Mais uma prova de evolução surgiu recentemente. O Homem polui os rios mas os peixes conseguiram evoluir e impedir a sua extinção. Conseguiram-no fazer tão bem que neste ambiente nefasto até aumentam a população.
"entre 1947 e 1976, duas fábricas de uma multinacional fizeram descargas no rio Hudson, em Nova Iorque, poluindo-o com 600 toneladas de um dos poluentes mais tóxicos e cancerígenos que se conhecem, o bifenilpoliclorado (PCB)."
"Investigadores da Universidade de Nova Iorque e do Instituto Oceanográfico Woods Hole estudaram recentemente o impacto desta poluição nos animais desse rio".
O resultado:
um peixe da família do bacalhau (Microgadus tomcod) "adaptou-se de tal forma que, ao contrário de outros, que desapareceram, proliferou e é hoje encontrado em grandes populações."
"Os investigadores perceberam esta alteração genética através da análise do gene AHR2, um método comum para controlar a sensibilidade aos PCBs. Dois dos mais de mil aminoácidos normalmente encontrados nas proteínas desse gene aparentemente desapareceram nas espécies que vivem na região."
Os patógenos, para se replicarem necessitam não só demanipular a sinalização celular e subverter o sistema imunológico mas ainda têm pela frente outra barreira: as bactérias que vivem no próprio organismo. 1 grama de intestino grosso contém cerca de 60 mil milhões de bactérias.
Uma das formas que as bactérias patogénicas usam para eliminar a concorrência bacteriana e causar diarreia. A exemplo desta estratégia, Citrobacter rodentium – variante de E. coli que ataca ratos – inflama o intestino e um influxo de células imunes que eliminam um importante subtipo de flora intestinal desses animais.Assim, podem multimplicar-se mais rapidamente.
Uma outra estratégia pertence à Salmonella, variante que ataca ratos. Esta bactéria imita o comportamento da flora intestinal do animal.
Intenet Genética
As interacções entre os microrganismos oferece uma oportunidade de aquisição e troca de ferramentas. O intestino funciona como uma internet microbiana, com uma grande interacção microbiana e, desta forma, grande troca de informação genética.
Como há um grande índice geracional nestes microrganismos, e como a partir de poucos são produzidos muitos numa única célula, a taxa de mutação é muito grande. Como tal a aquisição de mutações ou a troca, com outros microrganismos que se encontram na mesma célula, de material genético conferem competição diferencial positiva. É certo que muitos, devido às mutações, deixam de ser patogénicos mas os que continuam a ser patogénicos podem ter adquirido ferramentas poderosas.
A aquisição de novas ilhas de patogenicidade confere uma vantagem ao microrganismo, ao permitir a colonização de outro hospedeiro ou permitindo uma maior agressividade no mesmo hospedeiro. Pensa-se que a E.coliO157 surgiu no fim dos anos 70 ao adquirir uma ilha de patogenicidade que codifica uma nova T3SS que permite a produção da toxina Shiga. Esta toxina produz diarreia e doenças renais.
Tratamentos
Os sistemas de injecção do material genético das bactérias para o interior das células dá ideias para terapias. Uma nova vacina contra a E.coliO157 basia-se no conhecimento do sistema de secreção da bactéria. A vacina contém pedaços do T3SS e de alguns efectores para que o sistema imunitário possa reconhecer essas proteínas antes da possível infecção. Este tratamento destina-se a gado.
Outra estratégia de tratamento é o foco dos factores de virulência. Ao desligar os genes que expressam esses factores a bactéria torna-se inofensiva. A criação de moléculas bloqueadoras da adesão bactéria/célula também tem sido foco de atenção.
Fonte: Scientific American, "A Arte da Guerra Bacteriana", Brett Finlay, Março 2010
Nos últimos dez anos assistimos a um progresso exponencial do entendimento da genética. Há dez anos foi o anúncio da sequenciação do genoma humano. Em 2003, os investigadores do Instituto J. Craig Venter criaram a versão sintética do bacteriófago phiX174. Quatro anos mais tarde obtiveram a transformação de uma espécie de bactéria por transplante de genoma.
Actualmente as instruções podem ser implantadas em células de outra espécie para que estas expressem essas proteínas. Esta engenharia, de projectar sistemas vivos que desempenham funções não encontradas na Natureza provoca um grande impacto. Basta imaginar que podemos construir bactérias que produzem gasolina ou que destroem dióxido de carbono, ou até organismos geneticamente modificados que operam em células cancerígenas.
A informação contida no texto acima está num artigo de Lawrence M. Krauss, da Scientific American de Março de 2010. Isto é, Krauss previu, e bem, que o início da Era da Biologia Sintética estava a chegar. De facto, assim foi:
Podemos dizer que foi uma espécie de Profecia Científica.
Hoje temos a oportunidade de modificar o genoma de alimentos para que durem mais ou para que não sejam afectados por pragas e doenças. Outra grande vantagem dos organismos geneticamente modificados (OGM) é que não necessitam de pesticidas, aliviando o alimento e, também, o ambiente.
Actualmente já temos cartilagem criada em laboratório para substituir em caso de acidente. Daqui a poucos anos teremos packs de células especializadas para substituir em caso de necessidade.
Nos últimos 15 anos foram criados organelos celeluares sintéticos; o cromossoma humano, em 1997 e, no mesmo ano, ribossomas pelo tecnólogo molecular George Church e a sua equipa. O ano passado (2009) foi a vez de Robert Linhardt e a sua equipa criarem mais um organelo – o complexo de Golgi. (Universo Paralelo)
Agora, depois de 57 anos da experiência de Urey-Miller, por geração expontânea, magia, deus ou homem, o que é certo é que Craig Venter e a sua equipa criaram, pela primeira vez, uma bactéria totalmente feita a partir de componentes sintéticos.
O Genoma da bactéria é constituído por letras de DNA (A, G, C, T) de forma a codificar informação proteica. Estes quatro nucleótidos são compostos químicos de bases azotadas, pentoses e açúcares e podem ser unidos uns aos outros em laboratório. Assim, pode-se criar um código igual ao da bactéria natural e… voilá, aconteceu! (obviamente não é assim tão fácil).
