04 dezembro 2015

Optogenética, do ceticismo ao sucesso

Expressão de gene sensível à luz em regiões específicas do sistema nervoso abre caminhos para estudos mais detalhados sobre as partes do cérebro. O colunista Carlos Alberto dos Santos discute a origem dessa área de pesquisa e suas possibilidades futuras.

Imagem confocal de um neurônio marcado com a proteína fluorescente GFP. Técnicas ópticas permitem um estudo mais detalhado de processos biológicos, como a comunicação entre células do sistema nervoso. (foto: National Institutes of Health)

Quando decidi escrever sobre optogenética (técnica de investigação da genética que usa recursos ópticos) para a coluna deste mês, minha motivação era tão somente o fato de que se trata de uma área fortemente interdisciplinar. Eu já tinha abordado o assunto em janeiro de 2011, mas achei que valeria a pena abordá-lo novamente a propósito do Ano Internacional da Luz – afinal, a técnica consiste em dispor um feixe de luz sobre uma célula fotossensível, observando em seguida o comportamento do circuito neuronal que resulta da interação da luz com o material. Não tinha me dado conta de que a revista Nature Neuroscience havia comemorado, no último mês de setembro, os 10 anos de existência dessa área de pesquisa. Ganhei, assim, mais um motivo para retomar o assunto.

O artigo que é considerado a origem da área, publicado em 2005 pela Nature Neuroscience, foi rejeitado pela Science e pela Nature (vale ressaltar que a Nature, e não a Nature Neuroscience, é a mais importante entre as revistas do grupo Nature, que inclui Nature Materials, Nature Physics, Nature Cell Biology e Nature Chemistry, entre outras). Assim como os árbitros que o rejeitaram, muitos pesquisadores achavam aquela ideia boa demais para ser verdade. Seria possível isolar um gene de uma espécie qualquer que tenha um canal sensível à luz e introduzi-lo em algum neurônio do sistema nervoso dos mamíferos?

Em termos técnicos, isso significa expressar o gene sensível à luz em um neurônio localizado em determinada região do sistema nervoso – um feito até então inédito e pouco provável. A salvação para a publicação foi que a Nature Neuroscience tem uma seção sobre relatos técnicos, onde não há exigência da demonstração da correção dos conceitos científicos envolvidos no trabalho. Mesmo assim, um dos árbitros mostrou-se bastante cético ao afirmar que, embora elegante, a técnica lhe parecia inútil. 

Proteínas fotossensíveis são atraídas por neurônios em determinadas regiões do cérebro, de modo que ativá-los com luz permite a investigação do funcionamento dessa região.

Felizmente aceito para publicação, o trabalho de Karl Deisseroth e seus colaboradores, da Universidade Stanford (EUA), consistiu em expressar a proteína ChR2  em determinados neurônios, que passaram a apresentar sensibilidade à luz – uma propriedade da proteína em questão. Quando luz azul incide sobre ChR2, ela abre canais por onde passam íons de cálcio, sódio, potássio e hidrogênio. A corrente elétrica que se forma ativa os neurônios, que passam a se manifestar através de sinapse. O detalhe mais importante é que proteínas fotossensíveis são atraídas por neurônios em determinadas regiões do cérebro, de modo que ativá-los com luz permite a investigação do funcionamento dessa região.

Onde começou e para onde vai?

Como ocorre frequentemente com as descobertas científicas, a optogenética, nome dado a essa área de pesquisa em 2006, suscita polêmica quanto à sua origem. Se, para os editores da Nature Neuroscience, ela nasceu com o artigo publicado em 2005, para outros pesquisadores, essa área de pesquisa surgiu bem antes. Há quem diga que a semente da optogenética estaria nas ideias de Francis Crick, divulgadas em 1999, segundo as quais o entendimento dos circuitos neuronais seria obtido com o desenvolvimento de uma tecnologia que permitisse o controle seletivo de neurônios de um tipo, sem afetar a atividade dos outros. É exatamente isso que faz a técnica desenvolvida por Deisseroth e equipe.

Há também quem aponte o artigo publicado por Gero Miesenböck e colaboradores, em 2002, na revista Neuron, como o início da optogenética. Nesse trabalho, os autores mostram que a ação da luz sobre a proteína opsin pode estimular neurônios em determinadas regiões. 

Finalmente, há uma terceira alternativa para a origem da optogenética: trata-se do trabalho publicado por Georg Nagel e colegas, em 2003, no qual relatam a descoberta da ChR2 e mostram se tratar de um canal iônico, com chave acionada por luz. Talvez esta seja a equipe que mais tenha se dedicado à proteína ChR2, antes de Deisseroth.

Não é simples decidir onde tem início determinado avanço científico, uma vez que a produção científica é, no fundo, resultado da contribuição de muita gente. Em ciência, nada nasce do nada. Todavia, podemos estabelecer o nível de importância de determinada descoberta a partir de dados bibliométricos. A evolução do número de artigos publicados dá ideia do interesse que o assunto desperta na comunidade científica, enquanto o número de citações é proporcional ao impacto produzido pelas publicações. 

Artigos sobre optogenética na Web of Science
Acima: artigos registrados sobre a proteína ChR2. Abaixo: citações a artigos registrados sobre a proteína ChR2. (fonte: Web of Science)

Como a proteína ChR2 é um elemento central na optogenética, podemos examinar a evolução dos trabalhos publicados tendo essa proteína como palavra-chave. Observa-se, nos artigos registrados na Web of Science, que tanto o número de artigos publicados quanto o número de citações crescem abruptamente depois de 2007. Como os três artigos citados acima foram publicados entre 2002 e 2005, não dá para associar essa evolução a qualquer um deles apenas a partir desses números. No entanto, dos três artigos mencionados, aquele da equipe liderada por Karl Deisseroth é o mais citado. Tem 50% mais citações do que o segundo mais citado, o da equipe de Georg Nagel. Portanto, se não podemos rigorosamente afirmar que a optogenética nasceu com o trabalho liderado por Deisseroth, não temos dúvida de que foi o trabalho de sua equipe que causou o maior impacto na comunidade científica. 

A simplicidade do método de Karl Deisseroth e colaboradores, onde apenas um fragmento de ChR2 com 315 aminoácidos é suficiente para ativar ou desativar neurônios, motivou uma avalanche de projetos de pesquisa, incluindo questões comportamentais, fisiológicas e patológicas observadas em mamíferos e comportamentos de circuitos neurais em invertebrados. Todavia, permanece em aberto a possibilidade do uso clínico da optogenética – o conhecimento científico ainda está muito longe de permitir essa possibilidade.

No médio prazo, é provável que o conhecimento adquirido nas pesquisas básicas possibilite o desenvolvimento de novos medicamentos, a determinação de novos circuitos neuronais para a aplicação de estímulos elétricos e novos protocolos de medicina regenerativa. Aguardemos os próximos capítulos da história da optogenética.

Carlos Alberto dos Santos
Professor aposentado do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

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