Continuando o assunto da postagem anterior e para quem quiser se aprofundar mais sobre o cólera, deixo uma excelente dica de leitura: O Mapa Fantasma (The Ghost Map). O livro conta a história de como John Snow e Henry Whitehead descobriram, em um dos diversos surtos que assolavam Londres nos idos de 1800, que o cólera era transmitido pela água. Mas seria muita omissão de minha parte afirmar que o livro se limita apenas a descrever este fato. Steven Johnson faz um resgate histórico da dinâmica intrínseca aos grandes centros urbanos do século XIX e os compara às metrópoles dos dias de hoje. Além do mais, nos faz enxergar o mundo ao nível das bactérias, ao nível de uma rua, e ao nível da cidade como um todo. Nos mostra as cidades como um organismo errante, que responde aos estímulos de suas ruas, as quais são influenciadas pelas suas bactérias. Sendo assim, o autor apresenta de forma clara e transdisciplinar, que aglomerados de informações fazem emergir padrões que somente podem ser compreendidos se partirmos para um nível acima. E assim, pulando de um nível para outro, Steven Johnson nos conta a jornada de John Snow, o homem que viria a ser considerado o pai da epidemiologia anos mais tarde; de como sua determinação mudou radicalmente a vida de nossas metrópoles numa época de conceitos científicos equivocados.
Em um bairro pobre da nova metrópole, Sarah Lewis, aproveitou que seu bebê de seis meses dormia um pouco, depois de horas de choro e diarréia, para colocar de molho em um balde os panos sujos da criança doentia. Após a limpeza, Sarah fez como sempre: despejou a água em uma fossa em frente a sua casa.
Epidemia de cólera no Haiti que contaminou 300.000 pessoas e matou quase 5.000, foi desencadeada por uma linhagem de Vibrio cholerae introduzida, provavelmente, por um acampamento das forças de paz da ONU.
A água do rio Artibonite é utilizado pelos haitianos para consumo, banho, lavagem de roupas, irrigação e recreação.
Pode parecer que foi resgatado dos livros de história sobre a idade média, mas o fato é recente. Após quase um século sem ocorrência de surtos de cólera, o Haiti se viu em outubro de 2010, numa epidemia que resultou em 300 mil pessoas contaminadas e quase 5 mil mortos. Com o objetivo de se descobrir a origem do surto, o secretário geral da Organização das Nações Unidas, ONU, formou um Painel Independente para descobrir a origem do surto. Para isso, foram levantados dados epidemiológicos, da água e saneamento, e análises moleculares.
Os resultados
O primeiro caso de cólera registrado foi na região das cabeceiras do rio Artibonite em 17 de outubro de 2010. Três dias depois, foi registrado o primeiro caso no delta do Artibonite na costa do Haiti, local onde o surto se estabeleceu. As análises moleculares comprovaram que as linhagens de cólera do Haiti são geneticamente idênticas entre si, o que indica que elas se originaram da mesma fonte. As bactérias são muito similares, mas não idênticas às linhagens encontradas recentemente no sul da Ásia, o que significa que a bactéria não provêm do ambiente local. Estes dados foram cedidos por pesquisadores independentes e podem ser encontrados no trabalho de Chen-Shan Chin et al (2011), conforme a figura 1.
Figura 1. Reconstructing Phylogenetic Relationships among V. cholerae Strains.
Os dados obtidos no final do levantamento indicam que a fonte do surto pode ter sido um acampamento da ONU, situado próximo ao primeiro caso de cólera e que estava sendo ocupado por soldados nepaleses. Acredita-se que a contaminação ocorreu por algum vazamento do encanamento de esgoto do acampamento, cuja instalação deixava a desejar. Este vazamento poderia ter chegado a um tributário do rio Artibonite através de uma vala de drenagem que circundava o acampamento (fig. 2). Uma outra posssível fonte de contaminação pode ter sido o poço séptico a céu aberto, cujo esgoto cloacal do acampamento era depositado através de um serviço de caminhão pipa terceirizado haitiano. No local da fossa, não haviam cercas que a protegessem e crianças frequentavam o local. Além do mais, a fossa transbordava com as chuvas e acabava contaminando os tributários do rio Artibonite (fig 3).
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Figura 2. Precariedade dos encanamentos e do canal de drenagem que desemboca num tributário do Artibonite.