A saga de Craig começou há mais de 15 anos e custou 40 milhões de dólares. Afinal não foi ao 6º dia... foi, antes, ao 5475º dia.
“O nascimento desta primeira forma de vida artificial ficará registado para a posteridade nas páginas da edição de sexta-feira da revista Science (e na Web, desde hoje). “Esta é a primeira célula sintética jamais fabricada”, afirma Venter, “e dizemos que é sintética porque a célula é totalmente derivada de um cromossoma sintético.”” (Público)
As bactérias sintéticas aparecem nesta imagem, são azuis e iguais às naturais de que são cópia.
Para reproduzir, uma protocélula tem de crescer, duplicar o seu conteúdo genético e, por fim, dividir-se. As experiências mostram que as vesículas primitivas podem crescer de duas formas:
1- Prie Luigi Luisi, na década de 90 adicionou ácidos gordos à água ao redor dessas vesículas. As membranas incorporaram os ácidos gordos (como já se tinha predito atrás) e aumentaram a área de superfície. Ou seja, o volume aumentou.
2- Irene Chen, mostrou que as protocélulas cheias de RNA incharam. “As membranas inchadas foram submetidas à tensão que provocou crescimento. (…) as vesículas inchadas cresceram ao sequestrar ácidos gordos das vesículas relaxadas vizinhas, que encolheram”
Em 2008 Ting Zhu observou o crescimento de protocélulas após alimentá-las com ácidos gordos. Surpreendentemente as vesículas produziram filamentos, que foram crescendo e que transformaram toda a vesícula num tubo fino e instável a movimentações. Facilmente se quebrava em muitas protocélulas filhas que cresciam e repetiam todo o ciclo.
As protocélulas teriam ainda de evoluir, de separar as cadeias de RNA para que cada uma servisse de molde à polimerização de outra nova cadeia.
Tal evento poderia ter ocorrido em zonas vulcânicas, com a ajuda de correntes de convecção. “As protocélulas (…) ficariam expostas a ondas súbitas de calor ao passar perto das rochas quentes (…) [que] faria com que uma hélice dupla se separasse em cadeias simples”. Nas regiões frias a dupla hélice retomava a sua estrutura original.
Em algum tempo surgiam mutações, tornando-se ribozimas que aumentariam a velocidade de replicação do RNA (como descrito acima), originando uma vantagem adaptativa. Posteriormente as ribozimas começariam a copiar o RNA sem ajuda externa.
Fonte:
A. Ricardo e J.W. Szostak, "Origem da Vida na Terra", Scientific American, Outubro 2009
O último passo é a polimerização, a junção de vários nucleótidos de forma a formar uma cadeia de RNA. Os investigadores conseguiram, com a adição de substâncias químicas formar espontaneamente cadeias de 2 a 40 nucleótidos de RNA. Jim Ferris nos anos 90 demonstrou que os argilominerais aumentam o rendimento para 50 nucleótidos.
Outro desafio é a replicação. Esta característica é essencial para um organismo e são a enzimas a realizar esse processo. Contudo, como já foi referido, o RNA pode realizar essa tarefa. David Bartel fez ribozimas “evoluírem”.
“A cada rodada de replicação, algumas das novas linhagens de RNA sofriam mutações que as transformavam em catalisadores mais eficientes, e mais uma vez nós as seleccionamos para a próxima rodada de replicação. (…) fomos capazes de produzir ribozimas que podem catalisar a cópia de fitas relativamente pequenas de DNA”(Alonso Ricardo e Jack W. Szostak).
Tracey Lincoln e Gerald Joyce construíram duas ribozimas de RNA evoluírem. Conseguiram com que fizessem cópias delas próprias. Contudo necessitaram de juntar sequências pré-existentes de RNA para que a reacção tivesse sucesso. O processo catalítico, de construir uma cadeia de RNA ou DNA a partir de um molde fornecido é demorado. Mas ao trocar o par oxigénio-hidrogénio por um grupo amina no açúcar (equivalente a uma mutação) torna a polimerização muito mais rápida.
Como é que os componentes celulares arcaicos se juntaram no interior de uma membrana para formar as protocélulas? Uma célula tem estruturas proteicas que reparam a membrana e fornecem à célula uma concentração osmótica suficiente para viver. Então, como é que uma protocélula, sem a maquinaria proteica o pode fazer?
Estudos da década de 70 mostram como é que as membranas se juntavam de forma espontânea a partir de ácidos gordos, mas eram uma barreira para a entrada de nucleótidos. Mas, mesmo com esta barreira, os nucleótidos e outras moléculas podem “escorregar” através da membrana. Isto em membranas simples.
Uma simples experiência comprova-o: “preparámos vesículas feitas com ácidos gordos contendo um pequeno pedaço de uma cadeia simples de DNA (…) [para servir de] molde (…) [e] expusemos essas vesículas a versões quimicamente reactivas desses nucleótidos. Os nucleótidos cruzaram a membrana de forma espontânea (…), se alinharam com a cadeia de DNA e reagiram um com o outro para gerar uma fita complementar”
Fonte:
A. Ricardo e J.W. Szostak, "Origem da Vida na Terra", Scientific American, Outubro 2009
O RNA e DNA são compostos por bases azotadas, um açúcar e um grupo fosfato. As bases azotadas podem surgir de espontaneamente a partir de cianeto, acetileno e água. Os açúcares também se formam facilmente a partir de uma solução alcalina de formaldeído aquecida. Estes compostos estavam todos presentes na terra primitiva. Contudo há um problema: a ribose é instável em soluções alcalinas. Como é que se estabilizou? Alonso Ricardo demonstrou formas de estabilização da ribose.
O fosfato, o terceiro componente é um problema. “Está presente em minerais que não se dissolvem facilmente na água. As altas temperaturas (…) podem converter os minerais (…) em formas solúveis de fosfato, mas as quantidades [de fosfato] são pequenas” Um mineral diferente destes é a schreibersita, encontrado em meteoritos.
