O físico Nigel Goldenfeld odeia biologia: “Pelo menos não na forma em que fui ensinado na escola”, diz ele. “Foi como uma série de fatos confusos. Praticamente não havia uma análise quantitativa precisa. Essa atitude pode surpreender qualquer um que olhe para os muitos projetos em que o laboratório de Goldenfeld está trabalhando.
Ele e seus colegas monitoram o comportamento coletivo e individual das abelhas, analisam biofilmes, observam o salto de genes, avaliam a diversidade de formas de vida nos ecossistemas e exploram a relação dos microbiomas.
Goldenfeld é o chefe do Instituto de Astrobiologia de Biologia Geral da NASA, mas ele não passa a maior parte do tempo no departamento de física da Universidade de Illinois, mas em seu laboratório biológico no campus em Urbana-Champaign.
Nigel Goldenfeld não é o único físico tentando resolver problemas de biologia. Na década de 1930, Max Delbrück mudou o conceito de vírus. Posteriormente, Erwin Schrödinger publicou O que é vida? O aspecto físico de uma célula viva”. Francis Crick, um pioneiro na cristalografia de raios X, ajudou a descobrir a estrutura do DNA.
Goldenfeld quer se beneficiar de seu conhecimento da teoria da matéria condensada. Ao estudar esta teoria, ele modela o desenvolvimento de uma amostra em um sistema físico dinâmico, a fim de melhor compreender vários fenômenos (turbulência, transições de fase, características de rochas geológicas, o mercado financeiro).
O interesse pelo estado emergente da matéria levou os físicos a um dos maiores mistérios da biologia - a origem da própria vida. Foi a partir dessa tarefa que se desenvolveu o atual ramo de sua pesquisa.
"Os físicos podem fazer perguntas de forma diferente", Goldenfeld está convencido. “Minha motivação sempre foi buscar na biologia áreas em que tal abordagem faria sentido. Mas para ter sucesso, você precisa trabalhar com biólogos e, de fato, tornar-se um. Física e biologia são igualmente necessárias."
Quanta conversou com Goldenfeld sobre fenômenos coletivos na física e a expansão da teoria sintética da evolução. Eles também discutiram o uso de ferramentas quantitativas e teóricas da física para levantar o véu de mistério que envolve o início da vida na Terra e as interações entre cianobactérias e vírus predadores. A seguir está um resumo desta conversa.
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A física tem uma estrutura conceitual básica, enquanto a biologia não. Você está tentando desenvolver uma teoria geral da biologia?
“Deus, claro que não. Não existe uma teoria única em biologia. A evolução é a coisa mais próxima que você pode oferecer. A própria biologia é o resultado da evolução; a vida em toda a sua diversidade e sem exceção se desenvolveu como resultado da evolução. É necessário compreender verdadeiramente a evolução como um processo para compreender a biologia.
Como os efeitos coletivos do campo da física podem complementar nossa compreensão da evolução?
Quando você pensa sobre evolução, geralmente tende a pensar sobre genética de populações, sobre a repetição de genes em uma população. Mas se você olhar para o Último Ancestral Comum Universal (o organismo ancestral de todos os outros organismos, que podemos rastrear por meio da filogenética), você entenderá que este não é o próprio começo da origem da vida.
Antes disso, havia definitivamente uma forma de vida ainda mais simples - uma forma que nem possuía genes quando ainda não havia espécies. Sabemos que a evolução é um fenômeno muito mais amplo do que a genética populacional.
O último ancestral comum universal viveu 3,8 bilhões de anos atrás. O planeta Terra tem 4,6 bilhões de anos. A própria vida viajou desde o início até a complexidade da célula moderna em menos de um bilhão de anos. Provavelmente ainda mais rápido: desde então, relativamente poucos desenvolvimentos ocorreram na evolução da estrutura celular. Acontece que a evolução tem sido lenta nos últimos 3,5 bilhões de anos, mas muito rápida no início. Por que a vida se desenvolveu tão rapidamente?
Karl Woese (biofísico, falecido em 2012) e eu acreditávamos que inicialmente o desenvolvimento ocorreu de forma diferente. Em nossa era, a vida evolui por meio da herança "vertical": você passa seus genes para seus filhos, eles, por sua vez, para seus filhos, e assim por diante. A transferência "horizontal" de genes é realizada entre organismos que não estão conectados entre si.
Isso agora está acontecendo em bactérias e outros organismos com genes que não são muito importantes na estrutura celular. Por exemplo, genes que conferem resistência aos antibióticos - graças a eles, as bactérias adquirem proteção contra os medicamentos muito rapidamente. No entanto, nas primeiras fases da vida, até mesmo o mecanismo básico da célula era transmitido horizontalmente.
