O século da biotecnologia
O acúmulo de dados em biologia molecular e a crescente multidão de tecnologias e programas de computador para a análise científica que têm aflorado nos últimos anos exigem que todo pesquisador se torne capaz de compreender análises complexas de dados e metodologias eficientes para manipulá-los de forma a extrair ao máximo a abundante informação que a natureza nos presenteia e que é o material de questionamento de todo e qualquer cientista. O cosmos de Carl Sagan: a ordem no universo que se apresenta a todos nós para o questionamento e avaliação.
As recentes tecnologias para análise de genomas, diversidade bacteriana e análises complexas de dado através da inteligência artificial -- por exemplo -- têm nos permitido compreender de forma cada mais fina as regularidades apresentadas pela natureza. Estamos definitivamente na era da biotecnologia. Braços metálicos são ligadas ao cérebro de macacos que, depois de algum tempo, tornam-se capazes de controlá-los, mesmo à distância. Micromáquinas estão sendo desenvolvidas para entrarem dentro de nossa corrente sanguínea e acusar um infarto antes mesmo que ele ocorra; algumas outras vasculham nossa corrente sanguínea e destroem partes de gordura alojada nas artérias. Conhecemos de forma cada vez mais fina o funcionamento dos seres vivos em nível molecular e celular. Somos capazes de produzir novos organismos que nem mesmo a natureza foi capaz até hoje.

Richard Dawkins em seu livro "O gene egoísta" (1976) parece ter sido o primeiro naturalista a teorizar sobre a origem da vida através de uma molécula replicadora ancestral. O desafio da evolução molecular no século XXI será descobrir toda a cadeia de eventos que levou desta molécula à grande complexidade molecular observada hoje nos genomas dos organismos.
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"O que a natureza faz às cegas, devagar e impiedosamente, o homem pode fazer com cuidado, rapidez e carinho", diz Francis Galton em meados do século XIX. Mal imaginava onde chegaríamos com todas as novas tecnologias de manipulação biológica. Mal imaginamos onde chegaremos. O século XXI, estou convencido, será o século da biotecnologia. Seremos capazes possivelmente de aprimorar o que somos: poderemos controlar máquinas apenas com o pensamento, conseguiremos nos comunicar eficientemente com os animais e compreender suas compreensões. Engenharemos geneticamente microorganismos que serão capazes de reduzir os lixões, digerindo os mais diversos e ainda tóxicos metabólitos, transformando-os em -- se tivermos sorte e a natureza nos permitir -- água e gás-carbônico.
A engenharia genética de microorganismos pode nos ajudar certamente a reduzir o estrago que estamos fazendo no mundo. Mudaremos também o mundo e inseriremos microorganismos nele que jamais existiram antes. Estes microorganismos então se recombinarão geneticamente com outros gerando um mundo ainda inimaginável. A própria natureza vem combinando organismos entre si desde sua origem e, até hoje, parece ter tido sucesso em sua empreitada. É claro que o homem, ao acelerar e direcionar os processos de evolução dos organismos, pode causar algum desequilíbrio ecológico de escala planetária e mundial, mas é impossível saber exatamente o risco que corremos em produzirmos algo que acabará com nossa espécie. Ele pode estar tão próximo de zero como de um; com o zero representando uma chance ínfima de modificarmos toda a arrojada estrutura de super-organismo da Terra e o um como um alerta de que a qualquer momento todo o sistema pode se desestabilizar. A vida não é estável. A vida nunca foi estável. É característica da vida e dos seres vivos a instabilidade. Há quatro bilhões de anos, desde que a vida surgiu, ela consiste num emaranhado inter-conectante de organismos que modificam o meio ambiente e que então modifica os organismos. Organismos e ambientes co-evoluem desde a origem da vida. E, ao menos nestes últimos 4 bilhões de anos, nada de muito catastrófico ocorreu.
Quer dizer, aconteceu. A atmosfera redutora da Terra primitiva foi modificada para uma atmosfera oxidante desde que as cianobactérias surgiram com suas enzimas especializadas em absorver a energia do sol e transformá-la em açúcares e oxigênio através da via maravilhosa bioquímica da fotossíntese. A fotossíntese é um fenômeno surgido a partir da evolução de genes contendo o código para a fabricação de enzimas, ocorrido em um organismo ancestral. Tais genes tinham uma função ancestral ainda desconhecida e foram duplicando e modificando-se ao adquirirem mutações. Provavelmente participavam de alguma via bioquímica importante que foi se especializando ao longo do tempo até produzir esta rede complexa e intrincada de enzimas e metabólitos intermediários em que consiste a fotossíntese.
