O ano da biologia

Nossas memórias são a pedra angular da nossa identidade. A sua importância é uma grande parte do que torna a doença de Alzheimer e outras formas de demência tão cruéis e comoventes. É por isso que esperávamos tão desesperadamente que a ciência conseguisse uma cura para a doença de Alzheimer, e é por isso que é tão frustrante e trágico que tratamentos úteis tenham demorado a surgir. Grande entusiasmo cercou, portanto, o anúncio, em Setembro, de que um novo medicamento, o lecanemab, retardou a progressão da doença em ensaios clínicos. Se for aprovado pela Food and Drug Administration, o lecanemab tornar-se-á apenas o segundo tratamento para a doença de Alzheimer que neutraliza a proteína beta-amilóide, que é amplamente considerada a causa da doença. 

No entanto, os efeitos do lecanemab são tão marginais que os investigadores debatem se o medicamento irá realmente fazer uma diferença prática para os pacientes. O facto de o lecanemab se destacar como um ponto positivo mostra quão sombria tem sido a história da investigação sobre tratamentos para a doença de Alzheimer. Entretanto, uma compreensão mais profunda da biologia em jogo está a alimentar o interesse nas principais teorias alternativas sobre as causas da doença.

A especulação sobre como a memória funciona é pelo menos tão antiga quanto Platão, que num dos seus diálogos socráticos escreveu sobre “o dom da Memória, a mãe das Musas”, e comparou o seu funcionamento a um carimbo de cera na alma. Podemos estar gratos pelo facto de a ciência ter melhorado enormemente a nossa compreensão da memória desde a época de Platão – com os carimbos de cera, com os “engramas” de mudanças nos nossos neurónios. Somente no ano passado, os pesquisadores fizeram avanços emocionantes no sentido de aprender como e onde residem os diferentes aspectos de nossas memórias no cérebro. O mais surpreendente é que eles encontraram até mecanismos bioquímicos que distinguem as lembranças boas das ruins.

Como somos criaturas com cérebro, muitas vezes pensamos na memória em termos puramente neurológicos. No entanto, um trabalho publicado no início de 2022 por investigadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia sugere que mesmo células individuais em tecidos em desenvolvimento podem conter alguns registos da história da sua linhagem. Estas células estaminais parecem confiar nessas informações armazenadas quando são confrontadas com decisões sobre como se especializarem em resposta a estímulos químicos. Os avanços na biologia ao longo do ano passado também revelaram muitas outras surpresas, incluindo informações sobre como o cérebro se adapta à insuficiência alimentar prolongada e como as células em migração seguem um caminho através do corpo. Vale a pena relembrar alguns dos melhores trabalhos desse trabalho antes que as revelações do próximo ano nos dêem uma nova perspectiva sobre nós mesmos.

Muitas pessoas ligadas à doença de Alzheimer, quer através da investigação, quer através de laços pessoais com os pacientes, esperavam que 2022 fosse um ano marcante. Os principais ensaios clínicos revelariam finalmente se dois novos medicamentos que abordam a causa raiz da doença funcionavam. Os resultados infelizmente ficaram aquém das expectativas. Um dos medicamentos, o lecanemab, mostrou potencial para retardar ligeiramente o declínio cognitivo de alguns pacientes, mas também foi associado a efeitos secundários por vezes fatais; o outro, gantenerumabe, foi considerado um fracasso total. 

Os resultados decepcionantes encerram três décadas de investigação fortemente baseada na teoria de que a doença de Alzheimer é causada por placas de proteínas amilóides que se acumulam entre as células cerebrais e as matam. Evidências crescentes sugerem, no entanto, que a amiloide é apenas um componente de um processo de doença muito mais complexo isso envolve inflamação prejudicial e mau funcionamento na forma como as células reciclam suas proteínas. A maioria dessas ideias existe há tanto tempo quanto a hipótese amilóide, mas estão apenas começando a receber a atenção que merecem.

Na verdade, as agregações de proteínas em torno das células estão começando a parecer uma fenômeno quase universal no envelhecimento dos tecidos e não numa condição peculiar à amiloide e à doença de Alzheimer, de acordo com o trabalho de investigadores da Universidade de Stanford, anunciado numa pré-impressão na primavera passada. A observação pode ser mais uma prova de que o agravamento dos problemas com o gerenciamento de proteínas pode ser uma consequência rotineira do envelhecimento das células.

Os neurocientistas há muito entendem muito sobre como as memórias se formam – em princípio. Eles sabem que, à medida que o cérebro percebe, sente e pensa, a atividade neural que dá origem a essas experiências fortalece as conexões sinápticas entre os neurônios envolvidos. Essas mudanças duradouras nos nossos circuitos neurais tornam-se os registos físicos das nossas memórias, tornando possível reevocar os padrões eléctricos das nossas experiências quando são necessários. Os detalhes exatos desse processo ainda são enigmáticos. No início deste ano, isso mudou quando pesquisadores da Universidade do Sul da Califórnia descreveram uma técnica para visualizando essas mudanças tal como ocorrem num cérebro vivo, que costumavam observar um peixe aprender a associar um calor desagradável a um sinal luminoso. Para sua surpresa, embora este processo tenha fortalecido algumas sinapses, eliminou outras. 

O conteúdo informativo de uma memória é apenas parte do que o cérebro armazena. As memórias também são codificadas com uma “valência” emocional que os categoriza como uma experiência positiva ou negativa. No verão passado, os investigadores relataram que os níveis de uma única molécula libertada pelos neurónios, chamada neurotensina, parecem funcionar como sinalizadores para essa marcação. 

