Olá, pessoal. Tenho escrito artigos aqui no LIVRE sobre os problemas da Ciência e da Educação superior no Brasil, em comparação com outros países. Entretanto, ainda não tratei da pesquisa que desenvolvo na Universidade de Brasília. Alguns leitores pediram para explicá-la. Aqui estou!
Nesse sentido, gostaria de contar sobre o meu trabalho científico, das pessoas que ajudaram (e ainda ajudam), e como chegamos a nossas descobertas. São quase 30 anos de história. Conseguimos formular uma teoria que é hoje estudada nos 5 continentes. E adianto que temos planos de continuar a aventura nas fronteiras do conhecimento, nos aprofundando em novos aspectos de nossa teoria de adaptação animal – forjada no Brasil, juntamente com um incrível casal canadense.
Introdução
Desde 1991 me interesso em entender como certos animais conseguem se adaptar a incríveis condições do ambiente, como o frio congelante, baixíssima oxigenação, seca ambiental severa, elevadas temperaturas, etc. Por exemplo, nos desertos norte-americanos, há espécies de sapos que se enterram por 1-2 anos, baixam o metabolismo e esperam a volta das chuvas. Fazem um tipo especial de hibernação: a estivação. Ocorre o mesmo na caatinga brasileira, onde algumas espécies de sapos que habitam leitos de rios temporários se enterram nos meses sem chuva – quando os rios secam. E isso por até 2 metros de profundidade, à procura de solo úmido.
Nas regiões temperadas da América do Norte, muitos rios e lagos congelam. Mas o gelo fica na superfície. Quando cobre toda a extensão do corpo d’água, há um bloqueio da troca gasosa entre a atmosfera e a água. Com o passar das semanas, os organismos consomem e escasseiam o oxigênio, criando assim um ambiente de hipóxia. Em combinação com a baixa temperatura desses locais, diversas espécies de répteis e anfíbios hibernam no fundo desses rios e lagos, numa hibernação anaeróbia. É uma hipóxia natural e periódica.
Mas em diversos outros locais há regiões com hipóxia crônica, persistente, como no Mar Báltico e Golfo do México. A vida marinha nessas regiões precisa se adaptar para sobreviver por meio da seleção natural das espécies com melhor tolerância a hipóxia. Mesmo na Amazônia há episódios de hipóxia que oscilam entre o dia e noite. À noite não há fotossíntese, as microalgas e animais aquáticos consomem todo o oxigênio e geram hipóxia. Os peixes e outros animais aquáticos que não migram para outros locais precisam estar adaptados a tais condições.
Esses são alguns dos exemplos de animais que se adaptam a condições difíceis da natureza. Meu interesse, nos anos 90, foi conhecer as bases moleculares dessas adaptações. Um aspecto que me cativou é que vários desses animais passam por circunstâncias semelhantes ao estresse da isquemia e reperfusão cardíaca, tão estudada naquela época. A isquemia ocorre quando o sangue para de circular nas coronárias (causada por obstrução aterosclerótica ou trombótica) e pode lesionar irreparavelmente o coração. Com a desobstrução, muitas vezes há a piora da função cardíaca. O sangue oxigenado que o coração precisa se torna tóxico na reperfusão.
Nos anos 80, verificou-se a formação de excesso de radicais livres (em destaque os radicais de oxigênio, ou de nitrogênio, que chamaremos de “oxi-radicais”) na reperfusão – e que lesões cardíacas poderiam ser minimizadas com o uso exógeno de antioxidantes. Essas descobertas abriram todo um campo de pesquisa e possibilitaram o entendimento dos processos moleculares que induziam a formação de oxi-radicais na isquemia/reperfusão.
Foi nessa época que me fiz uma pergunta que causou um imenso impacto em minha vida acadêmica: será que animais que vivem em ambientes que passam por ciclos naturais de oxigenação, hipóxia seguida por e re-oxigenação, apresentam algum mecanismo de proteção contra a formação de oxi-radicais e lesões celulares? Enviei essa pergunta, por carta, a um pesquisador do Canadá que estudava (e ainda estuda) animais que passam por ciclos de anoxia e re-oxigenação, assim como congelamento e descongelamento – isso mesmo, animais que congelam vivos! Não é fascinante? Mudei-me então para Ottawa em meados de 1991 para trabalhar com o Prof. Kenneth Bruce Storey.