Outra das questões biotecnológicas para este próximo século está justamente focada na evolução dos genes. Como terão os genes se modificado a partir de um organismo ancestral para produzir outros genes ao longo das gerações? O estudo de evolução dos genes ainda encontra-se em uma fase muito incipiente e os cientistas ainda não são capazes de estudar a ancestralidade antiga de genes. Enquanto para os organismos vivos temos hoje uma estrutura muito bem definida para explicar suas relações de ancestralidade no passado, o mesmo não se dá para os genes.
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Richard Dawkins em seu clássico livro de 1973 (O gene egoísta) teorizou que a vida teria se iniciado quando uma molécula tivesse adquirido a capacidade de auto-replicação. Essa molécula seria, portanto, capaz de produzir outra molécula razoavelmente idêntica a ela. E esta nova cópia, então, teria obviamente herdado a capacidade da original em se auto-duplicar: a partir de um seriam gerado duas; de duas, quatro; e oito; e dezesseis... e assim crescendo exponencialmente. Dawkins continua sua argumentação explicando quais seriam os principais fatores que a seleção natural favoreceria nessas moléculas, tais como: velocidade de cópia, estabilidade no meio (tempo de vida) e fidelidade da cópia.

Stephen Jay Gould foi um dos maiores teóricos e divulgadores da ciência evolutiva no século XX. Gould teorizou sobre o fato da evolução não ter um sentido de progresso, embora progrida em direção à complexidade. Ele explicou o conceito através da metáfora do bêbado na Sarjeta.
De Gould agora, roubamos a idéia da evolução como um bêbado na sarjeta. Imagine um sujeito embriagado andando -- passo torto pra cá, passo torto pra lá -- tarde da noite ao longo de uma rua com um meio-fio ao seu lado esquerdo. Se o bêbado for na direção do meio-fio e topar com ele, vai cair no chão. Deste ponto, ele não mais sairá; bêbado que está. Por outro lado, se nosso herói dirigir-se na direção oposta à da sarjeta, ele poderá dar muitos passos em falso, sem tropeçar em nada; continuando assim seu caminho. Gould argumenta que a evolução funciona assim: o organismo, assim como o bêbado, anda numa via de complexidade (rua) onde ele pode cair, caso dirija-se muito para a esquerda... mas esta via é bem larga, caso o bêbado vá para a direita. Gould tenta sugerir com isso que a evolução não é sinônimo de progresso, embora ela progrida. Ou seja, se um organismo ficar excessivamente simples, ele cai na sarjeta da complexidade mínima para a existência de um organismo vivo. Essa simplificação não é mais compatível com a vida. Porém, se ele dirigir-se para o outro lado, ele vai ficando cada vez mais complexo. É inevitável supor o aumento de complexidade apenas devido a fatores aleatórios e considerando que existe um limite mínimo, porém não máximo, para a complexidade. O bêbado cai na sarjeta à esquerda, mas pode andar indefinidamente para a direita, tornando-se cada vez mais complexo.
Voltando a Dawkins: aquelas moléculas replicadoras que se modificaram de forma a ficarem mais simples e, por exemplo, perderam a capacidade de auto-replicação; estas cairam na sarjeta da complexidade e, incapazes de se reproduzir, deterioraram-se e não estão representadas hoje nos organismos vivos. Os genes que temos hoje presentes em nossos genomas são aqueles que foram bem sucedidos em produzir máquinas de sobrevivência eficientes no passado.
O que existe entre a molécula replicadora, entretanto, e os genomas modernos é ainda hoje um grande mistério. As questões para a permanência deste mistério são muitas. Uma das principais, entretanto, está relacionada a um fator histórico que ocorre na formação dos biólogos de hoje em dia. Os biólogos estão acostumados a fazer perguntas sobre a origem dos organismos, mas não sobre a origem dos genes. E assim seus métodos e técnicas estão altamente direcionados para responder questões sobre a origem dos organismos, esquecendo-se que os genes também são unidades autônomas evolutivas. É também uma faceta de antropocentrismo ou biocentrismo pensar que só organismos podem evoluir darwinianamente. [2]
A questão de não termos a resposta ainda sobre a origem dos genes da fotossíntese -- ou de qualquer outra via bioquímica --, entretanto, vai além de critérios paradigmáticos da biologia do século XX: há também um grande problema metodológico. A questão é que os genes são descritos principalmente nos dias de hoje através de sequências de letras químicas que podem representar ou o conjunto de bases A, C, G e T que existem em seus DNAs ou o conjunto sequencial dos 20 aminoácidos que compõem as proteínas. A questão é que o conteúdo de informação de um gene para que seja possível reconstruir sua história ancestral é pequeno. Devido ao pequeno tamanho dos genes -- que têm algo entre centenas a milhares dessas bases nitrogenadas do DNA -- faz com que a ocorrência frequemente de mutações em suas sequências faça desaparecer qualquer traço que poderia ter de seu passado remoto.
