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Óculos cor-de-rosa: Lenski, citrato e a BioLogos

Imagem: Nina H./Flickr

Os leitores das minhas postagens sabem que eu sou um grande fã do professor Richard Lenski, um microbiologista da Michigan State University e membro da Academia Nacional de Ciências dos EUA. Nos últimos anos, ele vem realizando o maior experimento de laboratório já empreendido em evolução. Pelo cultivo de E. coli em frascos de maneira contínua, ele vem acompanhando as mudanças evolutivas na bactéria por mais de 50.000 gerações (o que equivale a cerca de um milhão de anos para animais de grande porte). Embora Lenski não seja decididamente um defensor do Design Inteligente, seu trabalho nos habilita a perceber o que a evolução realmente faz quando se tem recursos de um grande número de organismos ao longo de uma quantidade substancial de gerações. Ao invés de especular, Lenski e seus colegas observaram o funcionamento da mutação e da seleção. Por isso, os proponentes do DI deveriam ficar muito gratos.

Em um manuscrito publicado há alguns anos no Quarterly Review of Biology (Behe 2010), eu discuti os resultados de laboratório da evolução das últimas quatro décadas até aquele ponto, incluindo os de Lenski. Seu laboratório mostrou claramente que mutação aleatória e seleção melhoraram a bactéria com o tempo, como foi avaliado pelo número de descendentes que ela conseguiria produzir em um dado momento. Ele demonstrou sem dúvida que existem mutações benéficas e elas podem se espalhar rapidamente numa população de organismos. Contudo, uma vez que o laboratório de Lenski identificou eventualmente algumas mutações no nível de DNA (que é uma tarefa difícil), muitas das mutações benéficas acabaram por ser, surpreendentemente, degradantes. Em outras palavras, quebraram ou deletaram alguns genes pré-existentes ou elementos regulatórios genéticos de modo que eles não funcionassem mais, na verdade, ajudou o organismo nas condições em que foi cultivado. Outras mutações benéficas alteraram genes pré-existentes ou elementos regulatórios de alguma forma.

O que notavelmente não era visto em seu trabalho eram mutações benéficas que resultassem da construção do que eu apelidei de novos “Elementos Codificados Funcionais” (no inglês, Functional Coded elemenTs, “FCTs”). A grosso modo, o FCT é uma sequência de DNA que afeta a produção ou o processamento de um gene ou de um produto do gene (ver minha crítica para uma definição mais rigorosa). Em suma, melhorias foram feitas quebrando genes existentes, ou mexendo com eles de maneira leve, mas não fazendo novos genes ou novos elementos regulatórios. A partir dessas informações, eu montei “A Primeira Regra da Evolução Adaptativa”: quebre ou atenue qualquer elemento codificado funcional cuja perda renderia um ganho líquido de adaptação. Para dizer o mínimo, a Primeira Regra não é o que você esperaria de um processo tal como a evolução darwiniana, que é apresentada como sendo capaz de construir uma maquinaria molecular incrivelmente sofisticada.

Antes da minha crítica ser publicada, o laboratório de Lenski observou uma deformação mutante nos experimentos que conseguia metabolizar citrato na presença de oxigênio, o que E. coli não mutante não conseguia fazer. (Blount et al., 2008). É importante notar, no entanto, que a bactéria consegue metabolizar citrato na ausência de oxigênio. Isto permitiu que a bactéria mutante levasse a melhor sobre seus familiares, porque o meio de crescimento continha uma grande quantidade de citrato, bem como oxigênio. Foi um resultado intrigante, e foi apontado como uma grande inovação, mas naquele momento o laboratório de Lenski não foi capaz de rastrear em nível de DNA as mutações exatas que causaram a mudança.

