As maiores descobertas da biologia em 2023 | Revista Quanta

As revoluções nas ciências biológicas podem assumir muitas formas. Às vezes, eles surgem do uso de uma ferramenta nova ou da invenção de uma teoria radical que de repente abre tantos novos caminhos para a pesquisa que pode parecer vertiginoso. Às vezes, tomam forma lentamente, através da lenta acumulação de estudos, cada um representando anos de trabalho árduo, que colectivamente destroem a sabedoria prevalecente e revelam uma estrutura intelectual melhor e mais forte. Ambos os tipos de revolução desencadeiam avalanches de novas ideias e insights que melhoram a nossa compreensão de como a vida funciona.

No ano passado não faltou isso. Por exemplo, pesquisadores desenvolveu com sucesso “modelos de embriões” – embriões artificiais cultivados em laboratório que amadurecem como os reais – que atingiram um estágio de desenvolvimento mais avançado do que nunca. Essa realização poderá eventualmente produzir novos conhecimentos valiosos sobre a forma como os fetos humanos crescem, embora o debate sobre o estatuto ético desses modelos também pareça provável. Enquanto isso, no mundo da neurociência, os pesquisadores que estudam a depressão continuaram a afastar-se da teoria que geralmente orientou grande parte da pesquisa e do tratamento farmacêutico dessa doença durante décadas.

Mas esses tipos de revolução biológica envolvem a engenhosidade humana, com os investigadores das ciências da vida a chegarem a novas conclusões. As revoluções também ocorrem na própria biologia – quando a evolução permitiu aos organismos fazer algo sem precedentes. Os biólogos descobriram recentemente muitos outros casos deste tipo de avanço.

Manter o controle do tempo, por exemplo, é uma função essencial para todos os seres vivos, desde microorganismos que aguardam até a próxima divisão celular, até embriões que desenvolvem membros e órgãos, até criaturas mais complexas que rastreiam a passagem do dia e da noite. Equipes de pesquisadores trabalhando em laboratórios ao redor do mundo descobriram recentemente que algumas características-chave da cronometragem são ligada ao metabolismo celular – o que significa que a organela chamada mitocôndria é ao mesmo tempo um gerador e um relógio. Outros aspectos da cronometragem são medidos pelo progresso de um balé molecular em que proteínas especializadas fazem piruetas antes de se separarem novamente.

Os pesquisadores também esperam fazer em breve descobertas importantes, agora que podem cultivar algumas das células primitivas e há muito perdidas, chamadas Arqueia de Asgard. Há mil milhões de anos, Asgard archaea (ou células muito semelhantes a elas) deram o passo escandaloso de formar parcerias permanentes com os antepassados ​​das mitocôndrias, dando assim origem às primeiras células complexas. Os segredos de como e por que essa descoberta biológica aconteceu podem estar à espreita nessas culturas de células exóticas. Enquanto isso, outros pesquisadores estão examinando o Micróbios de “crosta granulada” que vivem no deserto árido do Atacama, no Chile, em busca de pistas sobre como as primeiras células terrestres sobreviveram.

Em 2023, foram descobertas inovações biológicas maravilhosas em número suficiente para formar um verdadeiro desfile: o plâncton que sobrecarregaram suas habilidades fotossintéticas reaproveitando uma de suas membranas e micróbios subterrâneos que aprenderam a produzir oxigênio na escuridão total. Um truque imunológico que protege os bebês no útero, e um truque neurológico que permite ao cérebro mapear relações sociais como paisagens físicas. Uma mutação simples que transformou formigas em parasitas sociais complexos praticamente da noite para o dia, e um demolição estratégica de DNA que os worms usam para proteger seus genomas.

Quanta narrou tudo isso e muito mais este ano, e à medida que novos avanços na biologia fundamental vierem à tona nos próximos anos, estaremos lá para ajudá-los também.

Da mesma forma que os cientistas físicos constroem sistemas de modelos simples como trampolins para a compreensão de fenómenos mais complexos, alguns biólogos preferem aprender como a vida funciona criando versões mais simples. Este ano fizeram progressos em duas frentes: em larga escala, na criação de “modelos de embriões”, e em pequena escala, no estudo da célula mais mínima possível.