Matthew Pasek e Dante Lauretta descobriram que a corrosão deste mineral “liberta fósforo de uma forma mais solúvel na água do que o fosfato e é mais reactiva com compostos orgânicos”
Embora possam ser formados de forma espontânea na água ainda não foi explicado como podem, estes três componentes (Fosfato, açúcar e base azotada), formar nucleótidos (unidades de RNA) espontaneamente. O nucleótidos precisam de energia para se organizarem.
John Sutherland sugeriu como ocorreu a formação dos nucleótidos de forma estável. A equipa juntou as bases azotadas e a ribose com o fosfato. Ou seja, em vez de o fosfato entrar mais tarde, ele foi misturado na reacção ao mesmo tempo. Desta forma o fosfato agiu como catalisador e produziu 2-amino-oxazol – fragmento de açúcar com outro de base azotada.
Esta molécula resultante é estável e volátil e é provável que se tenha formado nessas reacções. Terá evaporado com a água e condensou noutro local, onde se terá acumulado. Numa determinada concentração e com os componentes necessários ocorre a formação das bases azotadas e do açúcar ligados.
Nem sempre a junção destes componentes é correcta, mas a exposição à radiação UV destrói os nucleótidos “incorrectos”.
Fonte:
A. Ricardo e J.W. Szostak, "Origem da Vida na Terra", Scientific American, Outubro 2009
É difícil imaginar como as enzimas se formaram espontaneamente de forma a ser um tijolo no aparecimento das primeiras formas de vida, há aproximadamente 3,7 mil milhões de anos. Em condições ideais os aminoácidos surgem facilmente, como demonstrado por Stanley Miller. Agora há que transformar esses aminoácidos em proteínas espontaneamente.
Existe um paradoxo nesta história: precisamos de proteínas para construir proteínas. O DNA precisa que proteínas se acoplem à estrutura para que possa ser transcrita para RNA e daí outras proteínas permitem a tradução para aminoácidos, que constroem proteínas.
Então e se os primeiros organismos não precisassem de proteínas? Primeiro é preciso demonstrar que RNA e DNA se possam formar espontaneamente. E sim, podem formar-se de forma espontânea. E mais, podem enrolar-se de forma a actuar como catalisadores (em vez de usar proteínas). Desta forma são capazes de se replicar sem necessitarem de proteínas. Assim, pensa-se que as primeiras formas de vida tenham sido membranas de ácidos gordos que aprisionaram água em conjunto com o RNA replicante. O próximo passo foram as mutações, que impulsionaram a evolução destas formas permitindo a sua adaptação.
O RNA apareceu em primeiro lugar. O DNA terá aparecido posteriormente como uma forma mais permanente de armazenamento devido à sua estabilidade, superior à do RNA.
As unidades de tradução de RNA para proteína são formadas, elas próprias, por RNA e por proteínas. Esse RNA presente nos ribossomas são evidências fósseis de um passado em que o RNA catalisava a sua própria replicação.
Fonte:
A. Ricardo e J.W. Szostak, "Origem da Vida na Terra", Scientific American, Outubro 2009
Até agora as mutações silenciosas eram aquelas a que não correspondia qualquer alteração fenotípica, pois não haveria alteração das proteínas formadas.
As mutações pontuais, trocas de uma única letra, podem levar a alterações de aminoácidos e das proteínas constituídas por eles. O aminoácido pode ser errado e a proteína deixa de ter função ou tem a sua função debilitada. Ou pior, em determinadas trocas de letras pode surgir o sinal de STOP de tradução e a proteína não fica concluída. Outro tipo de mutação é a mutação silenciosa, a troca é feita mas o seu significado é semelhante no codão final (conjuntos de 3 letras que leva à formação de um aminoácido).
Três mutações pontuais modificam moléculas de hemoglobina e são responsáveis por três doenças graves:
Anemia falciforme – Substituição de um aminoácido hidrofílico por um hidrofóbico
Policitemia – Mutação sem sentido (tradução incompleta da proteína) interrompe uma das proteínas da hemoglobina. Esta mutação resulta no espessamento do sangue.
Talassemia– Mutação com sentido (tradução alongada da protína pela retirada do sinal STOP) troca o codão TAA (sinal STOP) pelo CAA. A proteína torna-se disfuncional.
Estratégia
A bactéria Escherichia coli traduz o aminoácido asparagina. O codão AAC aparece com mais frequência no seu DNA do que o codão AAT. Ambos os codões codificam para a asparagina. Contudo observa-se um aumento das taxas de síntese proteica com o AAC. A razão é que os tRNA (estruturas que se inserem no ribossoma e constroem os aminoácidos aquando da entrada do RNA) destes codões aparecem em concentrações diferentes. O tRNA do AAT é mais abundante do que o tRNA do AAC, desta forma há maior probabilidade de se traduzir o aminoácido do AAT. “Análises de genes de mamíferos [plantas, moscas e vermes também apresentam desvios similares] revelam tendências que favorecem determinados codões.”
Sair do Silêncio
Após a transcrição de DNA para RNA são retiradas regiões não codificadas, os intrões. Os exões são deixados, são as regiões codificadas. O RNA contendo apenas os exões é o mRNA. As coisas complicam-se quando se descobre que os exões não têm a função única de codificar para aminoácidos mas também ajudam na remoção dos intrões. Num RNA inicial os intrões e os exões estão alternados. Para que um intrão seja removido terá de haver um sinal que faça a maquinaria remover o intrão. Na junções intrão/exão existem 3 a 8 letras (estimuladores de intrões exónicos – ESSE) que podem ter um sinal de quebra da ligação ou de não quebra, mantendo-os unidos. Estes estimuladores podem fazer com que o organismo opte por certos nucleótidos. Os codões GGA e GGG codificam o aminoácido glicina, mas também se encontram em estimuladores de junções.
Alterações silenciosas nesses estimuladores de junções podem não alterar um aminoácido mas podem interromper a remoção dos intrões, o que poderá ter um efeito nefasto para uma proteína. A fibrose cística é uma doença causada por uma mutação silenciosa que intervém, também, na remoção dos intrões.
