próxima da autopoiese (autopoiesis) de Humberto Maturana e do bombeamento de prótons de Nick Lane.
Autopoiese não é um conceito fácil, mas uma de suas ideias centrais é que, mais do que os detalhes da estrutura, importa a preservação das relações que permitem continuar repondo os próprios componentes. Não é exatamente novidade que as planárias sejam altamente adaptáveis.
Nick Lane enfatiza a bioenergética e o bombeamento de prótons através de membranas mais do que o DNA, e em seu livro recente, “Transformer”, trata do ciclo de Krebs e das mitocôndrias como elementos centrais da vida. Lane é muito fácil de ler, enquanto Maturana é quase hermético.
Li o texto em questão com prazer, mas fico desconfortável com a redução do desenvolvimento à “bioeletricidade”. Embora seja uma perspectiva complementar, não sei se ela nos levará mais longe do que a velha biologia molecular do desenvolvimento.
É difícil encontrar, em outras áreas, um autor com quem se possa aprender tanto sem que pareça trabalho de verdade.
Acredito que, ao sair de uma visão centrada na massa e ir para a completude matemática da radiação eletromagnética idealizada na engenharia elétrica, seu valor aparece nas aplicações teóricas.
Fiz uma simulação do crescimento de uma árvore usando autômatos celulares programáveis. Cada célula executa operações como replicação de acordo com as condições ao redor e sua idade/número de iterações.
Com essa técnica, também é possível fazer organismos mais complexos crescerem. Dá para testar aqui: https://acionescu.github.io/digitalfire/WebContent/
Um fato importante está escondido na nota de rodapé 5. Quando uma planária de duas cabeças gera descendentes de duas cabeças, ela se reproduz por fissão, não botando ovos.
Ou seja, essa característica fisiológica não é transmitida pelos genes. Se fosse transmitida geneticamente, seria um fato lamarckista bastante surpreendente.
Planárias geralmente usam tanto reprodução sexuada quanto assexuada, isto é, tanto óvulos e espermatozoides quanto a divisão do próprio corpo.
A redação do texto é um pouco exagerada. Já existem vários casos em que gradientes participam da formação de padrões; o potencial elétrico é apenas uma área de pesquisa relativamente nova
Há o gradiente químico baseado na sinalização WNT no desenvolvimento da drosófila, o gradiente químico de SHH (sonic hedgehog) na formação de padrões dos membros e na assimetria do eixo corporal, e também a sinalização por auxina no desenvolvimento de plantas
O famoso artigo de Alan Turing dos anos 1950 também tratava de mecanismos de reação-difusão para a formação de padrões. Para que a evolução crie padrões reproduzíveis, é preciso começar com algum tipo de gradiente e conectá-lo à transcrição gênica
No caso da drosófila, é um gatilho químico que chega ao núcleo por meio da sinalização WNT; no caso dos platelmintos, quem impulsiona o processo é um gradiente de polarização de membrana em vez de um gradiente químico. Os padrões que podem ser produzidos por despolarização elétrica parecem ser mais simples do que as interações químicas, porque perdem as interações interessantes que surgem em sistemas de reação-difusão
Na prática, o estado descrito é determinado pelas concentrações de vários íons e moléculas dentro e fora do corpo do animal. Como íons atômicos e moléculas eletricamente carregados estão envolvidos, uma distribuição de potencial surge como resultado de mudanças nas concentrações químicas, e esse potencial funciona mais como um mecanismo que acopla várias concentrações químicas entre si
Um mesmo “estado bioelétrico”, isto é, uma mesma distribuição de potencial, pode surgir de distribuições iônicas diferentes, e é bem provável que estados elétricos aparentemente iguais tenham comportamentos reais bastante diferentes
É parecido com semicondutores: não dá para simular o funcionamento só pela distribuição de carga; é preciso considerar separadamente as concentrações de vários portadores de carga, como elétrons, lacunas e defeitos cristalinos fixos
À medida que um organismo cresce, como as células sabem o que fazer no tempo e no espaço, e como essa lógica é codificada no genoma?