Figura 3. Fossa onde o esgoto cloacal era depositado.
As conclusões do relatório são de que o surto atingiu as proporções observadas, não somente pela deficiência referente ao destino do esgoto fecal do acampamento da ONU, como também pela soma de diversos fatores como por exemplo: i) a carência de saneamento básico do Haiti; ii) a falta de imunidade dos haitianos para a linhagem e o fato desta produzir a forma mais potente da toxina do tipo clássico de cólera; iii) as condições ambientais no delta do rio Artibonite eram propícias para a rápida proliferação da bactéria. Nas suas conclusões, o relatório não deixa explícito que tenha sido o acampamento da ONU o responsável pela disseminação da linhagem asiática, mas faz uma série de recomendações às Nações Unidas para evitar que seus soldados introduzam o cólera em outros locais. Também são feitas recomendações para o governo haitiano priorizar investimentos em programas de saneamento e tratamento de água potável.
Referências
Chin CS, Sorenson J, Harris JB, Robins WP, Charles RC, Jean-Charles RR, Bullard J, Webster DR, Kasarskis A, Peluso P, Paxinos EE, Yamaichi Y, Calderwood SB, Mekalanos JJ, Schadt EE, & Waldor MK (2011). The origin of the Haitian cholera outbreak strain. The New England journal of medicine, 364 (1), 33-42 PMID: 21142692
Cravioto A, Lanata CF, Lantagne DS, Nair GB.(2011). Final Report of the Independent Panel of Experts on the Cholera Outbreak in Haiti. http://www.un.org/News/dh/infocus/haiti/UN-cholera-report-final.pdf. Acessado em 04/09/2011.
Demorou, mas aqui está minha segunda postagem. A ideia era escrever algo completamente diferente do primeiro post. Mas eis que surge, mais uma vez, uma microalga para nos ajudar em alguma área que desafia a ciência. E novamente é uma daquelas espécies que normalmente não se dá muita atenção, simplesmente por ser muito comum.
Pois bem... Saber o que fazer com os resíduos radioativos que contaminam o meio ambiente, é realmente um problema. A dificuldade consiste em conseguir selecionar e remover com eficiência o resíduo radioativo do meio. No caso do estrôncio-90*, a fitorremediação não consegue capturar o radioisótopo sem capturar junto uma quantidade muito maior de cálcio inofensivo, e resíduos nucleares contém cerca de dez bilhões de vezes mais cálcio do que estrôncio (Lovet, 2011).
A boa notícia é que em trabalho publicado recentemente na ChemSusChem, Minna R. Krejci e colaboradores, mostraram que a microalga Closterium moniliferum pode ser uma forte candidata para a fitorremediação de áreas contaminadas por estrôncio radioativo.
C. moniliferum (fig. 1a) é uma microalga unicelular do grupo das desmídias. É conhecida pelo seu formato de meia-lua e por tolerar ambientes com altas temperaturas, pH ácido, baixa disponibilidade de nutrientes e de luz. Além dessas características, esta microalga possui pequenos vacúolos terminais com cristais formados pela combinação de bário e/ou cálcio com sulfato, a barita (BaSO4) - fig. 1b. No entanto, o estrôncio é parecido com o cálcio e com o bário em propriedades e em tamanho, o que faz com que a microalga não consiga distingui-lo destes dois elementos e acaba capturando estrôncio numa quantidade muito maior do que de cálcio. Portanto, em ambientes com estrôncio, a microalga consegue capturá-lo, e parte do estrôncio do citoplasma acaba retido nos vacúolos e se cristaliza juntamente com o bário.
Para que a cristalização ocorra, é necessário a presença de bário e sulfato, e os experimentos mostram que as células precipitam os cristais num período de 30 minutos a uma hora.Porém, os testes ainda não foram realizados com material radioativo, sendo necessário averiguar se C. moniliferum suporta exposição à radiação. Mesmo assim, elas são fortes candidatas à remoção de estrôncio radioativo por combinarem duas técnicas de biorremediação: fitoextração, devido ao material acumulado no seu citoplasma; e co-precipitação inorgânica, por sua capacidade de formar cristais. A vantagem da segunda técnica é que a remoção definitiva do estrônio do meio pode ser feita ao se recolher as microalgas e isolar os cristais por centrifugação ou incineração (fig. 1c). No entanto, é preciso averiguar também, que tipo de manipulação no meio é necessário para aumentar a eficiciência da técnica. Mas ao que tudo indica, um banho de lua, ou melhor, de meias-luas, faria bem não somente aos poetas da noite, como também, ao meio ambiente.
