Letrinhas em movimento: como anda o sequenciamento do genoma do mexilhão dourado?

O mexilhão dourado está na Alemanha!

Não, não se assuste! Isso não significa dizer que ele invadiu águas europeias!

Ufa!

O que eu quis dizer é que o projeto do sequenciamento do genoma do mexilhão dourado começou uma colaboração com um instituto de pesquisa alemão, e por isso as letrinhas A, C, T, G do genoma do mexilhão dourado andam passeando pelo hard drive e pela memória ram de super computadores alemães...

Eu, Marcela, estou fazendo um ano de doutorado sanduíche, com bolsa da CAPES, em um instituto de pesquisa em Berlim chamado Leibniz Institute for Zoo and Wild Life Research (IZW), e continuo a montagem do genoma do mexilhão dourado dentro de um núcleo de bioinformática conhecido como Berlin Center for Genomics in Biodiversity Research (BeGenDiv). Essa sou eu por aqui: http://goo.gl/WAqdei 

O IZW e o BeGenDiv produzem ciência voltada para o estudo do comportamento e da genética animal, com fins de preservação da vida selvagem, e das espécies ameaçadas de extinção. E também, como no caso do mexilhão dourado, estudam a genética de espécies que ameaçam a diversidade e a vida selvagem!

Aqui na Alemanha eu sou orientada pela Dr. Camila Mazzoni, que está trazendo sua expertise em anotação de genes para o projeto do genoma do mexilhão dourado.

Mas o que significa anotação de genes?

O sequenciamento e a montagem de um genoma envolvem várias etapas. É preciso:

1-) Coletar o animal e extrair o seu DNA - já fizemos essa parte no Brasil!

2-) Depois, precisamos inserir esse DNA numa máquina de sequenciamento de letrinhas. Para que as letrinhas do genoma sejam geradas pela máquina, é preciso comprar reagentes químicos um tanto caros, e foi aqui que investimos uma parte do nosso dinheiro de financiamento, que inclui o nosso crowdfunding! Gastamos em torno de R$ 42.600,00 para gerar as sequências genéticas do mexilhão (as letrinhas!) em dois diferentes centros de sequenciamento: um deles na UNESP de Jaboticabal, e o outro na Itália na cidade de Perugia, no chamado Polo d'Innovazione di Genomica, Genetica e Biologia (Polo GGB)*. 

Letrinhas caras essas, né? Mas o que a gente faz com elas agora?

3-) É preciso montar o genoma. O genoma do mexilhão dourado é formado por mais ou menos 800 milhões de letrinhas A,C,T,G seguidas. Mas quando elas são geradas pela máquina de sequênciamento, essas letrinhas não saem de lá compriiiiiiiiidas já formando longos fragmentos até chegar aos 800 milhões necessários. Na verdade, as chamadas reads (ou sequências) que são geradas pelo sequenciador são bem curtas: cada read é composta de mais ou menos 100 letras A,C,T,G! Várias e várias dessas reads são geradas pelo sequenciador de genomas. Então você imagina: é preciso pegar todas as sequências de 100 letrinhas e dar sentido à elas, até que elas formem a ordem correta das 800 milhões que compõe o genoma completo do mexilhão! É como um quebra cabeça com muitas peças embaralhadas! E para resolver esse quebra cabeça é preciso usar diferentes programas computacionais. Trabalho puxado que estou desenvolvendo nesse momento!!!

Quando já tivermos as letrinhas na sequência correta formando o genoma então,

4-) Precisaremos anotar os genes dentro desse genoma! Nem todas as letrinhas codificam os blocos da vida que geram os nossos tecidos e órgãos: as letrinhas que fazem isso são chamadas genes, e é preciso identificá-las no meio das outras sequências que têm outros papéis na geração da vida. Muitas dessas outras sequências são como guardas de trânsito; controlando a expressão dos genes na célula.

Esse trabalho de diferenciação entre genes e guardas de trânsito já está sendo iniciado - a medida que vamos gerando os primeiros grandes blocos de letrinhas em sequência correta através da montagem do genoma - e vai continuar pelos próximos dois anos, até que o projeto esteja em sua fase final, no início de 2017.

São esses genes que serão nomeados a partir dos nosso queridos colaboradores! Quando a hora de nomear genes chegar, e ela há de chegar, todos os colaboradores receberão um e-mail e precisarão escolher o nome dos seus genes! Que sejam generosos e deem nomes legais! Porque já bastam os nomes reais dos genes que indicam as funções bioquímicas deles! Por exemplo: o gene da glucose-6-fosfato-desidrogenase... an?? Fala sério! Que nomão!! Tomara que no genoma do mexilhão dourado ela chame-se John glucose-6-fosfato-desidrogenase ou Mary glucose-6-fosfato-desidrogese... Melhor, hein?