Os modelos de embriões, ou embriões sintéticos, são produtos laboratoriais de células estaminais que podem ser induzidos a crescer fielmente durante as primeiras fases de desenvolvimento, embora se auto-terminem antes de reencenar todo o processo de desenvolvimento embrionário. Eles foram concebidos como ferramentas potenciais para o estudo experimental ético do desenvolvimento humano. Este ano, grupos de investigação em Israel e no Reino Unido mostraram que poderiam nutrir modelos de embriões até (e possivelmente além) da fase em que a investigação em embriões humanos vivos é legalmente permitida. Pesquisadores na China iniciaram brevemente gestações em macacos com modelos de embriões. Esses sucessos são considerados grandes avanços para uma técnica que poderia ajudar os cientistas a responder a questões importantes sobre o desenvolvimento pré-natal, e podem eventualmente compensar na prevenção de abortos espontâneos e defeitos congénitos. Ao mesmo tempo, as experiências despertaram argumentos éticos sobre esta linha de investigação, dado que à medida que os modelos embrionários se tornam mais avançados em termos de desenvolvimento, também podem começar a parecer mais intrinsecamente merecedores de protecção.

A vida sintética nem sempre é eticamente controversa. Este ano, pesquisadores testou os limites das células “mínimas”, organismos simples derivados de bactérias que foram reduzidas ao seu esqueleto genômico. Essas células mínimas possuem as ferramentas para se reproduzir, mas quaisquer genes que de outra forma não seriam essenciais foram removidos. Numa importante validação de quão naturalmente realistas são as células mínimas, os investigadores descobriram que este genoma mínimo foi capaz de evoluir e adaptar-se. Após 300 dias de crescimento e seleção natural em laboratório, as células mínimas puderam competir com sucesso contra as bactérias ancestrais das quais derivaram. As descobertas demonstraram a robustez das regras da vida – que mesmo depois de terem sido roubadas quase todos os recursos genéticos, as células mínimas poderiam usar as ferramentas da selecção natural para recuperarem em formas de vida mais bem sucedidas.

Consciência é a sensação de ser – a consciência de ter um eu único, uma imagem da realidade e um lugar no mundo. Há muito que é terreno dos filósofos, mas recentemente os cientistas fizeram progressos (de certa forma) na compreensão da sua base neurobiológica.

Em entrevista no Alegria do porquê podcast lançado em maio, o pesquisador de neurociências Anil Seth, da Universidade de Sussex, descreveu a consciência como uma espécie de “alucinação controlada,” na medida em que nossa experiência da realidade emerge de dentro de nós. Nenhum de nós pode saber diretamente como é o mundo; na verdade, cada organismo (e indivíduo) vivencia o mundo de maneira diferente. Nosso senso de realidade é moldado pela informação sensorial que absorvemos e pela maneira como nosso cérebro a organiza e a constrói em nossa consciência. Nesse sentido, toda a nossa experiência é uma alucinação – mas é uma alucinação controlada, a melhor descrição do cérebro sobre o ambiente imediato e o mundo mais amplo, com base nas suas memórias e outras informações codificadas.

Nossas mentes estão constantemente absorvendo novas informações externas e também criando suas próprias imagens e narrativas internas. Como podemos distinguir a realidade da fantasia? Este ano, os pesquisadores descobriram que o cérebro tem um “limiar da realidade”contra o qual avalia constantemente os sinais processados. A maioria das nossas imagens mentais tem um sinal bastante fraco e, portanto, o nosso limite de realidade facilmente as envia para a pilha “falsa”. Mas por vezes as nossas percepções e imaginação podem misturar-se, e se essas imagens forem suficientemente fortes, podemos ficar confusos – potencialmente confundindo as nossas alucinações com a vida real.

Como a consciência surge na mente? É mais uma questão de pensamento ou é um produto de experiências sensoriais? Este ano, os resultados de um colaboração adversária de alto nível que colocou duas grandes teorias da consciência uma contra a outra foram anunciadas. Ao longo de cinco anos, duas equipes de pesquisadores – uma representando a teoria do espaço de trabalho neuronal global, que se concentra na cognição, e a outra representando a teoria da informação integrada, que se concentra na percepção – co-criaram e depois lideraram experimentos destinados a testar quais previsões da teoria eram mais precisos. Os resultados podem ter sido uma decepção para quem esperava respostas definitivas. No palco na cidade de Nova Iorque, na 26ª reunião da Associação para o Estudo Científico da Consciência, os investigadores reconheceram as formas como as experiências desafiaram ambas as teorias e realçaram as diferenças entre elas, mas recusaram-se a declarar qualquer uma das teorias como vencedora. No entanto, a noite não foi totalmente insatisfatória: o neurocientista Christof Koch, do Allen Institute for Brain Science, admitiu uma aposta de 25 anos com o filósofo David Chalmers, da Universidade de Nova York, de que os correlatos neurais da consciência já teriam sido identificados. .