Agora eles têm. Em uma publicação recente na Nature (Blount et al., 2012) eles relatam que as mutações múltiplas conferem aumento da capacidade de transporte de citrato numa atmosfera contendo oxigênio. Eles dividem as mutações conceitualmente em três categorias: 1) potenciação; 2) atualização; e 3) refinamento. “Atualização” é o nome que eles dão para a mutação que confere uma habilidade fraca para o transporte de citrato no laboratório E. coli (ocorre em uma bactéria que falta apenas uma proteína de transporte de citrato para dentro da célula na presença de oxigênio; todas as outras enzimas necessárias para metabolizar mais citrato já estão presentes). O gene para o transportador de citrato, citT, que funciona na ausência de oxigênio é diretamente a montante dos genes para duas outras proteínas que possuem promotores que são ativos na presença de oxigênio. Uma duplicação de um segmento desta região acidentalmente colocou o gene citT próximo a um destes promotores, de modo que o gene citT poderia então ser expresso na presença de oxigênio. A duplicação de genes é um tipo de mutação que é conhecida por ser bastante comum, de modo que este resultado, embora exija um grande esforço de investigação cuidadosa para uma infra fixação, não é surpreendente.

Ao longo do tempo o mutante tem melhor utilização de citrato, o que os autores chamaram de “refinamento”. Muitos estudos mostraram que isso foi devido a múltiplas duplicações da região gênica mutante, acima de 3-9 cópias. Mais uma vez, a duplicação de genes é um processo bastante comum, portanto, não é de se estranhar. Em outro experimento, Lenski e colaboradores mostraram que aumentando a concentração do gene transportador de citrato é suficiente por si só para explicar a maior capacidade de E. coli crescer em citrato. Não foram necessárias outras mutações.

A parte mais misteriosa de todo o processo é que o grupo chamado “potencialização”. Acontece que as E. coli originais que começaram há décadas atrás não poderiam se beneficiar da duplicação de genes, que reuniu um gene citT com um promotor tolerante ao oxigênio. Antes que pudesse se beneficiar, uma mutação preliminar tinha de ocorrer na bactéria em outro lugar em vez da região contendo os genes do metabolismo de citrato. A mutação foi capaz de determinar, o que Lenski e colaboradores não foram capazes. No entanto, eles examinaram a bactéria para mutações que podem contribuir para a potenciação, e encontrou que “uma mutação em arcB, a qual codifica uma histidina quinase, é notável porque desativa o gene que causa a supra regulação do ciclo de ácido tricarboxílico” (eles tentaram, mas foram incapazes de testar essa hipótese). Em outras palavras, a “potenciação” pode envolver a degradação de um gene não relacionado.

O laboratório de Lenski fez uma imensa quantidade de trabalho cuidadoso e merece muitos elogios. No entanto, a questão que vale 64 mil dólares é, o que é que os resultados mostram sobre o poder do mecanismo darwiniano? A resposta é, eles não mostram que ele seja capaz de qualquer coisa além daquilo que já era conhecido. Por exemplo, em minha revisão sobre os experimentos evolutivos laboratoriais eu discuti o trabalho de Zinser et al. (2003), onde uma sequencia de rearranjo trouxe um promotor próximo de um gene que faltava. Eu também discuti experimentos como os de Licis e van Duin (2006), onde múltiplas mutações sequenciais aumentaram a capacidade de um FCT. Apesar dos resultados visualmente surpreendente de Lenski – onde um balão normalmente claro tornou-se muito nublado com o crescimento excessivo de bactérias em citrato – à nível molecular não surgiu nada novo.

Outra pessoa que segue de perto os resultados de Lenski é Dennis Venema, professor associado do Departamento de Biologia da Trinity Western University e membro da fundação BioLogos. Fundada por Francis Collins, a BioLogos defende a compatibilidade da ciência darwiniana e teologia cristã. Eu concordo que o mecanismo darwiniano (corretamente entendido) é teoricamente compatível com a teologia cristã. No entanto, eu também acho que o darwinismo é insuficiente em termos científicos. Uma grande parte dos escritores da BioLogos acham que é adequado, e tentam defendê-la contra os céticos do darwinismo, mais especificamente contra os defensores do Design Inteligente como eu.

