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Uma questão deixada sem resposta no caderno de laboratório de um biólogo durante 40 anos foi finalmente explicada, graças a um peixinho que não conseguia mexer a cauda.
Uma nova pesquisa da Universidade de Oregon descreve como as células nervosas e as células musculares se comunicam através de sinais elétricos durante o desenvolvimento – um fenômeno conhecido como bioeletricidade.
A comunicação, que ocorre através de canais especializados entre as células, é vital para o desenvolvimento e comportamento adequados. O estudo identifica genes específicos que controlam o processo e determina o que acontece quando algo dá errado.
A descoberta oferece pistas sobre as origens genéticas dos distúrbios musculares em humanos e aborda questões de longa data na biologia do desenvolvimento.
“Isso é algo sobre o qual muitos de nós nos perguntamos há muitos e muitos anos – e agora descobrimos!” disse Judith Eisen, neurocientista da UO que, na década de 1980, detectou um padrão de comunicação entre as células musculares do peixe-zebra que ela não conseguia explicar.
Eisen e seus colegas relatam suas descobertas em um artigo publicado em 26 de junho no Biologia Atual.
O trabalho une três gerações de neurocientistas da UO e fornece uma lição para todos os pesquisadores: guarde esses cadernos de laboratório. Eisen desenterrou seus cadernos originais de capa dura quando se mudou para um laboratório temporário para reformar um prédio há alguns anos. Os esboços e notas taquigráficas que ela registrou a tinta anos atrás ainda são relevantes hoje.
Um mistério muscular
Em 1983, Eisen era uma pesquisadora de pós-doutorado no laboratório de Monte Westerfield, apenas começando sua carreira na UO. Ela fazia parte de um pequeno grupo de cientistas trabalhando para estabelecer o peixe-zebra como um novo organismo modelo, esperando usar esses peixes pequenos e brilhantes para sondar questões sobre o desenvolvimento de animais vertebrados.
Organismos modelo como ratos, moscas-das-frutas e vermes permitem aos cientistas realizar experiências que não são possíveis em humanos, respondendo a questões biológicas fundamentais e fornecendo orientação para testes mais focados em humanos.
O peixe-zebra foi uma adição promissora à cena. O peixe-zebra e os humanos partilham muitos genes, tornando os peixes úteis para testar as bases genéticas de doenças e condições humanas. E como os embriões do peixe-zebra são transparentes, os cientistas podem observar o desenvolvimento acontecer em tempo real sob o microscópio.
Mas na época, tudo nesse sistema era novo. Os biólogos tiveram que descobrir como cuidar dos peixes no laboratório e usá-los de forma eficaz em experimentos.
Um dia, Eisen e Westerfield estavam usando um corante amarelo para destacar células nervosas individuais no peixe-zebra, para observação ao microscópio. As células que eles queriam alcançar só poderiam ser acessadas inserindo uma pipeta cheia de corante brilhante através dos músculos. Então, um pouco de corante acabou se misturando às células musculares também.
Eisen e Westerfield ficaram intrigados com a forma como o corante se espalhava pelas células musculares. Ele se espalhou de célula para célula de uma forma que sugeria que as células estavam compartilhando mensagens diretamente – através de algum canal físico de conexão entre elas, em vez de através de mensageiros químicos de longo alcance.
Isso não se enquadrava na compreensão de como as células musculares adultas se comunicam entre si. Mas houve uma percepção inicial na área de que as conexões entre as células musculares podem ser importantes durante o desenvolvimento muscular.
Eisen esboçou o que viu em seu caderno de laboratório, assim como Westerfield. Mas não havia uma boa maneira de investigar mais, disse Eisen. Embora os cientistas da época soubessem que esses tipos de canais de comunicação existiam, eles não conheciam os genes que os criaram, ou tinham as ferramentas para perguntar o que estavam fazendo. Então era um beco sem saída.
Eisen passou para outras questões, fazendo contribuições importantes para o campo da biologia do desenvolvimento ao longo de sua carreira. Em abril deste ano, ela foi admitida na Academia Nacional de Ciências.
Nos últimos 40 anos, Eisen e os seus colegas da UO, juntamente com cientistas de todo o mundo, continuaram a desenvolver o peixe-zebra como organismo modelo. O avanço das tecnologias genéticas fez deste peixinho um aliado ainda mais poderoso para a compreensão da biologia.