A vida na Terra começou com o primeiro aparecimento de células há cerca de 3.8 mil milhões de anos. Mas, paradoxalmente, antes de existirem células, deve ter havido coleções de moléculas fazendo coisas surpreendentemente realistas. Ao longo da última década, investigadores no Japão têm conduzido experiências com moléculas de ARN para saber se um único tipo de molécula replicante poderia evoluir para uma multidão de replicadores diferentes, como os investigadores sobre a origem da vida teorizaram que deve ter acontecido na natureza. Os cientistas japoneses descobriram que esta diversificação ocorreu, com várias moléculas coevoluindo em hospedeiros e parasitas concorrentes que ascendiam e desciam em domínio. Em março passado, os cientistas relataram um novo desenvolvimento: as diversas moléculas começaram a trabalhar juntas de uma forma ecossistema mais estável. O seu trabalho sugere que os RNAs e outras moléculas do mundo pré-biótico também poderiam ter coevoluído para estabelecer as bases da vida celular.

A autorreplicação é frequentemente tratada como o primeiro passo essencial em qualquer hipótese sobre a origem da vida, mas não precisa ser assim. Este ano, Nick Lane e outros biólogos evolucionistas continuaram a encontrar evidências de que antes da existência das células, sistemas de “protometabolismo” envolvendo conjuntos complexos de reações energéticas podem ter surgido nos materiais porosos próximos às fontes hidrotermais.

Como é que um único óvulo fertilizado se transforma num corpo humano adulto com mais de 30 biliões de células em mais de 200 categorias especializadas? É o mistério por excelência do desenvolvimento. Durante grande parte do século passado, a explicação predominante foi que os gradientes químicos estabelecidos em várias partes do corpo em desenvolvimento guiam as células para onde são necessárias e dizem-lhes como se diferenciarem nos constituintes da pele, músculos, ossos, cérebro e outros. órgãos. 

Mas os produtos químicos parecem agora ser apenas parte da resposta. Trabalhos recentes sugerem que, embora as células utilizem pistas de gradiente químico para orientar a sua navegação, elas também seguem padrões de tensão física nos tecidos que os rodeiam, como equilibristas cruzando um cabo esticado. A tensão física faz mais do que dizer às células para onde ir. Outro trabalho divulgado em maio mostrou que as forças mecânicas dentro de um embrião também ajudam a induzir conjuntos de células a tornam-se estruturas específicas, como penas em vez de pele.

Entretanto, os biólogos sintéticos – investigadores que adoptam uma abordagem de engenharia para o estudo da vida – fizeram progressos importantes na compreensão dos tipos de algoritmos genéticos que controlam a forma como as células se diferenciam em resposta a estímulos químicos. Uma equipe da Caltech demonstrou um rede artificial de genes que poderia transformar de forma estável as células-tronco em vários tipos de células mais especializadas. Eles não identificaram qual é o sistema natural de controle genético nas células, mas o sucesso do seu modelo prova que qualquer que seja o sistema real, provavelmente não precisa ser muito mais complicado.

O cérebro é o órgão do corpo que mais consome energia, por isso talvez não seja surpreendente que a evolução tenha concebido uma estratégia de emergência para ajudar o cérebro a lidar com longos períodos de deficiência alimentar. Pesquisadores da Universidade de Edimburgo descobriram que quando ratos têm que sobreviver com rações escassas durante semanas a fio, seus cérebros começam a funcionar de forma equivalente a um modo “baixo consumo”. 

Nesse estado, os neurônios do córtex visual usam quase 30% menos energia em suas sinapses. Do ponto de vista da engenharia, é uma solução interessante para ampliar os recursos energéticos do cérebro, mas há um porém. Com efeito, o modo de baixo consumo reduz a resolução da visão do animal, fazendo com que o sistema visual processe os sinais com menos precisão. 

Uma visão de engenharia do cérebro também melhorou recentemente a nossa compreensão de outro sistema sensorial: o nosso sentido do olfato. Os pesquisadores têm tentado melhorar a capacidade dos “narizes artificiais” computadorizados de reconhecer cheiros. As estruturas químicas por si só já contribuem bastante para definir os cheiros que associamos a várias moléculas. Mas um novo trabalho sugere que o processos metabólicos que criam moléculas na natureza também refletem nosso sentido do cheiro das moléculas. As redes neurais que incluíram informações metabólicas em suas análises chegaram significativamente mais perto de classificar os cheiros da mesma forma que os humanos fazem.

Um cérebro humano vivo ainda é algo extremamente difícil de ser estudado pelos neurocientistas: o crânio obstrui a sua visão e considerações éticas excluem muitas experiências potencialmente informativas. É por isso que os pesquisadores começaram a cultivar tecido cerebral isolado em laboratório e deixá-lo formar “organóides” com semelhanças físicas e elétricas com cérebros reais. Este ano, o neurocientista Sergiu Paşca e seus colegas mostraram até onde vão essas semelhanças com a implantação organoides do cérebro humano em ratos de laboratório recém-nascidos. As células humanas integraram-se ao circuito neural do animal e assumiram um papel no sentido do olfato. Além disso, os neurônios transplantados pareciam mais saudáveis ​​do que aqueles que cresciam em organoides isolados, o que sugere, como observou Paşca em uma entrevista com Quanta, a importância de fornecer entradas e saídas aos neurônios. O trabalho aponta o caminho para o desenvolvimento de melhores modelos experimentais para cérebros humanos no futuro.