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Se você colocasse um chapéu em uma estrela do mar, onde você o colocaria? No centro da estrela do mar? Ou na ponta de um braço e, em caso afirmativo, qual? A pergunta é boba, mas aborda questões sérias nos campos da zoologia e da biologia do desenvolvimento que têm deixado perplexos cientistas veteranos e crianças em idade escolar nas aulas introdutórias de biologia: Onde é a cabeça de uma estrela do mar? E como o layout corporal deles se relaciona com o nosso?
Agora, um novo estudo de Stanford que utilizou ferramentas genéticas e moleculares para mapear as regiões do corpo das estrelas do mar – criando um atlas 3D da sua expressão genética – ajuda a responder a este mistério de longa data. A “cabeça” de uma estrela do mar, descobriram os pesquisadores, não está em nenhum lugar. Em vez disso, as regiões em forma de cabeça são distribuídas com algumas no centro da estrela do mar, bem como no centro da estrela do mar. cada membro do seu corpo.
“A resposta é muito mais complicada do que esperávamos”, disse Laurent Formery, autor principal e pós-doutorado nos laboratórios de Christopher Lowe na Escola de Humanidades e Ciências de Stanford e Daniel S. Rokhsar na Universidade da Califórnia, Berkeley. “É simplesmente estranho e muito provavelmente a evolução do grupo foi ainda mais complicada do que isto.”
As estrelas do mar (estrelas do mar) pertencem a um grupo de animais chamados equinodermos. Os equinodermos e os humanos estão intimamente relacionados, mas o ciclo de vida e a anatomia das estrelas do mar são muito diferentes dos nossos.
As estrelas do mar começam a vida como ovos fertilizados que eclodem em uma larva flutuante. As larvas flutuam no oceano em forma de plâncton por semanas a meses antes de se estabelecerem no fundo do oceano para realizar uma espécie de truque de mágica – transformando-se de um plano corporal bilateral (simétrico na linha média) em um adulto com uma estrela de cinco pontas. forma chamada plano corporal pentaradial.
“Este tem sido um mistério zoológico há séculos”, disse Lowe, que também é pesquisador da Hopkins Marine Station e autor sênior do artigo publicado em 1º de novembro em Natureza. “Como você pode passar de um plano corporal bilateral para um plano pentaradial, e como você pode comparar qualquer parte da estrela do mar para o nosso próprio plano corporal?”
Mapeando estrelas
Para quebra-cabeças como este, os pesquisadores frequentemente realizam estudos comparativos para identificar estruturas semelhantes em grupos relacionados de animais, a fim de obter pistas sobre os eventos evolutivos que geraram a característica de interesse.
“O problema com a estrela do mar é que não há nada anatomicamente numa estrela do mar que possa ser relacionado com um vertebrado”, disse Lowe. “Não há nada lá.”
Pelo menos, nada do lado de fora de uma estrela do mar. E é aí que entram as técnicas genéticas e moleculares.
Durante sua pesquisa de pós-graduação, Formery estudou o desenvolvimento inicial em ouriços-do-mar – equinodermos, como estrelas do mar, que também iniciam sua vida como larvas bilaterais antes de se transformarem em adultos com simetria quíntupla. Quando Formery se juntou ao laboratório de Lowe, o conhecimento de Formery sobre o desenvolvimento de equinodermos combinou-se com a experiência de Lowe em técnicas de biologia molecular para ajudar a resolver o mistério do desconcertante plano corporal das estrelas do mar.
A equipe usou um grupo de marcadores moleculares bem estudados (os genes Hox são um exemplo) que atuam como modelos para o plano corporal de um organismo, “dizendo” a cada célula a qual região do corpo ela pertence.
“Se você retirar a pele de um animal e observar os genes envolvidos na definição de cabeça e cauda, os mesmos genes codificam essas regiões do corpo em todos os grupos de animais”, disse Lowe. “Então ignoramos a anatomia e perguntamos: existe um eixo molecular escondido sob toda essa anatomia estranha e qual é o seu papel em uma estrela do mar formando um plano corporal pentaradial?”
Para investigar essa questão, os pesquisadores usaram a tomografia de RNA, uma técnica que identifica onde os genes são expressos no tecido, e no local hibridização, uma técnica que se concentra em uma sequência específica de RNA em uma célula.
“Primeiro seccionamos os braços das estrelas do mar em fatias finas, da ponta ao centro, de cima para baixo e da esquerda para a direita”, disse Formery, observando que as estrelas do mar regeneram membros perdidos. “Usamos a tomografia de RNA para determinar quais genes foram expressos em cada fatia e depois ‘remontamos’ as fatias usando modelos de computador. Isso nos deu um mapa 3D da expressão genética.”
“No segundo método, no local reação em cadeia de hibridização, coramos o tecido da estrela do mar e inspecionamos visualmente as amostras para ver onde um gene foi expresso”, disse Formery. Isso permitiu aos pesquisadores examinar o padrão ântero-posterior (da cabeça à cauda) do corpo na camada mais externa das células, chamada de ectoderma.
“Isto foi possível graças à recente e grande melhoria técnica no no local hibridização, conhecida como no local reação em cadeia de hibridização, disse Formery. “Este novo método proporciona uma melhor resolução de onde o gene é expresso.”
A pesquisa revelou que as estrelas do mar têm um território semelhante a uma cabeça no centro de cada “braço” e uma região semelhante a uma cauda ao longo do perímetro. Numa reviravolta inesperada, nenhuma parte do ectoderma da estrela do mar expressa um programa de padrões genéticos de “tronco”, sugerindo que as estrelas do mar são, na sua maioria, semelhantes a cabeças.
Mineração de biodiversidade verdadeiramente diversificada
A investigação centra-se frequentemente em grupos de animais que se parecem connosco, explicaram os investigadores. Mas se nos concentrarmos no que é familiar, é menos provável que aprendamos algo novo.
“Existem 34 filos animais diferentes vivendo neste planeta e em cerca de 600 milhões de anos todos eles encontraram soluções diferentes para os mesmos problemas biológicos fundamentais”, disse Lowe. “A maioria dos animais não tem sistemas nervosos espetaculares e estão perseguindo presas – são animais modestos que vivem em tocas no oceano. As pessoas geralmente não são atraídas por esses animais, mas eles provavelmente representam o quanto a vida começou. “
Este estudo demonstra como uma abordagem comparativa que utiliza técnicas genéticas e moleculares pode ser usada para explorar a biodiversidade em busca de insights sobre por que diferentes animais têm aquela aparência e como seus planos corporais evoluíram.
“Mesmo em artigos moleculares recentes há um ponto de interrogação perto dos equinodermos na árvore evolutiva porque não sabemos muito sobre eles”, disse Formery. “Foi bom mostrar que – pelo menos a nível molecular – temos uma nova peça do puzzle que agora pode ser colocada na árvore.”
Formery, Lowe e Rokhsar também são pesquisadores do Chan Zuckerberg BioHub. Rokhsar também é pesquisador do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa. Co-autores adicionais de Stanford são Ian Kohnle, Judith Malnick e Kevin Uhlinger da Hopkins Marine Station. Autores adicionais são da Pacific Biosciences em Menlo Park, Califórnia, e do Columbia Equine Hospital em Gresham, Oregon.
Esta pesquisa foi financiada pela NASA, pela National Science Foundation e pelo Chan Zuckerberg BioHub.
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