Em várias postagens na BioLogos, o professor Venema compara os resultados atuais do trabalho com citrato de Lenski aos argumentos que eu tinha feito em meu comentário na Quarterly Review of Biology e no meu livro de 2007, The Edge of Evolution. Considerando que eu tinha argumentado que havia um limite para o número de mutações não selecionadas (prejudiciais ou neutras) que nós poderíamos esperar, de maneira razoável, para que um processo darwiniano não direcionado tenha à sua disposição na construção de um sistema complexo, Venema acha que o trabalho recente de Lenski demonstrou que esse limite foi excedido. Além disso, enquanto eu tinha apontado que nenhuma das mutações observadas no trabalho de Lenski até a data da revisão teria sido um ganho de FCT, Venema escreveu que as mutações publicadas recentemente sobre citrato constituíam tal característica.

Discordo em ambos os casos. A duplicação de genes que trouxe um promotor tolerante a oxigênio para perto do gene citT não fez qualquer novo elemento funcional. Em vez disso, ele simplesmente duplicou recursos existentes. Os dois FCTs que compõem o lócus transportador de citrato tolerante a oxigênio – o promotor e o gene – eram funcionais antes da duplicação e continuaram funcionais depois. Eu havia escrito na minha crítica que um tipo de mutação que poderia ser classificada como um ganho de FCT seria uma duplicação de genes com posterior modificação da sequência, permitindo que o gene se especialize em alguma tarefa. Venema acha que a mutação observada por Lenski é um evento como esse.

Ele ignorou o fato de que não houve modificação subsequente na sequência; um segmento de ADN simplesmente duplicado paralelamente, unindo duas FCTs pré-existentes (é verdade que a sequência da proteína codificada pelo gene duplicado inclui um fragmento de um dos genes próximos, mas não há nenhuma evidência nem razão para acreditar que o fragmento fundido é necessário para a atividade da proteína). Na minha crítica, eu classifico isso como um evento de modificação de função. Um exemplo de um verdadeiro ganho de FCT por duplicação citado em meu comentário foi o trabalho de Olsthoorn e van Duin (1996), onde a duplicação de 14 nucleotídeos levou à formação de novos elementos codificados funcionais (não simplesmente repetindo elementos preexistentes), por isso não é simplesmente uma mutação de modificação-de-função. A mutação para o citrato não fez nada disso.

Venema conta o número de mutações necessárias para conseguir a função de importação de citrato plenamente funcional na obra de Lenski, e chega a mais ou menos uma meia dúzia. Infelizmente, muitas dessas são duplicações paralelas dos fracos transportadores citT, que são claramente selecionáveis, mutações benéficas. Para chegar a os limites ao darwinismo, enfatizei que esse mecanismo teria certamente que funcionar se mutações benéficas gradualmente e de forma incremental, em série, pudessem fazer o trabalho. Assim, essas mutações não contam na estimativa do limite. Somente mutações deletérias e neutras necessárias contam contra o limite para a evolução darwiniana.

Venema argumenta que talvez toda a biologia funcional complexa poderia ser alcançada por mutações benéficas graduais. Bem, abençoado seja seu coração otimista, mas os dados não nos dão nenhum motivo para pensar que, pela razão de se aumentar gradualmente o total de uma proteína na atividade celular por duplicação de gene sequencial seja benéfico sucessivamente, todas as rotas para sistemas complexos que envolvem vários elementos distintos iriam ser. Muito pelo contrário, como afirmei muitas vezes.