Outro mecanismo pelo qual a mutação silenciosa pode ser prejudicial é na dobra do mRNA. Mesmo que o intrão seja removido correctamente, o mRNA pode não dobrar devidamente, apenas pelo facto de uma letra ser diferente. O modo como se dobra determina a estabilidade do mRNA e isso afecta a velocidade de tradução. Alguns distúrbios cognitivos têm este mecanismo associado.
Eficiência
Grzegorz Kudla e colegas alteraram a percentagem relativa de G e C, o que levou a uma produção proteica cem vezes superior comparativamente com os mesmo genes pobres em G e C.
O gene COMT associado à tolerância à dor apresenta uma mutação que resulta numa alteração de um aminoácido. Contudo não há uma única variante deste gene. Não é do tipo on e off. Pessoas com intolerência à dor alta ou baixa apresentavam os mesmos nucleótidos, o que indicava haver outra causa para as variações. Os últimos resultados apontam para as mutações silenciosas.
J.V. Chamary e Laurence D. Hurst estimam que “entre 5% e 10% dos genes humanos contêm pelo menos uma região onde as mutações silenciosas poderiam ser prejudiciais.”
Fonte: Scientific American “O Custo das mutações Silenciosas”, J.V. Chamary e Laurence D. Hurst , Julho 2009
O vírus da gripe, antes de sair da célula hospedeira tem de juntar os seus 7 ou 8 segmentos para completar o virião. Contudo, como são milhares de viriões a sair acontece que muitos terão menos de 7 segmentos ou terão segmentos repetidos o que inviabiliza os vírus, que deixarão de infectar pois não têm os segmentos necessários a todo o processo de infecção.
Estes vírus não têm nenhum mecanismo de correcção de erros de transcrição. Desta forma haverá muitos erros de transcrição ou que resulta em proteínas erradas e num virião inviável. As mutações são bastante frequentes, e são o motivo pelo qual precisamos de nos vacinar todos os anos.
As mutações pontuais de H1N1, por exemplo, fazem com que o vírus tenha sucesso contra o nosso sistema imunitário, sistema esse que já protegia contra o H1N1 de uns meses antes. A causa disso é a deriva antigénica, que promove a aquisição de variabilidade genética. É um processo lento e provoca surtos epidémicos.
E se dois vírus da gripe diferentes infectarem a mesma célula, o que vai sair? A resposta é que irá haver, a altura da montagem e saída, uma mistura dos segmentos das duas estirpes. Haverá, então, recombinação antigénica. Neste mecanismo as alterações são enormes.
Podemos reparar que, quando surgiu uma estirpe nova houve um surto pandémico. Em 1918, H1N1; em 1957, H2N2; em 1968, H3N2. Isto deve-se ao facto de haver mistura e troca de segmentos de mais de uma estirpe de gripe. Este mecanismo é altamente pandémico.
O BI de um vírus tem como dados importantes o tipo de genoma, a simetria, o diâmetro, e se tem invólucro, que tipo de proteínas apresenta na sua superfície.
- O genoma do vírus da Gripe é de 7 ou 8 segmentos de RNA de cadeia simples (ssRNA), de polaridade negativa.
- A simetria a nucleocápside é helicoidal. A nucleocápside é constituída por 8 segmentos, nos tipos A e B, e por 7 segmentos no tipo C.
- O diâmetro do vírus é de 100 a 120 nm.
- O invólucro é lipídico e apresenta algumas proteínas específicas deste vírus na sua superfície: A Neuraminidase (NA) e a Hemaglutinina (HA). Apresenta ainda uma proteína bastante importante – a M2.
Esta é a estrutura viral do Influenzaviridae, da família dos Orthomyxoviridae, que pertence à ordem dos Mononegavirales. O NA e o HA representam os serótipos dos virus, há 9 tipos de N e 16 tipos de H.
O vírus entra na célula através da acção conjunta da Hemaglutinina, dos receptores celulares e de uma protease. A Hemaglutinina liga-se aos receptores celulares, o ácido siálico, a protease serínica cliva a Hemaglutinina em HA1 e HA2, desta forma o vírus o péptido sinal fica disponível e o vírus pode entrar. Acontece a endocitose.
A proteína M2 é um canal iónico que permite a descapsidação do vírus. Ao bombear protões para o interior do vírus torna o ambiente intraviral mais ácido, o suficiente para o invólucro se dissociar. Assim os segmentos genómicos ficam disponíveis para transcrever.
Os segmentos migram até ao núcleo celular, entram pelos poros nucleares. Como é no núcleo que está a maquinaria de transcrição celular, os segmentos virais aproveitam para transcrever também através da RdRp que sintetiza os mRNA virais. Estes mRNA apresentam zonas de ligação ao ribossoma (para poderem traduzir para proteínas) – 5’CAP - e de estabilidade – poli(A). A extremidade 5’CAP é cortada dos mRNA celulares e inserida nos mRNA virais pelo mecanismo de cap snatching. Desta forma os mRNA celulares ficam sem a extremidade onde o ribossoma acopla e não podem traduzir proteínas.
Ainda no núcleo ocorre o splicingde dois transcritos. Assim, a partir de 8 segmentos formam-se 10 proteínas.
Os mRNA virais saem do núcleo com as extremidades 5’CAP para o ribossoma poder traduzir e com a extremidade poli(A) que confere estabilidade. No citoplasma são traduzidas as proteínas. As proteínas da nucleocápside voltam ao núcleo para serem montadas lá.
Após a sua montagem retornam ao citoplasma através da acção da proteína M1 e da NEP/NS2. As nucleocápsides vão-se associar à M1 e vão adquirir o invólucros. Os mRNA trasncritos vão-se juntar e acontece a montagem completa do virião.
A Neuraminidase contribui para a libertação dos vírus da superfície da célula ao remover o ácido siálico da superfície da célula. Assim os vírus ficam livres para infectar outras células.
Fontes:
ANDRADE, H. Rebelo; DINIZ, António; FROES, Filipe – Gripe – Sociedade Portuguesa de Pneumologia – Lisboa – 2003 – ISSN: 972-8152-21-3
FERREIRA, Wanda F. Canas;SOUSA, João Carlos F. - Microbiologia Vol., Lidel .Lisboa, 2002. ISBN 972-757-136-0
Mais uma prova de evolução surgiu recentemente. O Homem polui os rios mas os peixes conseguiram evoluir e impedir a sua extinção. Conseguiram-no fazer tão bem que neste ambiente nefasto até aumentam a população.