* O estrôncio-90 é um produto da fissão nuclear e é prejudicial à saúde. Por ser muito parecido em propriedades e em tamanho atômico com o cãlcio, pode se infiltrar em alimentos, sangue e outros tecidos, podendo causar câncer.
Referências:
Krejci, M., Finney , L., Vogt, S., & Joester, D. (2011). Selective Sequestration of Strontium in Desmid Green Algae by Biogenic Co-precipitation with Barite ChemSusChem, 4 (4), 470-473 DOI: 10.1002/cssc.201000448
Lovett, R. (2011). Algae holds promise for nuclear clean-up Nature DOI: 10.1038/news.2011.195
Bem, esta é a primeira postagem do meu blog. A ideia deste blog, em princípio, é de tratrar de temas científicos mas de uma maneira transdisciplinar. Fiquei algum tempo pensando qual seria o primeiro assunto a ser tratado. A ideia e inspiração vieram de um artigo que li na Scientific American Brasil de dezembro de 2010. O tema central do artigo era como a promissora técnica da optogenética pode influenciar as pesquisas da neurociência. O que me chamou a atenção foi o comentário do autor Karl Deisseroth. Segundo ele, há mais de trinta anos que os neurocientistas procuravam por uma maneira de controlar apenas um tipo de célula do sistema nervoso sem interferir nas outras, e que a luz poderia ser uma maneira de se obter tal façanha. Mas há pelo menos 40 anos os biólogos sabiam que alguns microrganismos produzem proteínas que regulam o fluxo de carga elétrica em suas membranas respondendo à luz visível. Ou seja, levou-se três décadas para as duas áreas se cruzarem e ser desenvolvida a técnica da optogenética. Talvez as coisas teriam acontecido mais rápido se um neurocientista tivesse participado de uma rodinha de bar, ou tomado um cafezinho, com alguns biólogos...
Estimulando as células com luz
A optogenética é um conjunto de métodos onde a ideia primordial é inserir um gene codificante de uma proteína sensível a luz (opsinas) nas células para se observar algum comportamento celular através de estímulos luminosos. Optogenética envolve o desenvolvimento de proteínas sensíveis à luz, meios de se fazer os genes chegarem ao destino correto, além do desenvolvimento de ferramentas para se fazer a luz chegar ao seu alvo e equipamentos para a leitura dos dados resultantes.
As opsinas foram encontradas em microrganismos que dependem da luz para viver. Elas ajudam o organismo a extrair energia e informações do ambiente. A vantagem delas é que são controladas por um único gene. Para elas serem expressas, é necessário apenas um cofator: o todo-transretinal (all-transretinal), um composto aparentado da vitamina A o qual absorve os fótons e que, para a nossa sorte, os mamíferos têm em quantidades suficientes.
Os pesquisadores também estão modificando as opsinas ou sintetizando novas para que elas desempenhem suas funções com mais eficiência nos experimentos realizados.
Existem diferentes tipos de opsinas. Elas foram inicialmente encontradas na arqueobactéria Natronomonas pharaonis e nas microalgas Chlamydomonas reinhardtii e Volvox carteri, a primeira unicelular e a segunda colonial, ambas dotadas de movimento. Abaixo é apresentado uma descrição das opsinas encontradas nesses três organismos.
Canalrodopsina ChR2: permite a passagem de íons de sódio com carga positiva em resposta à luz azul. Encontrada em C. reinhardtii. Utilização: despolariza o neurônio provocando um pico (Fig. 1 a, c). Variantes desenvolvidas: ChETA - eleva os neurônios a frenquências maiores que 40 hertz; variantes SFO (step function opsins) - são versões mais lentas de ChR2 que podenm induzir os neurônios a estados estáveis de exitação prolongada sob luz azul, podendo ser revertido sob exposição de luz verde.
Canalrodopsina VChR1: permite a passagen de íons de sódio respondendo à comprimentos de onda de luz verde e vermelha. É similar a ChR2. Encontrada em V. carteri (Fig. 1 a, c).