O professor Venema também conta com várias mutações “potencializadoras”, como que contribuindo para o sistema. Infelizmente, o que quer que essas mutações sejam, eles não são parte do próprio sistema metabólico do citrato. Em vez disso, eles estão em maior parte do plano de fundo genético. Se as especulações de Lenski e seus colegas de trabalho estão corretas (Blount et al. 2012), pelo menos uma das mutações potencializadoras degrada um gene relacionado e, portanto, em si conta como uma mutação de perda de FCT. Ao contar as mutações que contribuem para o limite da evolução para a construção de um recurso, apenas os diretamente envolvidos no recurso são contados, não aquelas que indiretamente que contribuem para um plano de fundo genético receptivo (que são em grande número).
Assim, ao contrário Venema, eu conto talvez três ou quatro mutações – a duplicação inicial colocando o promotor tolerante a oxigênio perto do gene citT, além de várias rodadas de duplicação daquela região. Todas as mutações são de modificação-de-função no sistema de classificação que eu descrevi. Devo acrescentar que não há nenhuma razão para pensar que os processos darwinianos não podem produzir mutações de ganho de FCT, e eu revi vários desses eventos. Mas eles estão em grande desvantagem numérica em relação as perdas de FCT e modificações de função por mutações benéficas.

No meu ponto de vista, num retrospecto, o aspecto mais surpreendente da mutação citT tolerante a oxigênio foi que ele mostrou-se tão difícil de alcançar. Se antes do trabalho de Lenski tivesse sido feito alguém tivesse esboçado para mim um desenho animado da duplicação original que produziu a mudança metabólica, eu teria assumido que seria suficiente um único passo para alcançá-la. O fato é que isso foi consideravelmente mais difícil e serve pra que mostrar que mesmo os céticos como eu superestimam o poder do mecanismo darwiniano.

Texto de Michael Behe, traduzido e adaptado do original em ENV.

Referências:

Barrick,J.E., Yu,D.S., Yoon,S.H., Jeong,H., Oh,T.K., Schneider,D., Lenski,R.E., e Kim,J.F. 2009. Genome evolution and adaptation in a long-term experiment with Escherichia coli. Nature 461:1243-1247.

Behe,M.J. 2010. Experimental Evolution, Loss-of-function Mutations, and “The First Rule of Adaptive Evolution.” Q. Rev. Biol. 85:1-27.

Behe,M.J. 2007. The Edge of Evolution: the Search for the Limits of Darwinism. Free Press: New York.

Blount,Z.D., Borland,C.Z., e Lenski,R.E. 2008. Historical contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia coli. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A 105:7899-7906.

Blount,Z.D., Barrick,J.E., Davidson,C.J., e Lenski,R.E. 2012. Genomic analysis of a key innovation in an experimental Escherichia coli population. Nature 489:513-518.

Licis,N. e van,D.J. 2006. Structural constraints and mutational bias in the evolutionary restoration of a severe deletion in RNA phage MS2. J. Mol. Evol. 63:314-329.

Olsthoorn,R.C. e van Duin,D.J. 1996. Evolutionary reconstruction of a hairpin deleted from the genome of an RNA virus. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A 93:12256-12261.

Venema,D. 2012. Behe, Lenski and the “Edge” of Evolution, Part 1: Just the FCTs, Please. The Biologos Forum, aqui.

Zinser,E.R., Schneider,D., Blot,M., e Kolter,R. 2003. Bacterial evolution through the selective loss of beneficial Genes. Trade-offs in expression involving two loci. Genetics 164:1271-1277.

Olhando para a natureza com os olhos de um engenheiro

Imagem: Patella vulgata (no link do texto original)

Aqui vão dois exemplos de pesquisadores que procuram por “princípios de design” em organismos vivos, mostrando que a visão de engenharia leva ao progresso científico.

Replicação celular como Engenharia de Sistemas

O trabalho de um especialista em eficiência é encontrar melhores formas de fazer mais coisas em menos tempo com menos custos. Do “Taylorismo” no início do século 20, até a “Pesquisa Operacional” nos dias da 2ª Guerra Mundial, à “Engenharia de Sistemas” hoje, a especialização em eficiência tem se tornado uma disciplina essencial para a produção e para o cronograma de projeto. Recentemente, Rami Pugatch, um biólogo de sistemas no Instituto de Estudos Avançados de Princeton, olhou para a humilde bactéria de laboratório E. coli com os olhos de um especialista em eficiência. O site PhysOrg explica como ele abordou a “replicação celular como um problema de engenharia de sistemas”:

O artigo descreve o problema do agendamento de tarefas em processos de replicação celular e, finalmente, mostra uma distribuição matemática que caracteriza uma estratégia ótima de replicação para células de E. coli. O escopo do trabalho de Pugatch engloba processos celulares individuais, descrições algorítmicas de replicação otimizada, conceitos de engenharia de sistemas, e até mesmo a história do conceito de máquina auto-replicante. [grifos nossos]

A história se refere ao trabalho teórico de John von Neumann em 1948 sobre como construir uma máquina auto-replicante. Pugatch descobre que uma bactéria replicante atende a alguns requisitos: ela mantém todos os ingredientes em reservatórios bem abastecidos para cada tarefa, ela escalona as tarefas da melhor maneira, e duplica as instruções, como parte do trabalho. A bactéria consegue bem suceder mesmo quando os recursos são escassos, um “problema de escalonamento difícil de resolver” de acordo com o artigo publicado no PNAS.

Auto-replicação bacteriana é um processo complexo composto de diversas etapas de síntese, catalisadas por uma miríade de unidades moleculares de processamento, por exemplo, as máquinas de transcrição e tradução, enzimas metabólicas e o replissoma. A conclusão bem sucedida de todas as tarefas de produção requer um escalonamento – uma atribuição temporal, de cada uma das tarefas produtivas para as suas respectivas unidades de processamento, que respeita a ordenação e a limitação de recursos. A maioria dos processos de crescimento intracelular estão bem caracterizados. Contudo, a maneira pela qual elas são coordenadas sob o controle de uma política de escalonamento não é bem compreendida. Quando a replicação rápida é priorizada, um escalonamento que minimizasse o tempo de conclusão é desejável. No entanto, se os recursos são escassos, normalmente é difícil encontrar computacionalmente um escalonamento tal, no pior dos casos. Aqui, nós mostramos que o escalonamento ideal emerge naturalmente na auto-replicação celular. Um tempo de duplicação ótimo é obtido através da manutenção de um inventário suficientemente grande de metabólitos intermediários e de unidades de processamento necessárias para a auto-replicação e, adicionalmente, da exigência de que essas unidades de processamento sejam “gananciosas”, ou seja, não fiquem ociosas se elas puderem executar uma tarefa produtiva. Calculamos a distribuição dos tempos de duplicação dessas máquinas auto-replicantes de escalonamento ótimo, e descobrimos que existe uma forma universal – log-Frechet, que não é sensível a muitos detalhes microscópicos. Analisando dois conjuntos de dados recentes de Escherichia coli que cresciam em um ambiente estacionário, encontramos uma excelente concordância entre a distribuição do tempo de duplicação observado e a distribuição universal prevista, sugerindo que a E. coli está escalonando a sua replicação de maneira ótima.

O artigo não faz nenhuma menção a evolução ou a seleção natural, nem mesmo o sumário do PhysOrg. Em vez disso, encontra-se a linguagem da PERT (Program Evaluation and Review Technique), “caminho crítico” e outros termos familiares para engenheiros de sistemas.

Quando von Neumann propôs a máquina auto-replicante, era uma ideia futurista a que escritores de ficção científica se prenderam, prevendo robôs que viajavam pelo espaço que poderiam se replicar com recursos encontrados nos planetas que pousaram, enquanto eles se espalhavam por toda a galáxia. Mas aqui mesmo na Terra, temos um exemplo perfeito em um dos menores e “mais simples” organismos vivos.