Fui estudar uma espécie de cobra (garter snakes, cobra de jardins) que congela vida, fato que outros biólogos do Canadá já sabiam há alguns anos. Mas o que descobri, do ponto de vista da bioquímica, mudou para sempre minha vida profissional. Verifiquei o aumento da atividade (é uma medida análoga à quantidade) de determinadas enzimas antioxidantes em tecidos de cobras congeladas, vivas, na temperatura de -2,5oC. A primeira observação foi com a enzima catalase, em setembro de 1991.
Essas cobras norte-americanas conseguem sobreviver a 40-50% de congelamento da água corporal por 8 horas, sem aparente lesão nos tecidos. Nesse estado de congelamento não há fluxo de sangue, pois ele congela. Os tecidos ficam em estado isquêmico por não receberem oxigênio e nutrientes. No descongelamento há uma situação análoga à reperfusão cardíaca.
A observação do aumento da atividade de antioxidantes naturais nessas cobras durante o congelamento me fez sugerir que havia um preparo para o estresse da reperfusão no descongelamento, o que induziria um aumento da formação de oxi-radicais. Assim, o aumento de antioxidantes no congelamento serviria como uma proteção “antecipada” para o descongelamento. Essa interpretação foi publicada em 1993 em uma revista de fisiologia muito respeitada, o American Journal of Physiology (link 1). Nos anos subsequentes me dediquei a estudar se o “preparo para o estresse oxidativo” (ou seja, o preparo contra o excesso de formação de oxi-radicais) ocorreria em outros animais, e em outras condições, como, por exemplo, a hipóxia ou a estivação.
Ao longo dos anos 90 conseguimos verificar que outros animais utilizavam o mecanismo de preparo para o estresse oxidativo (do inglês, POS), nome que demos ao fenômeno. Era uma época em que conhecíamos muito pouco a respeito dos mecanismos de controle e regulação da formação de oxi-radicais nas células. Pensávamos que esses oxi-radicais seriam “vilões moleculares”, e que as células precisavam sempre se proteger dessa “falha da natureza”.
Mas no século XXI as coisas começaram a mudar. Percebemos que os oxi-radicais são substâncias essenciais à vida, pois, em baixas concentrações, regulam centenas de processos celulares. Sem eles há um colapso celular. Mas a formação descontrolada de oxi-radicais nas células pode ser bem tóxica.
Em relação aos “nossos” animais, vivenciei essa grande mudança de paradigma científico da bioquímica dos radicais livres. Curiosamente, isso não afetou em demasia a hipótese do POS, pois nossa preocupação era com a formação em excesso de oxi-radicais. Verificamos que o POS acontecia em outras espécies de animais. Nosso grupo pesquisou o POS em outros animais, em diferentes estresses, além da “cobra de jardins”. A lista incluiu sapinhos de regiões temperadas e da caatinga, caramujos, peixes dourados, larvas de borboleta, siris de estuários, mexilhões, lagartos e até esquilos do ártico (de uma pesquisa no Alaska). Foram 14 espécies no total. Outros laboratórios, em 28 países, contribuíram com estudos em várias dezenas de espécies animais.
Os países: Brasil, Argentina, Chile, México, EUA, Canadá, UK, Portugal, Espanha, França, Itália, Alemanha, Dinamarca, Suécia, Finlândia, Polônia, Sérvia, Ucrânia, Grécia, Israel, Egito, África do Sul, Índia, China, Singapura, Japão, Coréia e Austrália.