Halorodopsina NpHR: encontrada na N. pharaonis. Reguka o fluxo de íons de cloro com carga negativa respondendo à luz amarela. (Fig. 1 a, c) Utilização: hiperpolariza os neurônios e inibe picos em resposta à luz amarela. Variantes: NpHR2.0 e NpHR3.0
Nature Protocols 5, 439 - 456 (2010) Published online: 18 February 2010 doi:10.1038/nprot.2009.226.
Mas não são somente os neurônios que podem ser controlados. Também existem ferramentas optogenéticas que permitem o controle de sinais celulares em cascata e de interações moleculares. Essas ferramentas geralmente são formadas pelo domínio de uma proteína efetora com um domínio de absorbância de luz. Exemplos:
OptoXRs: são quimeras de proteínas compostas de rodopsinas bovinas (proteínas transmembrana sensíveis a luz encontradas nos bastonetes e cones da retina dos olhos) e componentes intracelulares de receptores adrenergéticos acoplados à proteína G* (Fig. 1b e primeiro esquema da figura 2). As OptoXRs permitem o controle dos sinais em cascata mediados pela proteína G.
* A proteína G está envolvida na transdução de sinais celulares, funciona como uma chave molecular. Os receptores adrenergéticos percebem sinais químicos extracelulares e respondem a eles mudando os níveis dos sinais biouímicos internos.
As proteínas não assossiadas à membrana como as domínios LOV (luz, oxigênio e voltagem), fitocromos ou criptocromos podem ser fusionadas às proteínas efetoras para se criar variantes sensíveis à luz (Fig 2, segundo esquema).
A LOV2-Rac o qual é induzida pela luz azul a mudar a conformação do domínio LOV2, o qual resulta na liberação do bloco alostérico Rac permitindo a este se ligar e ativar alvos abaixo como a PAK1 (proteína que regula a motilidade e morfologia da célula). Com isso ocorrem a polimerização dos filamentos de actina e a geração de protrusões e movimentos celulares (Fig. 2, quinto esquema).
Outro exemplo é fazendo uso do fotorreceptor PhyB e sua proteína parceira de ligação PIF. A luz vermelha desencadeia a ligação da PhyB com a PIF enquanto que a luz infra-vermelha libera a PIF. A ligação da PIF com a PhyB, que está ancorada na membrana plasmática, leva à formação de extensões celulares (Fig. 2, terceiro esquema).
Também é possível fazer uso de certas enzimas que ocorrem naturalmente como as adebil ciclase (ePAC) que podem ser usadas para modular sinais celulares pela produção direta de menssageiros moleculares secundários (Fig 2, quarto esquema).
Figura 2. nature methods | VOL.8 NO.1 | JANUARY 2011 | 25
Mas afinal, como levar essas proteínas até o seu alvo?
Os genes codificantes dessas proteínas sensíveis a luz são levados até à sua célula-alvo por transfecção, transdução viral ou pela criação de linhagens de animais transgênicos. Para que a expressão do gene ocorra somenta na célula de interesse, pode-se combinar o gene com um promotor específico (Fig. 1, letra d).
Controlando e lendo os sinais
Para se ter o controle preciso das atividades celulares através da optogenética, são necessários meios de se controlar com precisão o tempo e o espaço de iluminação. Diversos métodos estão sendo utilizados e testados para se aprimorar as emissões dos feixes de luz e a leitura dos sinais. Esses métodos geralmente fazem uso de fibras ópticas, lasers ou LEDs e permitem levar a luz em qualquer área de interesse, mesmo que essa seja em algum local profundo do cérebro, inclusive em mamíferos que se movam livremente.
Os "optrodos" são híbridos integrados de fibra óptica e eletrodos, cuja função permite a leitura simultânea do controle optogenético e operam na casa do milissegundos. Com isso, pode-se, por exemplo, observar diretamente a mudança de atividade elétrica nos circuitos neurais envolvidos no controle motor ao mesmo tempo em que estes são controlados opticamente com opsinas microbianas.
Muitos biosensores baseados em fluorescência com perfis compatíveis de excitação, alguns codificáveis geneticamente, também podem ser utilizados para diferentes leituras celulares. A observação dos efeitos das modulações no comportamento do animal como um todo, também pode ser uma maneira de se observar a eficiência do experimento.