Surpreendentemente, a nossa análise dos conjuntos de dados medidos recentemente da E. coli em crescimento exponencial num ambiente estacionário revela que a distribuição medida dos tempos de duplicação se encaixa bem com a distribuição prevista dos tempos de duplicação de uma máquina auto-replicante de escalonamento ótimo. [PNAS]

Tal máquina [de von Neumann] é chamada de “não-trivial” se ela inclui um construtor universal como um componente. O processo de duplicação não é considerado completo até que uma cópia das instruções seja fornecida. Em vez de controlar sua própria replicação, as instruções são duplicadas a partir de um modelo por uma máquina dedicada separada, que não é acionada até a conclusão da fase de replicação da máquina. Isso é muito análogo a processos celulares reais. [PhysOrg]

Foram necessários olhos de engenheiro para enxergar esta conexão. Agora, a nossa compreensão da replicação bacteriana foi consequentemente enriquecida, sem qualquer menção a seleção natural. Na verdade, o desenrolar do processo cria novos problemas para o neodarwinismo: como uma máquina de von Neumann auto-replicante conseguiria aparecer pouco a pouco, sem que todas as peças, instruções e o “construtor universal” já estivessem presentes?

Ciência dos materiais

Enquanto isso, a substância biológica mais forte conhecida veio à tona. Esse material pode suportar 5 gigapascals de tensão, o que equivale a uma corda da largura de um espaguete suportando 3.000 sacos de meio-quilo de açúcar, de acordo com a BBC News. Que material é esse? É a rádula, ou dente, da lapa, um animal aquático parecido com um caracol com uma concha em espiral. E quem o encontrou? Um engenheiro. A Universidade de Portsmouth explica:

O professor Asa Barber da escola de engenharia da universidade liderou o estudo. Ele disse: “A natureza é uma fonte de inspiração maravilhosa para estruturas que têm propriedades mecânicas excelentes. Todas as coisas que observamos ao nosso redor, como as árvores, as conchas de criaturas do mar e os dentes de lapa estudados neste trabalho, têm evoluído para serem eficazes no que fazem.

“Até então nós pensávamos que a seda de aranha era o material biológico mais forte por causa da sua superforça e das suas potenciais aplicações em tudo, de coletes à prova de bala até à eletrônica computacional, mas agora nós descobrimos que os dentes de lapa apresentam uma força que é potencialmente maior”.

Ahá! O darwinista diria. Está vendo? Barber disse que eles “evoluíram para serem eficazes no que fazem”. Ao ler a matéria, porém, percebe-se que a teoria da evolução não tem nada a ver com a descoberta. Era nada mais do que uma historinha que o professor contou provavelmente por força do hábito. Ele é um engenheiro, afinal de contas, que reconhece um bom design quando ele vê:

“Essa descoberta significa que as estruturas fibrosas encontradas nos dentes da lapa poderiam ser imitadas e usadas em aplicações de engenharia de alto desempenho, tais como em carros de Formula 1, em cascos de embarcações e estruturas de aeronaves”.

Os engenheiros estão sempre interessados em tornar essas estruturas mais fortes para melhorarem o seu desempenho ou mais leves para que elas usem menos material”.

O trabalho de Barber envolveu testes de resistência à tração dos dentes de lapa com instrumentos especialmente concebidos. Foi um trabalho difícil. Os dentes tem apenas um milímetro de comprimento, e são muito finos. A lapa usa sua rádula para raspar as algas das rochas de que se alimenta. A equipe de Barber descobriu que, por causa do modo que os dentes são construídos com um mineral chamado goetita, suas propriedades se escalariam, ou seja, os mesmos princípios seriam aplicáveis com tamanhos maiores, uma vez que a resistência do material não depende do tamanho.

A descoberta de projetos eficazes na natureza e, em seguida, construir estruturas com base nesses projetos, é chamada de ‘bioinspiração’.

O professor Barber disse: “A biologia é uma grande fonte de inspiração para a concepção de novas estruturas, mas com tantas estruturas biológicas para considerar, pode-se levar tempo para descobrir o que pode ser útil”.

Bioinspiração – um neologismo que há de se manter. Pense nas perspectivas de encontrar mais designs por aí! Como o artigo da BBC News disse: “Nós deveríamos estar pensando em construir nossas próprias estruturas seguindo os mesmos princípios de design“. Boa idéia! O design é uma inspiração para explorar, descobrir, compreender, e então imitar.

Texto traduzido e adaptado de ENV.