Um peixe que não sabia nadar
Há alguns anos, a observação de Eisen ressurgiu no laboratório de outro neurocientista da UO, Adam Miller.
Miller foi recrutado para a Universidade de Oregon por Eisen e colegas para construir um grupo de pesquisa focado na comunicação elétrica entre células. Seu laboratório estuda como os circuitos neurais constroem conexões e criam comportamento. Uma área de foco são as junções comunicantes, canais físicos que permitem que os sinais elétricos se movam diretamente entre as células. Estas vias de comunicação são particularmente importantes durante o desenvolvimento inicial, à medida que os muitos sistemas do corpo estão a ser configurados e organizados.
O peixe-zebra é a espécie perfeita para estudar a comunicação elétrica. Graças aos seus embriões transparentes, “podemos visualizar a eletricidade fluindo através das células em tempo real”, disse Rachel Lukowicz-Bedford, pós-doutoranda no laboratório de Miller.
Enquanto caçava peixes-zebra com diferentes mutações de junções comunicantes, Lukowicz-Bedford fez uma descoberta intrigante: um peixe-zebra que não conseguia mover a cauda corretamente. Normalmente, um embrião de peixe-zebra se agita e balança a cauda espontaneamente, mas esses peixes não fizeram isso.
À medida que realizavam experiências para descobrir porquê, a equipa percebeu que este peixe poderia ser uma possível ligação com a observação de Eisen nas células musculares na década de 1980.
Em peixes-zebra saudáveis, os pesquisadores podem observar os sinais elétricos se propagarem através das junções comunicantes entre as células musculares, como uma nuvem de corante alimentar se difundindo em um copo d’água. Nos peixes com esta mutação, os sinais não fluem. A mutação estava prejudicando a comunicação elétrica entre as células através das junções comunicantes.
E essa falha na comunicação levou ao desenvolvimento muscular inadequado, mostrou a equipe. Em um peixe-zebra normal e saudável, as fibras musculares são retas e ordenadas. Neste peixe-zebra com esta mutação, as fibras musculares são enrugadas e onduladas, como fitas de papel crepom.
Os pesquisadores atribuíram a mudança a uma mutação em um gene específico. Por meio de uma série de experimentos, eles mostraram que esse gene, quando funcionando normalmente, faz os canais de junção comunicante entre as células musculares que permitem que o sistema nervoso coordene a atividade do músculo em desenvolvimento inicial. E sem sinalização elétrica apropriada no momento certo durante o desenvolvimento, as fibras musculares não conseguem se organizar adequadamente, causando fibras musculares enrugadas e defeitos musculares graves.
“Descobrimos que este canal de junção comunicante é um canal – permite que a eletricidade das células nervosas seja enviada para as fibras musculares”, disse Lukowicz-Bedford.
A descoberta responde à pergunta de décadas de Eisen, esboçada num caderno de laboratório que ela ainda tem: o corante amarelo movia-se entre as células musculares devido a estes canais de comunicação específicos.
Mais do que uma curiosidade, porém, as descobertas podem ajudar a informar a compreensão dos cientistas sobre o desenvolvimento muscular em humanos. Em distúrbios em que os músculos não se desenvolvem adequadamente, canais de junções comunicantes defeituosos podem ser uma das causas, uma ligação até então desconhecida.
“O gene que estudamos neste artigo não é um gene estranho do peixe-zebra; também é encontrado em humanos”, disse Lukowicz-Bedford. “Ao usar o peixe-zebra, podemos ir atrás desse gene com função basicamente desconhecida em humanos e ser capazes de entender o que ele está fazendo no contexto. Conseguimos descobrir a função de um gene que tem sido realmente evasivo.”
A pesquisa também ilustra que a sinalização elétrica entre diferentes sistemas é crítica para o desenvolvimento. Uma comunicação semelhante provavelmente também está em jogo no desenvolvimento de outros sistemas do corpo, sugerem os pesquisadores – provavelmente não é específica apenas dos músculos.
“A transferência de bioeletricidade de um sistema orgânico para outro é fundamental para o desenvolvimento e a função adulta”, disse Miller. “Encontrar os genes que permitem que isso ocorra, compreender como funcionam e exatamente o que acontece de errado quando a comunicação é interrompida fornecerá uma nova visão sobre as doenças humanas”.
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