A última contagem “oficial” do POS, publicada em 2017, chegou a 83 espécies que utilizam o mecanismo POS (link 2). Mas esse número está chegando a 100 espécies que pertencem a 8 filos animais, incluindo vertebrados e invertebrados (vide Figura abaixo, confeccionada pelo amigo e pesquisador argentino Maximiliano Giraud-Billoud). Um filo que estamos ainda investigando a presença do POS é dos poríferos. Iniciamos um novo estudo, com a atualização da lista de espécies. A estudante de Biologia Giovanna Zavaroni lidera esse trabalho.
É muito gratificante ter ajudado a construir uma explicação para um fenômeno adaptativo animal no âmbito bioquímico – o mecanismo POS. E pensar que quando formulamos a hipótese do POS, publicada em 1998 (link 3), nossa lista tinha apenas 6 espécies. Alguns anos depois, com mais resultados em mãos, reforçamos nossas ideias em um segundo artigo, publicado em 2002 em conjunto com uma querida amiga mexicana, Dra. Tania Zenteno (link 4), estudo que já recebeu mais de 500 citações!
Mas a nossa pesquisa não tem se limitado a mostrar a existência do POS em diversos animais. Há alguns anos tentávamos entender o mecanismo molecular do POS. Até meados de 2012 não havia uma explicação convincente. Mas foi no preparo de uma palestra para proferir num congresso no México, em 2012, que veio a inspiração. Juntei peças de um quebra-cabeça de dados publicados previamente, e formulei uma explicação molecular para o fenômeno. Aceita por metade da plateia, a proposta foi publicada em 2013 (link 5).
Posteriormente, em 2014, apresentei a teoria do POS em um congresso na Alemanha – no exato dia do trágico 7 x 1! Nesse congresso, praticamente todos aprovaram a explicação molecular para o POS. Isso nos levou a um novo desafio: publicar nossa teoria de forma detalhada do ponto de vista fisiológico e molecular, o que aconteceu em 2015 (link 6). Os estudos publicados em 2013 e 2015, somados, estão com mais de 150 citações. Não detalharei a base molecular da teoria, pois os leitores ficariam entediados (se és biólogo, veja a imagem “A” no link a seguir: https://www.frontiersin.org/files/Articles/288368/fphys-08-00702-HTML-r1/image_m/fphys-08-00702-g002.jpg). Mas é importante explicar que fizemos uma mudança de 180 graus em um aspecto da explicação bioquímica que tentávamos formular. Acreditávamos que na hipóxia (baixa oxigenação) haveria uma MENOR formação de oxi-radicais. Mas hoje pensamos o contrário – formam-se MAIS oxi-radicais com MENOS oxigênio nos tecidos. Essa mudança de paradigma nos permitiu entender de maneira clara os mecanismos moleculares que ativam o POS.
Atuais desafios de nossa pesquisa
Como podem perceber, nossa equipe não se limitou a estudar o POS em uma imensa variedade de animais. Trabalhamos com um pequeno número de espécies para mostrar que o mecanismo POS realmente existe, e que ocorre em grupos animais bem diversificados. Pesquisadores de outros países (e do Brasil também) aumentaram a lista de espécies mais de 10 vezes. Seria uma “coleção de selos” caso estudássemos mais e mais espécies para verificar se fazem ou não POS. O que nos interessa no momento é estudar se o POS ocorre na natureza. Praticamente todos os estudos publicados foram feitos em laboratório (há uma exceção, mas com resultados de difícil interpretação).
Em Santa Catarina, verificamos que mexilhões de costão, quando expostos ao ar na maré baixa (condição que causa hipóxia tecidual nos mexilhões), produzem maior quantidade do antioxidante glutationa. Esta molécula minimiza os efeitos de oxi-radicais formados nos mexilhões como consequência da hipóxia/reoxigenação que ocorre no ciclo das marés e pela radiação UV. Esse estudo, submetido recentemente para publicação, indica que mexilhões fazem POS no meio natural – na maré baixa.
Estudamos também duas espécies de sapinhos que estivam na caatinga (no Rio Grande do Norte) por muitos meses. Analisamos os músculos e constatamos um aumento de antioxidantes durante a estivação, quando os sapos estão enterrados nos leitos secos dos rios. É um sinal claro da existência do POS na natureza, que levou um co-autor, Dr. Daniel Moreira, a ser premiado pela melhor tese da UnB em ciências da vida.