Anteriormente, a vida era um estado cumulativo e era mais uma comunidade intimamente ligada pela troca de genes do que apenas uma coleção de formas individuais. Existem muitos outros exemplos de estados coletivos, como uma colônia de abelhas ou um bando de pássaros, onde o coletivo parece ter personalidade e comportamento próprios, decorrentes dos elementos e formas com que interagem. O início da vida foi comunicado por meio de transferência de genes.
Como você sabe?
“Podemos explicar um desenvolvimento tão rápido e ótimo da vida apenas se permitirmos o efeito dessa“rede inicial”e não da árvore [familiar]. Cerca de 10 anos atrás, descobrimos que essa teoria se aplica ao código genético, às regras que dizem à célula quais aminoácidos usar para produzir proteínas. Cada organismo do planeta possui o mesmo código genético com diferenças mínimas.
Na década de 1960, Karl foi o primeiro a apresentar a ideia de que o código genético que possuímos é o melhor possível para minimizar erros. Mesmo que você obtenha o aminoácido errado devido a uma mutação ou a um erro no mecanismo de transporte celular, o código genético determinará com precisão o aminoácido que você deve receber. Portanto, você ainda tem uma chance de que a proteína que você produz funcione e seu corpo não morra.
David Haig (Harvard) e Lawrence Hirst (University of Bath) foram os primeiros a demonstrar que essa ideia pode ser avaliada qualitativamente pelo método de Monte Carlo: eles tentaram descobrir qual código genético é mais resistente a esse tipo de erro. E nós mesmos nos tornamos a resposta. Esta é realmente uma descoberta surpreendente, mas não tão difundida como deveria ser.
Mais tarde, Karl e eu, juntamente com Kalin Vestigian (Universidade de Wisconsin em Madison), realizamos simulações virtuais de grupos de organismos com muitos códigos genéticos artificiais e hipotéticos. Criamos modelos de vírus de computador que imitavam sistemas vivos: eles tinham um genoma, expressavam proteínas, podiam se replicar, sobreviver à seleção e sua adaptabilidade era função de suas próprias proteínas.
Descobrimos que não apenas seus genomas evoluíram. Seu ano genético também evoluiu. Quando se trata de evolução vertical (entre gerações), o código genético nunca se torna único ou ótimo. Mas quando se trata do efeito de "rede coletiva", o código genético está evoluindo rapidamente para o estado ideal único que observamos hoje.
Essas descobertas, e as questões sobre como a vida poderia ter adquirido esses códigos genéticos tão rapidamente, sugerem que deveríamos estar vendo sinais de transferência horizontal de genes antes do Último Ancestral Comum Universal, por exemplo. E nós os vemos: algumas das enzimas que estão associadas ao principal mecanismo de tradução celular e expressão gênica mostram fortes evidências de transferência gênica horizontal precoce.
Como você pode confiar nessas conclusões?
- Tommaso Biancalani e eu (agora no MIT) fizemos um estudo há cerca de um ano - nosso artigo foi publicado sobre ele - que a vida desliga automaticamente a transferência horizontal de genes assim que se torna complicada o suficiente. Quando simulamos esse processo, ele basicamente se desliga sozinho. São feitas tentativas para realizar a transferência horizontal de genes, mas quase nada cria raízes. Então, o único mecanismo evolucionário dominante é a evolução vertical, que sempre esteve presente. Estamos agora tentando fazer experimentos para ver se o kernel fez a transição completa da transmissão horizontal para a vertical.
É por causa dessa abordagem da evolução inicial que você disse que deveríamos falar de forma diferente sobre biologia?
As pessoas tendem a pensar em evolução como sinônimo de genética populacional. Acho que isso está, em princípio, correto. Mas não realmente. A evolução ocorreu antes mesmo da existência dos genes, e isso não pode ser explicado por modelos estatísticos de genética populacional. Existem formas coletivas de evolução que também precisam ser levadas a sério (por exemplo, processos como transferência horizontal de genes).
É nesse sentido que nosso entendimento da evolução como um processo é muito estreito. Precisamos pensar em sistemas dinâmicos e como é possível que sistemas capazes de se desenvolver e reproduzir sejam capazes de existir. Quando você pensa sobre o mundo físico, não é óbvio por que você simplesmente não faz mais coisas mortas.
Por que o planeta tem a capacidade de sustentar vida? Por que a vida ainda existe? A dinâmica da evolução deve ser capaz de resolver esse problema. Vale ressaltar que não temos nem ideia de como resolver esse problema. E como a vida começou como algo físico, não biológico, ele expressa um interesse físico.
Como seu trabalho com cianobactérias se encaixa na aplicação da teoria da matéria condensada?
- Meu aluno de pós-graduação Hong-Yang Shi e eu modelamos um ecossistema de um organismo chamado Prochlorococcus, uma cianobactéria que vive no oceano e usa a fotossíntese. Acho que este organismo pode ser o organismo celular mais abundante do planeta.