Para exemplificar o que acontece, usarei uma metáfora simples e forçada, porém que serve como demonstração do que ocorre na realidade. Imagine que uma sequência qualquer de 100 caracteres (letras) seguidas. E imagine que a cada ano que passa, alguém apareça para trocar 20 dessas letras ao substituí-las por outras quaisquer. Depois de cinco anos esperar-se-ia que boa parte das 100 letras tivessem sido trocadas e que o novo texto nada tivesse de similar ao texto original. Toda a informação do passado do texto foi perdida. E é algo bem parecido com isso que acontece com os genes. Eles têm um conteúdo informacional que pode ser considerado pequeno e a taxa de mutação em suas letras químicas é razoavelmente alta. Embora possamos criar um chamado "relógio molecular" para definirmos quantas mutações acontecem a cada ano e assim podermos calibrar nossas medidas de divergência de genes, este relógio só funciona bem para identificar acontecimentos num passado recente, sendo que ele se atrapalha quando voltamos muito no tempo e perdemos a informação da molécula original. E é por isso que ainda não sabemos qual teria sido a ordem de origem dos genes desde o primeiro replicador dawkiniano até hoje.
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Genes podem ser observados como entidades estanques (separadas) presentes no nosso genoma. As estimativas mais recentes dizem que o ser humano tenha algo entre 25.000 a 30.000 genes que codificam proteínas. Cada um deles foi produzido, principalmente, através da duplicação de algum gene ancestral seguido posteriormente por mutações que transformaram, muitas vezes, tanto o "gene pai" quanto o "gene filho". As teorias sobre evolução de genes falam principalmente sobre o que chamados de neofuncionalização e subfuncionalização. Vale lembrar aqui que, quando um gene é duplicado no genoma, ele passa a ficar livre para mutar mais rapidamente. Genes estão informacionalmente presos pela seleção natural uma vez que mutações deletérias que ocorram em seu conteúdo codificado produzirão proteínas menos eficientes e diminuirão o fitness do indivíduo que as porta. Quando são duplicados, entretanto, passa-se a produzir duas vezes mais moléculas do que a quantidade necessária para determinada função molecular; o nicho ecológico ocupado pelo gene (proteína). Agora uma das duas cópias é capaz de se modificar ligeiramente e de forma mais livre para qualquer outra sequência em proximidade molecular. (Em meu laboratório fazemos estudos de evolução de genes no computador para testarmos como acontece a evolução de genes e entendermos exatamente como funciona essa "proximidade molecular".) Uma das cópias deste gene pode então adquirir rapidamente uma grande quantidade de mutações e; caso aconteça desta nova proteína produzida ser capaz se ligar de forma mais perfeita a algum substrato, essa proteína pode ter encontrado um nicho molecular vago e diz-se que este gene realizou uma neofuncionalização, ou seja, encontrou uma nova função molecular. É de se esperar que esta nova função adquirida seja bastante parecida com a função do gene que o originou, mas ela pode ser mais fina ou mais otimizada para um caso em especial. Sobe-se assim na escada da complexidade e nosso gene anda para direita na via da complexidade de Gould, afastando-se da sarjeta molecular. Outro destino dos genes duplicados pode se dar também através do processo que se chama sub-funcionalização.
Embora os nomes dos genes sejam hoje dados a eles para representar a função que ele tenha sido "descoberto" ter no ambiente celular, muitos pesquisadores acreditam que todo e qualquer gene tenha muito mais de uma só função. Se pensarmos que praticamente todas as moléculas da célula podem funcionar como antígenos (epitopos), fica claro que dentro do ambiente celular proteínas ligam-se e desligam-se a diversas moléculas do meio. Quando então há o excesso de proteínas causado pela duplicação gênica, abre-se o espaço para que a sequência do DNA mute sem alterar a função celular. Genes são cadeias unidimensionais de nucleotídeos A, C, G e T cuja ordem define um código para a fabricação de proteínas. Se imaginarmos que as mutações acontecem ao longo da sequência gênica de maneira razoavelmente aleatória ficará simples compreender que pode acontecer que mutações ocorram na parte inicial (5') em um gene; ou na parte final de outro (3'). Se ambos os genes mutassem a parte inicial deles, entretanto, perder-se-ia a função desempenhada por esta região da proteína na célula e o fitness do organismo provavelmente diminuiria. Se regiões diferentes mutassem em cada cópia do gene, entretanto, é possível supor que as regiões não mutadas em cada um deles seriam suficientes para manter a função celular/molecular -- necessária para o bom funcionamento da célula -- intacta. E então cada gene mutaria em uma parte diferente (um no 5', outro no 3') e manteria uma parte idêntica à sequência ancestral; nesse caso, os genes teriam se sub-funcionalizado. As novas partes, entretanto, ficariam agora livres para testar a aleatoriedade evolutiva e buscarem novos pontos de adaptação.