Eric Davidson fez um trabalho pioneiro ao “depurar” minuciosamente essa lógica genômica espaço-temporal em ouriços-do-mar, e é realmente impressionante. Eucariotos como nós têm não só elementos regulatórios imediatamente a montante dos genes, mas também elementos regulatórios a centenas de milhares de pares de bases de distância
Na região de DNA logo antes da fase de leitura aberta no início de um gene, normalmente há motivos de DNA aos quais se ligam proteínas que aumentam ou reduzem a expressão gênica; Davidson e outros mostraram que outra camada de proteínas se liga sobre os fatores de transcrição ligados a esses motivos regulatórios, e que essa sequência secundária de proteínas recruta uma terceira camada de proteínas, regulando condicionalmente a expressão conforme a identidade celular
As camadas secundária e terciária codificam uma hierarquia de operações lógicas, portanto podem ser vistas literalmente como uma espécie de abstração. Uma visão geral de acesso aberto que explica o conceito em mais detalhes para leitores gerais é “ERIC DAVIDSON: STEPS TO A GENE REGULATORY NETWORK FOR DEVELOPMENT”, de Ellen Rothenberg: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4828313/
Para ver a lógica decodificada em pseudocódigo e diagramas, veja “cis-Regulatory control circuits in development”, de Howard e Davidson: https://doi.org/10.1016/j.ydbio.2004.03.031
Perguntei sobre o assunto a um LLM com base no meu conhecimento básico de neurociência, enraizado no entendimento atual de memória, aprendizado e potenciais de ação, mas a pesquisa parece pouco desenvolvida e dispersa, então é difícil ter certeza de que a resposta está correta
Quero entender exatamente o que é um gradiente de voltagem, como ele difere de um potencial de ação e como processos no nível celular se conectam a sistemas maiores. Por exemplo, quero saber se SHH é usado não só na formação de padrões, mas também na regeneração de membros; se em membros normais ele fica dormente; se isso ocorre em células de membros ou em células cerebrais; e quais artigos esclareceram isso
Claude explicou, na regeneração de membros em anfíbios, canais de prótons Hv1 dependentes de voltagem, a despolarização de células epiteliais no local da amputação, gradientes de pH e de prótons, gradientes de cálcio e sódio, a propagação de sinais bioelétricos de longa distância por junções comunicantes e padrões de gradientes de voltagem e íons que determinam o resultado da regeneração
Também respondeu que gradientes de voltagem ou campos bioelétricos não são um único valor de voltagem em um ponto, mas padrões de diferenças de voltagem distribuídas espacialmente, e que potenciais de ação são diferentes por serem a diferença de voltagem entre os dois lados da membrana celular em um momento específico. Ainda assim, fica a sensação de que algo essencial está sendo “varrido para debaixo do tapete”
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É surpreendente que a informação necessária para criar uma pessoa seja de cerca de 750 MB, mesmo sem compressão. Por exemplo, incluindo até detalhes muito específicos, como a forma exata da escápula ou medo de aranhas
Se você colocasse 10 óvulos fecundados idênticos em 10 pessoas diferentes, não surgiriam 10 clones, como as pessoas costumam imaginar, mas 10 seres humanos diferentes. Isso porque não só a genética da mãe, mas também dieta, estilo de vida e histórico anterior influenciam muito o desenvolvimento fetal inicial
Não sabemos quantos dados seriam necessários para descrever completamente uma célula viva. Como não é possível criar uma célula apenas com DNA, sem uma célula pré-existente, as informações necessárias não estão só no DNA
Quando uma célula se divide ou se reproduz, o nanorrobô inteiro é copiado com pequenas modificações. O DNA informa como modificar o nanorrobô copiado, e também é possível reprogramar qualquer célula de volta ao seu estado original
Ninguém sabe como construir do zero esse nanorrobô que é a célula. Assim como um programa de computador não contém instruções para fabricar um computador, essa informação não está no DNA
Além disso, ainda estamos apenas arranhando a superfície da epigenética
Uma formulação do tipo “seu trabalho foi apresentado em vários lugares, da Scientific American ao podcast de Lex Fridman e à The New Yorker” soa estranha como forma de falar de realizações científicas
Se dissesse que ele publicou artigos em lugares como Lancet, Nature ou Science, o peso científico ficaria claro; mas ter sido apresentado em veículos de divulgação científica, podcasts famosos e revistas para o público geral mostra apenas quão bem a pesquisa pode ser explicada ou vendida, não a robustez dela
O trecho “fez sapos criarem membros extras ou olhos realmente visíveis no intestino ou na cauda” provoca reações contraditórias
Uma é “a ciência é realmente incrível!”, e a outra é “pobres sapos, que coisa horrível”
O título é muito ruim. Acho que um título melhor seria algo como Bioelectric Signals Guide Body Development and Regeneration
Ele usou células brônquicas humanas, não células pulmonares
Segundo ele, “porque são um dos poucos tecidos do corpo com cílios móveis”
Por isso conseguem se deslocar
[0] https://twitter.com/drmichaellevin/status/173042805284737055...