Existem vírus, "fagos" que atacam as bactérias. Uma década atrás, os cientistas descobriram que esses fagos também possuem genes para a fotossíntese. Você geralmente não pensa em um vírus como alguém que precisa de fotossíntese. Então por que eles carregam esses genes?
“Parece que bactérias e fagos não se comportam exatamente como um modelo predador-presa. As bactérias beneficiam os fagos. Na verdade, as bactérias poderiam evitar que os fagos os atacassem de várias maneiras, mas não o fazem, pelo menos não totalmente. Os genes fotossintéticos dos fagos vieram originalmente das bactérias - e, surpreendentemente, os fagos os transferiram de volta para as bactérias. Nos últimos 150 milhões de anos, os genes da fotossíntese mudaram várias vezes entre bactérias e fagos.
Acontece que os genes se desenvolvem muito mais rápido em vírus do que em bactérias, porque o processo de replicação de vírus é muito mais curto e mais provável de cometer erros (replicação é o processo de sintetizar uma molécula filha de ácido desoxirribonucléico no modelo da molécula de DNA original - não mais).
Como efeito colateral da caça de bactérias por fago, os genes bacterianos às vezes são transportados para os vírus, onde podem se espalhar, desenvolver-se rapidamente e então retornar às bactérias, que podem se beneficiar disso. Portanto, os fagos foram benéficos para as bactérias. Por exemplo, existem duas cepas de Prochlorococcus que vivem em profundidades diferentes. Um desses ecótipos está adaptado para viver mais próximo da superfície, onde a luz é muito mais intensa e a diferença de frequências é maior. Essa adaptação pode ser devido ao fato de que os vírus evoluíram rapidamente.
Os vírus também se beneficiam dos genes. Quando um vírus infecta um hospedeiro e se replica, o número de novos vírus que ele cria depende de quanto tempo a célula capturada pode sobreviver. Se o vírus carrega o sistema de suporte à vida (genes para fotossíntese), ele pode manter a célula por mais tempo para fazer mais cópias do vírus.
Um vírus que carrega genes para a fotossíntese tem uma vantagem competitiva sobre um que não tem. Há uma pressão crescente sobre os vírus para transferir genes que beneficiam o hospedeiro. Você esperaria que, como os vírus sofrem mutações tão rapidamente, seus genes se "degradem" rapidamente. Mas, como resultado de cálculos, descobrimos que as bactérias filtram os genes "bons" e os transferem para os vírus.
Portanto, esta é uma história fofa: a interação dessas bactérias e vírus se assemelha ao comportamento de uma substância em um estado condensado - esse sistema pode ser modelado para prever suas propriedades.
Falamos sobre uma abordagem física da biologia. Você já viu o oposto quando a biologia inspirou a física?
- Sim. Estou trabalhando com turbulência. Quando volto para casa, é ela quem me mantém acordado à noite. Em um artigo publicado no ano passado na Nature Physics, Hong-Yan Shin, Tsung-Ling Sheng e eu queríamos explicar em detalhes como um fluido em um tubo vai de um estado plástico, onde flui suave e previsivelmente, para um estado de turbulência, onde seu comportamento é imprevisível. e errado.
Descobrimos que antes da transição, a turbulência se comporta como um ecossistema. Existe um regime dinâmico especial de fluxo de fluido, semelhante a um predador: ele tenta "comer" turbulência, e a interação entre esse regime e a turbulência resultante leva a alguns dos fenômenos que você vê quando o fluido se torna turbulento.
Em última análise, nosso trabalho assume que um certo tipo de transição de fase ocorre em líquidos, e isso é o que os experimentos confirmam. Já que o problema da física se mostrou adequado para resolver esse problema biológico - sobre a relação entre predador e presa - Hong-Yan e eu sabíamos como imitar e simular um sistema e reproduzir o que as pessoas veem em experimentos. Saber biologia realmente nos ajudou a entender a física.
Existem limitações para a abordagem física da biologia?
- Existe o perigo de repetir apenas o que se sabe, por isso não pode fazer novas previsões. Mas às vezes sua abstração ou representação mínima fica simplificada e você perde algo no processo.
Você não pode pensar muito teoricamente. Você deve arregaçar as mangas para estudar biologia, estar intimamente conectado com fenômenos experimentais reais e dados reais.
É por isso que nosso trabalho é realizado em conjunto com os experimentadores: junto com meus colegas, eu coletei micróbios de fontes termais no Parque Nacional de Yellowstone, observei os genes "saltadores" em células vivas em tempo real, sequenciado (sequenciamento - determinação da sequência de aminoácidos ou nucleotídeo - aprox. Novo) gastrointestinal - microbioma intestinal de vertebrados. Trabalho todos os dias no Instituto de Biologia Genômica, embora a física seja minha área "nativa".
Jordana Cepelewicz
A tradução foi realizada pelo projeto Novo