Muitas vezes é dado como certo que a depressão é causada por um desequilíbrio químico no cérebro: especificamente, uma deficiência crónica de serotonina, um neurotransmissor que transporta mensagens entre as células nervosas. No entanto, embora milhões de pessoas deprimidas em todo o mundo obtenham alívio ao tomar Prozac e outros medicamentos conhecidos como inibidores selectivos da recaptação da serotonina, ou ISRS, com base nessa teoria, décadas de investigação neuropsiquiátrica não conseguiram validar os pressupostos desse modelo. O zumbido da dissidência científica tem ficado cada vez mais alto: uma equipe internacional de cientistas examinou mais de 350 artigos e não encontrou nenhuma evidência convincente que níveis mais baixos de serotonina estão associados à depressão.

A constatação de que a deficiência de serotonina pode não ser a causa está forçando os pesquisadores a repensar fundamentalmente o que é a depressão. É possível que os ISRS aliviem alguns sintomas da depressão, alterando outras substâncias químicas ou processos cerebrais que são causas mais diretas da depressão. Também é possível que o que chamamos de “depressão” englobe uma variedade de distúrbios que se manifestam com um conjunto semelhante de sintomas, incluindo fadiga, apatia, alterações no apetite, pensamentos suicidas e problemas de sono. Se for esse o caso, serão necessárias pesquisas adicionais significativas para desvendar esta complexidade – para diferenciar os tipos e causas da depressão e desenvolver melhores tratamentos.

A depressão pode ser uma experiência isolante. Mas é diferente da solidão, uma condição emocional que os neurocientistas definiram melhor nos últimos anos. Solidão não é o mesmo que isolamento social, que é uma medida objetiva do número de relacionamentos que uma pessoa mantém: alguém pode estar em muitos relacionamentos e ainda assim se sentir solitário. Nem é ansiedade social, que é o medo de relacionamentos ou de certas experiências relacionais.

Em vez disso, um crescente corpo de pesquisas neurobiológicas sugere que a solidão é um preconceito na mente no sentido de interpretar a informação social de uma forma negativa e autopunitiva. É como se um sinal de sobrevivência que evoluiu para nos incitar a reconectar-nos com as pessoas de quem dependemos tivesse entrado em curto-circuito, criando um ciclo autoperpetuador de isolamento sentido. Os cientistas ainda não encontraram um tratamento médico para a solidão, mas talvez a simples compreensão desse ciclo negativo possa ajudar os cronicamente solitários a escapar do ciclo e a encontrar conforto nas suas ligações existentes ou em novas.

De onde viemos e como chegamos aqui? Essas questões atemporais poderiam ser respondidas de muitas maneiras, e levaram numerosos biólogos a uma busca pelas origens dos eucariontes – a linhagem de vida de 2 bilhões de anos que inclui todos os animais, plantas e fungos e muitos organismos unicelulares. criaturas mais complexas que as bactérias.

A busca pelo primeiro eucarioto fez com que os pesquisadores extraíssem meticulosamente micróbios raros do lodo do fundo do mar. Recentemente, após seis anos de trabalho, um laboratório europeu tornou-se apenas o segundo a conseguir cultivar uma das archaea Asgard- um grupo de organismos unicelulares primitivos que possuem genomas com semelhanças surpreendentes com os dos eucariotos, e que se acredita serem ancestrais deles. Os cientistas esperam que o estudo direto das células em laboratório revele novas informações sobre como os eucariontes evoluíram e nos aproxime da compreensão das nossas origens.

A jornada evolutiva daquele primeiro eucarioto está envolta em mistério. Este ano, os cientistas encontraram uma maneira de preencher uma lacuna de 800 milhões de anos no registro fóssil molecular entre o aparecimento do primeiro eucarioto e o do ancestral mais recente de todos os eucariotos vivos hoje. Anteriormente, ao procurarem informações sobre eucariotas que viveram no espaço vazio entre cerca de 800 milhões e 1.6 mil milhões de anos atrás, os cientistas não conseguiam encontrar os fósseis moleculares que esperavam. Mas quando uma equipa australiana ajustou o seu filtro de pesquisa para procurar versões fossilizadas de moléculas mais primitivas, encontrou-as em abundância. As descobertas revelaram o que os autores chamam de “um mundo perdido” de eucariontes que ajuda a contar a história evolutiva inicial dos nossos ancestrais.

A investigação realizada na última década caracterizou melhor o microbioma – o conjunto de microrganismos que vivem nas nossas entranhas e noutras partes do nosso corpo – e as formas subtis como este influencia a nossa saúde. Este ano, os cientistas revelaram com o maior detalhe de onde vêm os nossos microbiomas e como evoluem ao longo das nossas vidas.

