no início do século XIX, a natureza da eletricidade permaneceu um mistério para os cientistas. Experimentos da época mostrou que uma faísca poderia fazer mortos sapos’ músculos de contração, ou até mesmo conjunto de cadáveres humanos em convulsões — sobrenatural forragem que pode ter inspirado Mary Shelley, o famoso romance, Frankenstein. Mais de 200 anos depois, todas as formas que a eletricidade atua no corpo humano ainda não são completamente compreendidas. É claro, no entanto, que os sinais elétricos desempenham um papel importante no desenvolvimento inicial do corpo.Cientistas como Michael Levin da Universidade de Tufts descobriram que as cargas celulares controlam como e onde uma estrutura se forma em um embrião em desenvolvimento. Ainda mais surpreendente, ele descobriu que é possível manipular formas corporais apenas mudando os padrões de voltagem de suas células.
usando esta técnica básica, Levin e seus colegas têm crescido com sucesso a funcionar terceiro-olhos nas costas dos girinos. Eles despoletaram danos cerebrais em embriões de sapos, bloqueando a formação de estruturas neurais chave-e, em seguida, reverteu os danos, alterando a carga elétrica das células cerebrais em desenvolvimento. Embora este trabalho ainda seja profundamente experimental, Levin acha que pode ter um grande impacto nos campos da medicina, biologia e bioquímica. Ele imagina um dia usar bioeletricidade para reverter defeitos de nascença no útero, tratar câncer ou até mesmo crescer novos membros em amputados.Levin, diretor do Allen Discovery Center em Tufts e coautor de um artigo na revisão anual de engenharia biomédica de 2017 sobre o tema , recentemente falou com a revista Knowable sobre o estado da pesquisa bioelétrica e seus pensamentos sobre suas perspectivas futuras. Esta conversa foi editada por muito tempo e clareza.
In the context of biology, what does an “electrical signal” really mean?
bem, na membrana que envolve cada célula, existem proteínas incorporadas que podem mover átomos carregados de íons — para dentro e para fora da célula. Coisas como potássio, cloreto, sódio, protões, e assim por diante. E inevitavelmente, se você adicionar mais íons carregados a um lado de uma membrana, você gerará um potencial elétrico através dessa superfície celular. Isso é basicamente o que acontece em uma bateria, onde um lado da bateria tem uma quantidade de carga diferente do outro.
acontece que as células podem realmente usar essas cargas para se comunicar. Estes sinais são muito mais lentos-atuando do que impulsos que estamos acostumados a ouvir no sistema nervoso — lá, você está falando de escalas de tempo de milissegundos para o fluxo de informação, mas na bioeletricidade de desenvolvimento, você está falando de minutos ou mesmo horas. Mas, em última análise, o potencial elétrico entre as células pode determinar como determinados tecidos ou estruturas se desenvolvem.
como é que estes sinais eléctricos afectam o desenvolvimento do corpo?
sinais bioelétricos servem como uma espécie de interruptor principal de alto nível. Sua distribuição espacial através de tecidos e intensidade diz uma região em um embrião, OK, você vai ser um olho, ou você vai ser um cérebro de um tamanho particular, ou você vai ser um membro, ou você vai para o lado esquerdo do corpo, esse tipo de coisa.
a esfera na cauda deste girino é na verdade um olho de sapo em desenvolvimento. Ao expor o tecido implantado a certos neurotransmissores, os cientistas foram capazes de persuadir o tecido nervoso a crescer a partir dele. Isto conectou-se com sucesso ao desenvolvimento da medula espinhal do girino, enviando informações visuais para o cérebro e deixando o girino cego ver.