Estamos iniciando estudos com outras espécies para verificar se o fenômeno do “POS natural” é realmente “para valer”. Inclui ouriços do mar (trabalho de uma estudante de doutorado de Vila Velha, Tatiana Miura) e uma espécie de sapinho que hiberna em regiões elevadas da Serra do Mar – o Dr. Juan Manuel Carvajalino -Fernández, da nossa equipe, está desenvolvendo essa pesquisa. Ele passou vários dias em montanhas mais de 2 mil metros, na divisa do RJ e MG, procurando sapinhos em hibernação.
Soubemos, recentemente, de um estudo sobre um peixinho de rios no norte do estado do Goiás, Tocantins e Mato Grosso que é excelente “candidato” ao POS na natureza”. Isso porque ele habita pequenos rios que ficam em hipóxia em determinados meses do ano. Verificamos o aumento de uma enzima antioxidante em brânquias do peixinho na época da seca. Essa pesquisa está sendo realizada por um casal de Goiás (Profs. Fabrício Barreto Teresa e Luciana de Souza Ondei). Demonstrar que o POS acontece na natureza é também importante para o conhecimento da biodiversidade, do ponto de vista molecular.
Outro desafio é desvendar a origem evolutiva do POS. Há muitas evidências que plantas ajustam seus sistemas antioxidantes para lidar com processos de alteração ambiental – mas seria POS? Plantas e animais se separaram há mais de 1 bilhão de anos. Como não somos especialistas em plantas, resolvemos permanecer no reino animal. O grupo animal mais antigo que apresenta POS são os cnidários, que existem há 700 milhões de anos. Verificar se há POS em esponjas (outro filo animal) seria recuar mais 100-200 milhões de anos na história da vida. Nos interessa a exposição aérea das esponjas durante a maré baixa. A estudante de biologia Marina Minari, co-orientada pelo oceanógrafo Marcio Alberto Geihs, está dando início nessa pesquisa.
Considerações finais
Fomos os pioneiros em passos importantes da pesquisa do POS, desde a primeira observação, em 1993, à formulação da hipótese do POS (1998), seguido pelo mecanismo molecular do fenômeno (2013-2015). Depois passamos aos seus aspectos ecológicos e evolutivos. É o que estamos pesquisando no momento.
Desde 2015, chamamos esse fenômeno de “teoria do POS”. Será que algum dia haverá uma “lei natural do POS”? Não viverei para ver isso, caso aconteça. Mas estarei torcendo, lá de cima, para que a chamada “verdade científica” – em relação ao POS – esteja sempre colocada à prova.
Espero também que os conhecimentos sobre o POS possam também ser usados para o benefício do homem, pois muitos segredos de regulação do sistema antioxidante (que “nossos animais” fazem excelente uso) poderiam ser usados no tratamento de doenças humanas, como cardiopatias e câncer. Diversas células cancerígenas fazem POS como adaptação à hipóxia no interior de tumores. Ou seja, é o POS a “serviço do mal” – nesse caso, a estratégia médica seria bloqueá-lo. Mas passo o bastão para o pessoal da biotecnologia e fecho o ciclo da ciência básica para a aplicação na sociedade.
Referências:
- Hermes-Lima e Storey 1993
https://www.physiology.org/doi/abs/10.1152/ajpregu.1993.265.3.R646
- Moreira et al. 2017
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2017.00702/full
- Hermes-Lima et al. 1998
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0305049198100536
- Hermes-Lima e Zenteno-Savín 2002
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1532045602000807
- Welker et al. 2013
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1095643313000986
- Hermes-Lima et al. 2015
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0891584915005201
Pesquisa nas montanhas muito frias de Itatiaia, RJ
Pesquisa na caatinga, RN
Pesquisa com mexilhões (Santa Catarina)
Esponjas marinhas (Santos-SP)