O método do ano
A optogenética, embora recente, vem permitindo aos cientistas realizarem experimentos em células de animais vivos que se movem livremente com precisão sem precedentes. Apesar das opsinas serem conhecidas desde 1971, somente em 2005 é que a optogenética emergiu, desencadeando uma série de pesquisas e publicações, principalmente a partir desenvolvimento das tecnologias de iluminação, fazendo com que a revista Nature considerasse a optogenética como o método do ano de 2010 (veja o gráfico abaixo).
As pesquisas na área desenvolvem-se rapidamente, e atualmente existem mais de 800 laboratórios espalhados pelo mundo utilizando e desenvolvendo essas novas tecnologias. A abordagem optogenética está ajudando em nossa compreensão de algumas doenças como o Parkinson, narcolepsia (um distúrbio do sono), esquizofrenia e como os neurônios fabricantes de dopamina podem levar a sentimentos de prazer e recompensa - pode ser útil no entendimento de patologias como a depressão e no abuso de substânicas. O entendimento de como ocorrem estes distúrbios poderão resultar em novos tratamentos para essas doenças.
Trancrevendo o que Carl Deisseroth escreveu em seu artigo da Scientific American Brasil de dezembro de 2010: "A lição da optogenética é que o velho, o raro e o frágil - mesmo células da escória das poças ou dos duros lagos de sal do Saara - podem ser cruciais para a compreensão de nós mesmos e de nosso mundo moderno. A história por trás dessa tecnologia sublinha o valor da proteção de nichos ambientais raros e da importância do apoio à verdadeira ciência básica. Nunca devemos esquecer que não sabemos aonde a longa marcha da ciência está nos levando ou o que será necessário para iluminar o caminho".
VOL.8 NO.1 | JANUARY 2011 | nature methods. PUBLISHED ONLINE 20 DECEMBER 2010; DOI: 10.1038/NMETH.F.324
O vídeo a seguir é uma palestra de Karl Deisseroth sobre a optogenética aplicadoa a neurociência.
Bem, para quem chegou até aqui, espero não tê-los cansado muito, mas é que há tempos gostaria de trocar umas ideias sobre este tema. Está afim? Então senta aí na mesa e me acompanhe num expressinho!
Deiseroth, K. (2010). Luz para controlar o cérebro. Scientific American Brasil. 103: 34-41.
Pastrana, E. (2010). Optogenetics: controlling cell function with light Nature Methods, 8 (1), 24-25 DOI: 10.1038/nmeth.f.323
Toettcher, J., Voigt, C., Weiner, O., & Lim, W. (2010). The promise of optogenetics in cell biology: interrogating molecular circuits in space and time Nature Methods, 8 (1), 35-38 DOI: 10.1038/NMETH.F.326
Zhang, F., Gradinaru, V., Adamantidis, A., Durand, R., Airan, R., de Lecea, L., & Deisseroth, K. (2010). Optogenetic interrogation of neural circuits: technology for probing mammalian brain structures Nature Protocols, 5 (3), 439-456 DOI: 10.1038/nprot.2009.226
Continuando o assunto da postagem anterior e para quem quiser se aprofundar mais sobre o cólera, deixo uma excelente dica de leitura: O Mapa Fantasma (The Ghost Map). O livro conta a história de como John Snow e Henry Whitehead descobriram, em um dos diversos surtos que assolavam Londres nos idos de 1800, que o cólera era transmitido pela água. Mas seria muita omissão de minha parte afirmar que o livro se limita apenas a descrever este fato. Steven Johnson faz um resgate histórico da dinâmica intrínseca aos grandes centros urbanos do século XIX e os compara às metrópoles dos dias de hoje. Além do mais, nos faz enxergar o mundo ao nível das bactérias, ao nível de uma rua, e ao nível da cidade como um todo. Nos mostra as cidades como um organismo errante, que responde aos estímulos de suas ruas, as quais são influenciadas pelas suas bactérias. Sendo assim, o autor apresenta de forma clara e transdisciplinar, que aglomerados de informações fazem emergir padrões que somente podem ser compreendidos se partirmos para um nível acima. E assim, pulando de um nível para outro, Steven Johnson nos conta a jornada de John Snow, o homem que viria a ser considerado o pai da epidemiologia anos mais tarde; de como sua determinação mudou radicalmente a vida de nossas metrópoles numa época de conceitos científicos equivocados.