"entre 1947 e 1976, duas fábricas de uma multinacional fizeram descargas no rio Hudson, em Nova Iorque, poluindo-o com 600 toneladas de um dos poluentes mais tóxicos e cancerígenos que se conhecem, o bifenilpoliclorado (PCB)."
"Investigadores da Universidade de Nova Iorque e do Instituto Oceanográfico Woods Hole estudaram recentemente o impacto desta poluição nos animais desse rio".
O resultado:
um peixe da família do bacalhau (Microgadus tomcod) "adaptou-se de tal forma que, ao contrário de outros, que desapareceram, proliferou e é hoje encontrado em grandes populações."
"Os investigadores perceberam esta alteração genética através da análise do gene AHR2, um método comum para controlar a sensibilidade aos PCBs. Dois dos mais de mil aminoácidos normalmente encontrados nas proteínas desse gene aparentemente desapareceram nas espécies que vivem na região."
Os patógenos, para se replicarem necessitam não só demanipular a sinalização celular e subverter o sistema imunológico mas ainda têm pela frente outra barreira: as bactérias que vivem no próprio organismo. 1 grama de intestino grosso contém cerca de 60 mil milhões de bactérias.
Uma das formas que as bactérias patogénicas usam para eliminar a concorrência bacteriana e causar diarreia. A exemplo desta estratégia, Citrobacter rodentium – variante de E. coli que ataca ratos – inflama o intestino e um influxo de células imunes que eliminam um importante subtipo de flora intestinal desses animais.Assim, podem multimplicar-se mais rapidamente.
Uma outra estratégia pertence à Salmonella, variante que ataca ratos. Esta bactéria imita o comportamento da flora intestinal do animal.
Intenet Genética
As interacções entre os microrganismos oferece uma oportunidade de aquisição e troca de ferramentas. O intestino funciona como uma internet microbiana, com uma grande interacção microbiana e, desta forma, grande troca de informação genética.
Como há um grande índice geracional nestes microrganismos, e como a partir de poucos são produzidos muitos numa única célula, a taxa de mutação é muito grande. Como tal a aquisição de mutações ou a troca, com outros microrganismos que se encontram na mesma célula, de material genético conferem competição diferencial positiva. É certo que muitos, devido às mutações, deixam de ser patogénicos mas os que continuam a ser patogénicos podem ter adquirido ferramentas poderosas.
A aquisição de novas ilhas de patogenicidade confere uma vantagem ao microrganismo, ao permitir a colonização de outro hospedeiro ou permitindo uma maior agressividade no mesmo hospedeiro. Pensa-se que a E.coliO157 surgiu no fim dos anos 70 ao adquirir uma ilha de patogenicidade que codifica uma nova T3SS que permite a produção da toxina Shiga. Esta toxina produz diarreia e doenças renais.
Tratamentos
Os sistemas de injecção do material genético das bactérias para o interior das células dá ideias para terapias. Uma nova vacina contra a E.coliO157 basia-se no conhecimento do sistema de secreção da bactéria. A vacina contém pedaços do T3SS e de alguns efectores para que o sistema imunitário possa reconhecer essas proteínas antes da possível infecção. Este tratamento destina-se a gado.
Outra estratégia de tratamento é o foco dos factores de virulência. Ao desligar os genes que expressam esses factores a bactéria torna-se inofensiva. A criação de moléculas bloqueadoras da adesão bactéria/célula também tem sido foco de atenção.
Fonte: Scientific American, "A Arte da Guerra Bacteriana", Brett Finlay, Março 2010
Nos últimos dez anos assistimos a um progresso exponencial do entendimento da genética. Há dez anos foi o anúncio da sequenciação do genoma humano. Em 2003, os investigadores do Instituto J. Craig Venter criaram a versão sintética do bacteriófago phiX174. Quatro anos mais tarde obtiveram a transformação de uma espécie de bactéria por transplante de genoma.
Actualmente as instruções podem ser implantadas em células de outra espécie para que estas expressem essas proteínas. Esta engenharia, de projectar sistemas vivos que desempenham funções não encontradas na Natureza provoca um grande impacto. Basta imaginar que podemos construir bactérias que produzem gasolina ou que destroem dióxido de carbono, ou até organismos geneticamente modificados que operam em células cancerígenas.
A informação contida no texto acima está num artigo de Lawrence M. Krauss, da Scientific American de Março de 2010. Isto é, Krauss previu, e bem, que o início da Era da Biologia Sintética estava a chegar. De facto, assim foi:
Podemos dizer que foi uma espécie de Profecia Científica.
Hoje temos a oportunidade de modificar o genoma de alimentos para que durem mais ou para que não sejam afectados por pragas e doenças. Outra grande vantagem dos organismos geneticamente modificados (OGM) é que não necessitam de pesticidas, aliviando o alimento e, também, o ambiente.
Actualmente já temos cartilagem criada em laboratório para substituir em caso de acidente. Daqui a poucos anos teremos packs de células especializadas para substituir em caso de necessidade.
Nos últimos 15 anos foram criados organelos celeluares sintéticos; o cromossoma humano, em 1997 e, no mesmo ano, ribossomas pelo tecnólogo molecular George Church e a sua equipa. O ano passado (2009) foi a vez de Robert Linhardt e a sua equipa criarem mais um organelo – o complexo de Golgi. (Universo Paralelo)
Agora, depois de 57 anos da experiência de Urey-Miller, por geração expontânea, magia, deus ou homem, o que é certo é que Craig Venter e a sua equipa criaram, pela primeira vez, uma bactéria totalmente feita a partir de componentes sintéticos.
O Genoma da bactéria é constituído por letras de DNA (A, G, C, T) de forma a codificar informação proteica. Estes quatro nucleótidos são compostos químicos de bases azotadas, pentoses e açúcares e podem ser unidos uns aos outros em laboratório. Assim, pode-se criar um código igual ao da bactéria natural e… voilá, aconteceu! (obviamente não é assim tão fácil).