Todas essas questões estão ainda em aberto nas ciências biológicas de hoje e é preciso que nos desenvolvamos mais e produzamos novos descritores gênicos que nos permitam estudar com mais nitidez o processo de evolução de genes. Sabe-se hoje que o estudo comparativo das estruturas secundárias e terciárias das proteínas entre genes pode nos permitir observar uma ancestralidade ainda mais antiga entre genes; do tipo que não podem ser vistas por seu conteúdo informacional enquanto sequências unidimensionais de caracteres representando formas químicas. É preciso que criemos ainda novos descritores gênicos que nos permitirão observar a evolução dos genes em temos remotos. Por enquanto não sou capaz de vislumbrar muito bem para onde irá esse estudo, mas sei que mais cedo ou mais tarde seremos capazes de encontrar tais descritores e que a diversidade genética em nível gênico será razoavelmente bem explicada; embora eu creia que -- devido justamente a esses problemas metodológicos e paradigmáticos -- sempre conheceremos mais sobre a evolução de espécies do que de genes. Quiçá eu possa estar enganado.
O que me parece certo, entretanto, é que a descrição, análise e comparação dos conteúdos informacionais de genes através de diversos descritores (tamanho, estrutura, conteúdo gênico) será utilizado e estudado através de modelos computacionais. A filogenética é e sempre foi uma ciência da informação presente nos organismos biológicos; ela compara características espaciais e funcionais de genes andando num espaço temporal. Entidades que dividem maior conteúdo informacional estarão mais próximas evolutivamente e terão ancestrais comuns mais recentes, ou seja, serão oriundas de entidades presentes num passado mais recente. A base do estudo em evolução dos organismos -- e também dos genes -- é baseada no estudo formal e comparativo da quantidade de informação dividida entre entidades. Quanto mais informação dividem, mais próximas são e menos tempo tem se passado desde que surgiram por duplicação seguida de modificação de entidades no passado. A conclusão é que apenas com o estudo da quantidade de informação nessas moléculas, feito através da catalogação de suas características seguida por análises matemáticas coalescentes é que seremos capaz de reconstruir a história evolutiva dessas entidades. Essas análises matemáticas coalescentes serão feitas através de algoritmos e simulações computacionais e nos permitirão, cada vez mais, compreender a história da evolução da vida em nosso planeta. O século da biologia foi inaugurado, a ciência da informação será imprescindível para nos permitir compreender toda a vida e a biologia, cada vez mais, será explicada por modelos complexos computacionais. O biólogo que não se transformar em um bioinformata estará ficando para trás no século XXI. Ouçamos as palavras de Stein [1].
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[1] Stein, LD. Bioinformatics: alive and kicking. Genome Biology 2008, 9:114doi:10.1186/gb-2008-9-12-114
[2] É preciso compreendermos o que é chamado de darwinismo universal, ou seja, a aplicação de modelos de evolução darwiniana a uma série de outras entidades do mundo visível, tais como os genes, os genomas, as palavras, as linguagens, o conhecimento. E cada unidade básica com relação a tais meios de evolução produz unidades indivisíveis tais quais os organismos biológicos que podem ser consideradas seres ou entes. O pensamento teleológico nos faz pensar que genes ou genomas sirvam para alguma coisa específica enquanto eles devem ser pensados, ao que me consta, como unidades fundamentais de um processo evolutivo. São de certa forma entidades, entes, tais como nós e têm uma vida própria à despeito do utilitarismo com o qual os enxergamos e permitimo-nos classificá-los. Um gene não têm uma função da mesma forma que uma vaca não tem uma função; ou mesmo um ser humano. Somos entidades vivas, simplesmente; e evoluímos darwinianamente através do contato e interação com outras entidades e com o meio ambiente. Somos entes quando considerados em nós mesmos e essentes quando considerados em nossa co-evolução com o mundo externo a nós.
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