crédito: ALLEN DISCOVERY CENTER, Universidade de TUFTS
pode-se vê-los a formar-se em embriões de rãs. Por exemplo, corantes eletricamente sensíveis revelam um padrão que chamamos de “face elétrica” — gradientes elétricos em todo o tecido que estabelecem onde todas as partes da face vão se formar mais tarde. É como um andaime sutil para as principais características da anatomia, enquanto muitos dos detalhes locais parecem ser preenchidos por outros processos que podem ou não envolver bioeletricidade. Se você mudar esses sinais elétricos em um embrião em desenvolvimento, ele pode ter um grande efeito sobre como e onde suas estruturas se formam.Pode dar um exemplo de como isso funciona num órgão específico?Claro. Uma das coisas que queríamos estudar há alguns anos é como as células e tecidos transplantados se desenvolverão em um ambiente estranho. Pegamos a estrutura ocular inicial de um embrião de sapo, e implantamo-la nas costas de outro embrião. Estávamos interessados em duas coisas: primeiro, o receptor seria capaz de ver a partir daquele olho implantado em suas costas? O cérebro é plástico o suficiente para ser capaz de ver de fora? Em segundo lugar, queríamos saber, o que é que esta estrutura ocular vai fazer sem um cérebro por perto? Onde ele vai se conectar, e o que os neurônios vão fazer?O que descobrimos foi que quando implantamos essa estrutura nas costas de um girino em desenvolvimento, as células oculares formam uma retina funcional e um nervo óptico que se espalha e tenta se conectar na medula espinhal em algum lugar. Mas se você baixar o potencial elétrico das células em torno do implante, a estrutura ocular fica louca, e faz um grande número de novos nervos que emergem dele.
acontece que neurônios emergentes podem ler os sinais elétricos do tecido em que estão sentados. Se as células desse tecido têm um potencial de repouso polarizado — o que significa que acumularam cargas negativas dentro de cada célula-o olho implantado forma um nervo óptico e é o fim disso. Mas se eles são despolarizados, ou têm uma carga mais baixa, Isso dá aos neurônios um sinal para crescerem de uma forma muito profunda. Então pensamos que este é um exemplo de células lendo a topografia elétrica de seu ambiente, e tomando decisões de crescimento com base nessa informação.
quando cortado ao meio, um dirofilariforme pode, normalmente, regenerar partes em falta do seu corpo. Ao manipular a carga elétrica de suas células, no entanto, os cientistas podem controlar qual destas partes se regenera. Ao bloquear o fluxo normal e outflux de íons carregados das células do dirofilariano, eles podem criar um estado hiperpolarizado em ambos os lados do tecido regenerador, o que leva o verme a crescer duas caudas. Ou, eles podem criar um estado despolarizado, levando à formação de uma segunda cabeça para substituir sua cauda amputada.
então, se você mudar os sinais bioelétricos em torno do implante ocular, ele cresce no sistema nervoso do girino?
Sim. Não só está crescendo em uma estrutura ocular completa, mas também é funcional. Se você remover os olhos existentes do girino, o implante permite que os animais cegos de outra forma vejam cores e formas móveis. No nosso estudo, colocámos girinos cegos numa antena rasa em cima de um monitor LCD, e perseguimo-los com pequenos triângulos Negros. Os girinos nadaram consistentemente em resposta ao movimento dos triângulos. Não sabemos se têm a mesma acuidade visual que os girinos normais, mas podem ver através daquele novo olho implantado.
Active em meados do século xviii, Luigi Galvani fez seminal experiências sobre como sinais elétricos ativado músculos do corpo — de fazer as pernas de um sapo morto se contorcer após zapping-los com os eletrodos (mostrado) — e foi um dos primeiros cientistas a descobrir a bioeletricidade.