A saga de Craig começou há mais de 15 anos e custou 40 milhões de dólares. Afinal não foi ao 6º dia... foi, antes, ao 5475º dia.
“O nascimento desta primeira forma de vida artificial ficará registado para a posteridade nas páginas da edição de sexta-feira da revista Science (e na Web, desde hoje). “Esta é a primeira célula sintética jamais fabricada”, afirma Venter, “e dizemos que é sintética porque a célula é totalmente derivada de um cromossoma sintético.”” (Público)
As bactérias sintéticas aparecem nesta imagem, são azuis e iguais às naturais de que são cópia.
Para reproduzir, uma protocélula tem de crescer, duplicar o seu conteúdo genético e, por fim, dividir-se. As experiências mostram que as vesículas primitivas podem crescer de duas formas:
1- Prie Luigi Luisi, na década de 90 adicionou ácidos gordos à água ao redor dessas vesículas. As membranas incorporaram os ácidos gordos (como já se tinha predito atrás) e aumentaram a área de superfície. Ou seja, o volume aumentou.
2- Irene Chen, mostrou que as protocélulas cheias de RNA incharam. “As membranas inchadas foram submetidas à tensão que provocou crescimento. (…) as vesículas inchadas cresceram ao sequestrar ácidos gordos das vesículas relaxadas vizinhas, que encolheram”
Em 2008 Ting Zhu observou o crescimento de protocélulas após alimentá-las com ácidos gordos. Surpreendentemente as vesículas produziram filamentos, que foram crescendo e que transformaram toda a vesícula num tubo fino e instável a movimentações. Facilmente se quebrava em muitas protocélulas filhas que cresciam e repetiam todo o ciclo.
As protocélulas teriam ainda de evoluir, de separar as cadeias de RNA para que cada uma servisse de molde à polimerização de outra nova cadeia.
Tal evento poderia ter ocorrido em zonas vulcânicas, com a ajuda de correntes de convecção. “As protocélulas (…) ficariam expostas a ondas súbitas de calor ao passar perto das rochas quentes (…) [que] faria com que uma hélice dupla se separasse em cadeias simples”. Nas regiões frias a dupla hélice retomava a sua estrutura original.
Em algum tempo surgiam mutações, tornando-se ribozimas que aumentariam a velocidade de replicação do RNA (como descrito acima), originando uma vantagem adaptativa. Posteriormente as ribozimas começariam a copiar o RNA sem ajuda externa.
Fonte:
A. Ricardo e J.W. Szostak, "Origem da Vida na Terra", Scientific American, Outubro 2009Read more...
O último passo é a polimerização, a junção de vários nucleótidos de forma a formar uma cadeia de RNA. Os investigadores conseguiram, com a adição de substâncias químicas formar espontaneamente cadeias de 2 a 40 nucleótidos de RNA. Jim Ferris nos anos 90 demonstrou que os argilominerais aumentam o rendimento para 50 nucleótidos.
Outro desafio é a replicação. Esta característica é essencial para um organismo e são a enzimas a realizar esse processo. Contudo, como já foi referido, o RNA pode realizar essa tarefa. David Bartel fez ribozimas “evoluírem”.
“A cada rodada de replicação, algumas das novas linhagens de RNA sofriam mutações que as transformavam em catalisadores mais eficientes, e mais uma vez nós as seleccionamos para a próxima rodada de replicação. (…) fomos capazes de produzir ribozimas que podem catalisar a cópia de fitas relativamente pequenas de DNA”(Alonso Ricardo e Jack W. Szostak).
Tracey Lincoln e Gerald Joyce construíram duas ribozimas de RNA evoluírem. Conseguiram com que fizessem cópias delas próprias. Contudo necessitaram de juntar sequências pré-existentes de RNA para que a reacção tivesse sucesso. O processo catalítico, de construir uma cadeia de RNA ou DNA a partir de um molde fornecido é demorado. Mas ao trocar o par oxigénio-hidrogénio por um grupo amina no açúcar (equivalente a uma mutação) torna a polimerização muito mais rápida.
Como é que os componentes celulares arcaicos se juntaram no interior de uma membrana para formar as protocélulas? Uma célula tem estruturas proteicas que reparam a membrana e fornecem à célula uma concentração osmótica suficiente para viver. Então, como é que uma protocélula, sem a maquinaria proteica o pode fazer?
Estudos da década de 70 mostram como é que as membranas se juntavam de forma espontânea a partir de ácidos gordos, mas eram uma barreira para a entrada de nucleótidos. Mas, mesmo com esta barreira, os nucleótidos e outras moléculas podem “escorregar” através da membrana. Isto em membranas simples.
Uma simples experiência comprova-o: “preparámos vesículas feitas com ácidos gordos contendo um pequeno pedaço de uma cadeia simples de DNA (…) [para servir de] molde (…) [e] expusemos essas vesículas a versões quimicamente reactivas desses nucleótidos. Os nucleótidos cruzaram a membrana de forma espontânea (…), se alinharam com a cadeia de DNA e reagiram um com o outro para gerar uma fita complementar”
Fonte:
A. Ricardo e J.W. Szostak, "Origem da Vida na Terra", Scientific American, Outubro 2009
O RNA e DNA são compostos por bases azotadas, um açúcar e um grupo fosfato. As bases azotadas podem surgir de espontaneamente a partir de cianeto, acetileno e água. Os açúcares também se formam facilmente a partir de uma solução alcalina de formaldeído aquecida. Estes compostos estavam todos presentes na terra primitiva. Contudo há um problema: a ribose é instável em soluções alcalinas. Como é que se estabilizou? Alonso Ricardo demonstrou formas de estabilização da ribose.
O fosfato, o terceiro componente é um problema. “Está presente em minerais que não se dissolvem facilmente na água. As altas temperaturas (…) podem converter os minerais (…) em formas solúveis de fosfato, mas as quantidades [de fosfato] são pequenas” Um mineral diferente destes é a schreibersita, encontrado em meteoritos.