Não é novidade que as primeiras sementes do nosso microbioma geralmente vêm da mãe – transmitidas durante o parto e também através da amamentação. Uma pesquisa publicada este ano descobriu que as contribuições da mãe não são apenas organismos microbianos inteiros, mas também pequenos fragmentos de DNA chamados elementos genéticos móveis. Ao longo do primeiro ano de vida, estes elementos genéticos móveis passam das bactérias da mãe para as do bebé através de um processo chamado transferência horizontal de genes. A descoberta surpreendeu os investigadores, que não esperavam que o elevado grau de coevolução entre o microbioma da mãe e do bebé durasse tanto tempo após o nascimento.

A história não termina aí: o microbioma evolui ao longo da nossa vida. A maior análise já realizada sobre a transmissão do microbioma humano, também publicada este ano, revelou como microbiomas embaralham e remontam ao longo de muitas décadas. Forneceu provas claras de que os organismos do microbioma se espalham entre as pessoas, especialmente aquelas com quem passamos mais tempo, como familiares, parceiros e colegas de quarto. E o estudo levantou a possibilidade intrigante de que algumas doenças consideradas não transmissíveis possam na verdade ser transmissíveis, por vezes de forma subtil, através da flora intestinal.

Éons antes da invenção dos relógios de sol, relógios e relógios atômicos, os organismos desenvolveram ferramentas biológicas para marcar o tempo. Eles precisam de relógios circadianos internos que possam manter seus processos metabólicos sincronizados com o ciclo do dia e da noite, e também de relógios semelhantes a calendários para manter seus processos de desenvolvimento sob controle. Este ano, os pesquisadores fizeram avanços importantes na compreensão de ambos.

Uma enxurrada de pesquisas nos últimos anos, possibilitada pelas novas tecnologias de células-tronco, ofereceu novas explicações para o que é conhecido como ritmo de desenvolvimento. Todos os vertebrados começam a vida como um simples embrião – mas a taxa a que um embrião se desenvolve e o momento em que os seus tecidos amadurecem variam dramaticamente entre as espécies e determinam a sua forma final. O que controla o tique-taque do relógio do desenvolvimento? Este ano, uma série de experiências cuidadosas em laboratórios de todo o mundo, centradas em diferentes espécies e sistemas, apontaram para uma explicação comum: que os processos metabólicos fundamentais, incluindo as reações bioquímicas e a expressão genética que lhes está subjacente, definem o ritmo. Esses processos metabólicos parecem ser organizados fundamentalmente pelas mitocôndrias, que podem muito bem desempenhar um papel duplo como cronometrista e fonte de energia da célula complexa.

Embora esses investigadores estivessem espalhados por todo o mundo, novos trabalhos sobre o relógio circadiano foram realizados no laboratório de um único cientista: a bioquímica Carrie Partch, da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz. Partch é movido por uma obsessão única não apenas com os passos básicos do relógio, mas também com a dança complicada que as proteínas do relógio funcionam à medida que são construídas e interagem e se degradam. Como qualquer relojoeiro, ela não está satisfeita em saber o que são as engrenagens e engrenagens – ela também precisa entender como elas se encaixam. Ao prestar tanta atenção a um único sistema ao longo da sua carreira, ela fez descobertas sobre a dança das proteínas do relógio que representam verdades mais amplas, por exemplo, que proteínas não estruturadas ou mesmo desordenadas são fundamentais para os processos biológicos.

Um sinal do progresso da neurociência é que ela se torna cada vez mais precisa. Utilizando novas ferramentas mais firmemente fundamentadas em ciência sólida, os cientistas podem agora concentrar a sua atenção na definição das peculiaridades das células cerebrais individuais. Este ano eles localizou o mapa social de morcegos, que acabou por ser sobreposto ao mapa do ambiente físico dos morcegos - as mesmas células cerebrais no hipocampo codificam vários tipos de informação ambiental. Outros pesquisadores parecem ter resolvido um debate de 30 anos sobre se algumas das células gliais do cérebro – historicamente consideradas pouco mais do que um preenchimento para os neurônios de maior prestígio – podem estimular sinais elétricos. Uma equipe de neurocientistas e pesquisadores clínicos, ajudados por pacientes com epilepsia que tiveram eletrodos implantados para melhorar seus cuidados médicos, descobriram que o cérebro tem sistemas diferentes para representar números pequenos e grandes. E pela primeira vez, os investigadores visualizaram em três dimensões como um receptor olfativo agarra uma molécula de odor — um passo significativo na compreensão de como o nariz e o cérebro podem interceptar substâncias químicas transportadas pelo ar e obter informações sensoriais cruciais sobre o meio ambiente.