CREDIT: LUIGI GALVANI / WIKIMEDIA COMMONS
como se manipula o estado eléctrico da célula ou dos tecidos?
podemos fazê-lo com drogas que visam canais iónicos nas células. Neste momento, cerca de 20% de todas as drogas lá fora são drogas iônicas, coisas que as pessoas tomam por epilepsia e outras doenças, então elas não são difíceis de encontrar. No nosso laboratório, estamos especificamente a fazer cocktails de drogas que visam regiões específicas do corpo. Se você quisesse atingir a voltagem da pele, por exemplo, poderíamos usar uma droga que abre ou fecha canais iônicos expressos apenas em células da pele. Você afina o coquetel de drogas para causar reações diferentes em diferentes partes do corpo.Começou neste campo como cientista da computação. Você vê paralelos entre codificação de um computador e ajustes de sinais elétricos em um ambiente biológico?Absolutamente. Em um nível fundamental, eu me importo com o processamento de informação e algoritmos em um sistema. Não importa se esse sistema é feito de silício ou células vivas. Para mim, sou um cientista da computação, mas estou estudando computação e processamento de informação em meios vivos.
as pessoas que têm um fundo de ciência da computação entendem que o que é fundamental sobre as ciências da informação não é o próprio computador — é a maneira como ele faz computações. Muitas arquiteturas diferentes e tipos muito distintos de processos podem ser usados para realizar uma computação. As pessoas fizeram computadores a partir de líquidos estranhos, moldes de lodo, até formigas. Então eu acho que uma das coisas mais importantes que a Ciência da computação poderia ensinar no campo da biologia é essa distinção entre software e hardware.
o colega de Michael Levin, Dany Adams, que descobriu o que é chamado de “face elétrica”, criou este vídeo que revela como os sinais bioelétricos ajudam a dirigir a construção de características faciais no desenvolvimento de embriões de rãs (Xenopus laevis). Usando corantes fluorescentes que marcam potencial elétrico, as células brilhantes são hiperpolarizadas (mais carregadas negativamente) do que seus vizinhos mais escuros.
em biologia e química, o “hardware” de um corpo — as células e moléculas dentro dele — é tudo. Mas nós temos que entender o fato de que esses tipos especiais de hardware podem de fato executar muitos tipos diferentes de software.
o que você quer dizer com “software” em um sentido biológico?
o” software ” neste caso são as decisões de como as células cooperam para fazer uma determinada estrutura ou tecido. Isso pode ser mudado. Você pode tomar minhocas com uma cabeça, e alterando brevemente sinais elétricos em suas células, fazê-los lembrar de um novo padrão que tem duas cabeças. Apesar do fato de que você tem as mesmas células do worm, você tem um resultado diferente. E esse tipo de distinção entre software e hardware vai ser realmente crucial, já que lidamos com grandes questões de medicina regenerativa e biologia sintética no futuro.
quais as aplicações que isto pode ter no mundo médico?Penso muito nisso. As mais óbvias são coisas como corrigir defeitos de nascença. Se pudermos entender e manipular a sinalização bioelétrica, podemos potencialmente reparar coisas que correm mal como forma embrionária. Essa é uma. Na verdade induzimos alguns defeitos de nascença em embriões animais no laboratório — e reparámo — los-mudando o potencial elétrico de certas células.
outro está lutando contra o câncer. Há uma grande quantidade de pesquisas sendo feitas agora sobre sinais bioelétricos como uma causa e um potencial supressor de células cancerígenas. Você pode normalizar certos tumores expondo-os a drogas específicas que mudam seu potencial elétrico. Dependendo dos compostos que você usa, você pode afetar seletivamente apenas certos tipos de células, como as de um tumor, deixando o tecido circundante intacto. Isso está pronto para testes em modelos de mouse.
uma terceira área é a medicina regenerativa. Se pudermos usar sinalização elétrica para convencer tecidos e órgãos a crescer após lesão, podemos substituir estruturas inteiras ou órgãos para pacientes. A bioeletricidade lhe dá um novo conjunto de botões de controle com os quais regular o comportamento celular. Será muito mais fácil construir estruturas biológicas de acordo com estes reguladores de grande escala, como a sinalização eléctrica.
Nota do Editor: Este artigo foi atualizado 8/10/18 para notar o papel de Levin como diretor do centro de descoberta Allen em Tufts e para corrigir um erro na descrição de íons na célula. A descrição da forma como os girinos nadavam em resposta a triângulos negros em uma tela LCD também foi clarificada.