Matthew Pasek e Dante Lauretta descobriram que a corrosão deste mineral “liberta fósforo de uma forma mais solúvel na água do que o fosfato e é mais reactiva com compostos orgânicos”
Embora possam ser formados de forma espontânea na água ainda não foi explicado como podem, estes três componentes (Fosfato, açúcar e base azotada), formar nucleótidos (unidades de RNA) espontaneamente. O nucleótidos precisam de energia para se organizarem.
John Sutherland sugeriu como ocorreu a formação dos nucleótidos de forma estável. A equipa juntou as bases azotadas e a ribose com o fosfato. Ou seja, em vez de o fosfato entrar mais tarde, ele foi misturado na reacção ao mesmo tempo. Desta forma o fosfato agiu como catalisador e produziu 2-amino-oxazol – fragmento de açúcar com outro de base azotada.
Esta molécula resultante é estável e volátil e é provável que se tenha formado nessas reacções. Terá evaporado com a água e condensou noutro local, onde se terá acumulado. Numa determinada concentração e com os componentes necessários ocorre a formação das bases azotadas e do açúcar ligados.
Nem sempre a junção destes componentes é correcta, mas a exposição à radiação UV destrói os nucleótidos “incorrectos”.
Fonte:
A. Ricardo e J.W. Szostak, "Origem da Vida na Terra", Scientific American, Outubro 2009Read more...
É difícil imaginar como as enzimas se formaram espontaneamente de forma a ser um tijolo no aparecimento das primeiras formas de vida, há aproximadamente 3,7 mil milhões de anos. Em condições ideais os aminoácidos surgem facilmente, como demonstrado por Stanley Miller. Agora há que transformar esses aminoácidos em proteínas espontaneamente.
Existe um paradoxo nesta história: precisamos de proteínas para construir proteínas. O DNA precisa que proteínas se acoplem à estrutura para que possa ser transcrita para RNA e daí outras proteínas permitem a tradução para aminoácidos, que constroem proteínas.
Então e se os primeiros organismos não precisassem de proteínas? Primeiro é preciso demonstrar que RNA e DNA se possam formar espontaneamente. E sim, podem formar-se de forma espontânea. E mais, podem enrolar-se de forma a actuar como catalisadores (em vez de usar proteínas). Desta forma são capazes de se replicar sem necessitarem de proteínas. Assim, pensa-se que as primeiras formas de vida tenham sido membranas de ácidos gordos que aprisionaram água em conjunto com o RNA replicante. O próximo passo foram as mutações, que impulsionaram a evolução destas formas permitindo a sua adaptação.
O RNA apareceu em primeiro lugar. O DNA terá aparecido posteriormente como uma forma mais permanente de armazenamento devido à sua estabilidade, superior à do RNA.
As unidades de tradução de RNA para proteína são formadas, elas próprias, por RNA e por proteínas. Esse RNA presente nos ribossomas são evidências fósseis de um passado em que o RNA catalisava a sua própria replicação.
Fonte:
A. Ricardo e J.W. Szostak, "Origem da Vida na Terra", Scientific American, Outubro 2009
Até agora as mutações silenciosas eram aquelas a que não correspondia qualquer alteração fenotípica, pois não haveria alteração das proteínas formadas.
As mutações pontuais, trocas de uma única letra, podem levar a alterações de aminoácidos e das proteínas constituídas por eles. O aminoácido pode ser errado e a proteína deixa de ter função ou tem a sua função debilitada. Ou pior, em determinadas trocas de letras pode surgir o sinal de STOP de tradução e a proteína não fica concluída. Outro tipo de mutação é a mutação silenciosa, a troca é feita mas o seu significado é semelhante no codão final (conjuntos de 3 letras que leva à formação de um aminoácido).
Três mutações pontuais modificam moléculas de hemoglobina e são responsáveis por três doenças graves:
Anemia falciforme – Substituição de um aminoácido hidrofílico por um hidrofóbico
Policitemia – Mutação sem sentido (tradução incompleta da proteína) interrompe uma das proteínas da hemoglobina. Esta mutação resulta no espessamento do sangue.
Talassemia– Mutação com sentido (tradução alongada da protína pela retirada do sinal STOP) troca o codão TAA (sinal STOP) pelo CAA. A proteína torna-se disfuncional.
Estratégia
A bactéria Escherichia coli traduz o aminoácido asparagina. O codão AAC aparece com mais frequência no seu DNA do que o codão AAT. Ambos os codões codificam para a asparagina. Contudo observa-se um aumento das taxas de síntese proteica com o AAC. A razão é que os tRNA (estruturas que se inserem no ribossoma e constroem os aminoácidos aquando da entrada do RNA) destes codões aparecem em concentrações diferentes. O tRNA do AAT é mais abundante do que o tRNA do AAC, desta forma há maior probabilidade de se traduzir o aminoácido do AAT. “Análises de genes de mamíferos [plantas, moscas e vermes também apresentam desvios similares] revelam tendências que favorecem determinados codões.”
Sair do Silêncio
Após a transcrição de DNA para RNA são retiradas regiões não codificadas, os intrões. Os exões são deixados, são as regiões codificadas. O RNA contendo apenas os exões é o mRNA. As coisas complicam-se quando se descobre que os exões não têm a função única de codificar para aminoácidos mas também ajudam na remoção dos intrões. Num RNA inicial os intrões e os exões estão alternados. Para que um intrão seja removido terá de haver um sinal que faça a maquinaria remover o intrão. Na junções intrão/exão existem 3 a 8 letras (estimuladores de intrões exónicos – ESSE) que podem ter um sinal de quebra da ligação ou de não quebra, mantendo-os unidos. Estes estimuladores podem fazer com que o organismo opte por certos nucleótidos. Os codões GGA e GGG codificam o aminoácido glicina, mas também se encontram em estimuladores de junções.
Alterações silenciosas nesses estimuladores de junções podem não alterar um aminoácido mas podem interromper a remoção dos intrões, o que poderá ter um efeito nefasto para uma proteína. A fibrose cística é uma doença causada por uma mutação silenciosa que intervém, também, na remoção dos intrões.
Outro mecanismo pelo qual a mutação silenciosa pode ser prejudicial é na dobra do mRNA. Mesmo que o intrão seja removido correctamente, o mRNA pode não dobrar devidamente, apenas pelo facto de uma letra ser diferente. O modo como se dobra determina a estabilidade do mRNA e isso afecta a velocidade de tradução. Alguns distúrbios cognitivos têm este mecanismo associado.
Eficiência
Grzegorz Kudla e colegas alteraram a percentagem relativa de G e C, o que levou a uma produção proteica cem vezes superior comparativamente com os mesmo genes pobres em G e C.
O gene COMT associado à tolerância à dor apresenta uma mutação que resulta numa alteração de um aminoácido. Contudo não há uma única variante deste gene. Não é do tipo on e off. Pessoas com intolerência à dor alta ou baixa apresentavam os mesmos nucleótidos, o que indicava haver outra causa para as variações. Os últimos resultados apontam para as mutações silenciosas.
J.V. Chamary e Laurence D. Hurst estimam que “entre 5% e 10% dos genes humanos contêm pelo menos uma região onde as mutações silenciosas poderiam ser prejudiciais.”
Fonte: Scientific American “O Custo das mutações Silenciosas”, J.V. Chamary e Laurence D. Hurst , Julho 2009
O vírus da gripe, antes de sair da célula hospedeira tem de juntar os seus 7 ou 8 segmentos para completar o virião. Contudo, como são milhares de viriões a sair acontece que muitos terão menos de 7 segmentos ou terão segmentos repetidos o que inviabiliza os vírus, que deixarão de infectar pois não têm os segmentos necessários a todo o processo de infecção.
Estes vírus não têm nenhum mecanismo de correcção de erros de transcrição. Desta forma haverá muitos erros de transcrição ou que resulta em proteínas erradas e num virião inviável. As mutações são bastante frequentes, e são o motivo pelo qual precisamos de nos vacinar todos os anos.
As mutações pontuais de H1N1, por exemplo, fazem com que o vírus tenha sucesso contra o nosso sistema imunitário, sistema esse que já protegia contra o H1N1 de uns meses antes. A causa disso é a deriva antigénica, que promove a aquisição de variabilidade genética. É um processo lento e provoca surtos epidémicos.
E se dois vírus da gripe diferentes infectarem a mesma célula, o que vai sair? A resposta é que irá haver, a altura da montagem e saída, uma mistura dos segmentos das duas estirpes. Haverá, então, recombinação antigénica. Neste mecanismo as alterações são enormes.
Podemos reparar que, quando surgiu uma estirpe nova houve um surto pandémico. Em 1918, H1N1; em 1957, H2N2; em 1968, H3N2. Isto deve-se ao facto de haver mistura e troca de segmentos de mais de uma estirpe de gripe. Este mecanismo é altamente pandémico.
O BI de um vírus tem como dados importantes o tipo de genoma, a simetria, o diâmetro, e se tem invólucro, que tipo de proteínas apresenta na sua superfície.
- O genoma do vírus da Gripe é de 7 ou 8 segmentos de RNA de cadeia simples (ssRNA), de polaridade negativa.
- A simetria a nucleocápside é helicoidal. A nucleocápside é constituída por 8 segmentos, nos tipos A e B, e por 7 segmentos no tipo C.
- O diâmetro do vírus é de 100 a 120 nm.
- O invólucro é lipídico e apresenta algumas proteínas específicas deste vírus na sua superfície: A Neuraminidase (NA) e a Hemaglutinina (HA). Apresenta ainda uma proteína bastante importante – a M2.
Esta é a estrutura viral do Influenzaviridae, da família dos Orthomyxoviridae, que pertence à ordem dos Mononegavirales. O NA e o HA representam os serótipos dos virus, há 9 tipos de N e 16 tipos de H.
O vírus entra na célula através da acção conjunta da Hemaglutinina, dos receptores celulares e de uma protease. A Hemaglutinina liga-se aos receptores celulares, o ácido siálico, a protease serínica cliva a Hemaglutinina em HA1 e HA2, desta forma o vírus o péptido sinal fica disponível e o vírus pode entrar. Acontece a endocitose.
A proteína M2 é um canal iónico que permite a descapsidação do vírus. Ao bombear protões para o interior do vírus torna o ambiente intraviral mais ácido, o suficiente para o invólucro se dissociar. Assim os segmentos genómicos ficam disponíveis para transcrever.
Os segmentos migram até ao núcleo celular, entram pelos poros nucleares. Como é no núcleo que está a maquinaria de transcrição celular, os segmentos virais aproveitam para transcrever também através da RdRp que sintetiza os mRNA virais. Estes mRNA apresentam zonas de ligação ao ribossoma (para poderem traduzir para proteínas) – 5’CAP - e de estabilidade – poli(A). A extremidade 5’CAP é cortada dos mRNA celulares e inserida nos mRNA virais pelo mecanismo de cap snatching. Desta forma os mRNA celulares ficam sem a extremidade onde o ribossoma acopla e não podem traduzir proteínas.
Ainda no núcleo ocorre o splicingde dois transcritos. Assim, a partir de 8 segmentos formam-se 10 proteínas.
Os mRNA virais saem do núcleo com as extremidades 5’CAP para o ribossoma poder traduzir e com a extremidade poli(A) que confere estabilidade. No citoplasma são traduzidas as proteínas. As proteínas da nucleocápside voltam ao núcleo para serem montadas lá.
Após a sua montagem retornam ao citoplasma através da acção da proteína M1 e da NEP/NS2. As nucleocápsides vão-se associar à M1 e vão adquirir o invólucros. Os mRNA trasncritos vão-se juntar e acontece a montagem completa do virião.
A Neuraminidase contribui para a libertação dos vírus da superfície da célula ao remover o ácido siálico da superfície da célula. Assim os vírus ficam livres para infectar outras células.
Fontes:
ANDRADE, H. Rebelo; DINIZ, António; FROES, Filipe – Gripe – Sociedade Portuguesa de Pneumologia – Lisboa – 2003 – ISSN: 972-8152-21-3
FERREIRA, Wanda F. Canas;SOUSA, João Carlos F. - Microbiologia Vol., Lidel .Lisboa, 2002. ISBN 972-757-136-0
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