Acho que por hoje vou ficando por aqui. Em Berlim: eu, meu computador, as letrinhas... e o mexilhão! 

Quem estiver interessado em uma ciência mais hardcore pode dar uma olhada no último capítulo de livro que escrevemos sobre a relação da genética com a capacidade invasiva do mexilhão dourado. O capítulo está dentro deste livro: http://www.springer.com/gp/book/9783319134932 

*Quem quiser mais detalhes sobre os pagamentos, recibos e coisa e tal, pode escrever pra mim: marcela.uliano@gmail.com

O Papa é pop

Além dos discursos super ponderados e embasados (em nada?) sobre as eleições presidências brasileiras, hoje não se falava em outra coisa nas redes sociais a não ser na declaração do Papa chicano de que a teoria da evolução das espécies e do Big Bang são corretas.

Deixando de lado os vários problemas relacionados ao "agora pode", "agora não pode" da igreja (e de qualquer instituição que baseie suas afirmações em fé, e não em evidências), vou entrar no que mais me incomoda nessa história toda: eu fico me perguntando o que as pessoas realmente entendem por teoria da evolução. 

Segundo o site do Globo, o Papa teria afirmado que "... Deus criou os seres humanos e deixou que eles se desenvolvessem de acordo com as leis internas que ele deu a cada um para que eles cheguem ao seu cumprimento...". 

Com essa afirmação, Francisco não me parece estar aceitando o que a teoria (que é tão real e baseada em evidências quanto a teoria gravitacional) de fato sugere: que as espécies evoluem de acordo com a seleção natural, e que esse é um processo não planejado, ao acaso. E constante.

Todos nós descendemos de um ancestral comum, e o DNA como material genético de TODAS as espécies, desde bactérias até o homem, está aí para provar isso. Além disso, as espécies habitantes da Terra não foram sempre as mesmas; as espécies derivam, evoluem. Mais ou menos assim: existe a diversidade gênica (e o sexo tem grande papel nisso!) e então a influência de fatores ambientais, que ajuda a fixar ou eliminar genes (os genes vantajosos ou desvantajosos) criando assim a diversidade, que pode levar a um evento de especiação; a criação de uma nova espécie. Infelizmente não conseguimos acompanhar esse processo durante o nosso tempo de vida porque ele leva milhares de gerações para acontecer.

No entanto, precisamos tirar uma conclusão básica a partir das evidências da teoria da evolução: se as espécies na Terra não foram sempre as mesmas, se elas evoluem constantemente, e se o homem é uma dessas espécies, então o ser humano não é o ponto máximo da evolução. 

Ainda estamos mudando. E estaremos sempre.

Tendemos a utilizar a palavra evoluir com um sentido positivo; como se algum ser (ou pessoa, ou crença, ou raça, ou sistema educacional) mais evoluído fosse algo melhor. E é por isso que eu gosto tanto da expressão derivar. Porque um organismos mais derivado (ou evoluído), nada mais é do que uma espécie mais recente do que um(s) ancestral(is) a ela na árvore da vida. Isso significa que ela passou por mais passos evolutivos do que a outra espécie, mas não que é uma espécie melhor. É bem provável que a espécia mais derivada seja mais bem adaptada ao meio naquele momento, mas isso não significa que seja melhor. Muitas vezes, derivar (ou evoluir) significa perder algumas características (como asas, e assim a habilidade de voar para algumas espécies), e estamos sempre acostumados a associar a evolução com organismos complexos, cheios de diferentes órgãos. Organismos mais evoluídos podem ser mais simples do que os seus antepassados.

Nesse sentido, se entendemos que a evolução é a 'derivação' e 'melhor adaptação ao ambiente e tempo em que vivem', e não significa ser melhor, então temos que concluir que todas as espécies presentes no Planeta Terra hoje têm o mesmo sucesso evolutivo que os seres humanos. São tão bem adaptadas ao momento quanto ele; elas estão vivas agora!

Ou pelo menos por enquanto.

Gastei um momento para escrever esse texto porque acho que as pessoas não se dão conta do que isso realmente significa. Aceitar a teoria da evolução não significa dizer que as espécies evoluíram devagar de seres primitivos aos seres humanos. Aceitar a teoria da evolução significa entender que somos apenas mais um galho da árvore da vida, e que ainda podemos derivar para uma espécie mais extraordinária no futuro. Isso deveria nos dar um sentimento de extrema humildade (que é dificilmente o que vemos os seres humanos fazendo por aí). 

Por mais que o papa, ou qualquer outro líder, afirme que a evolução das espécies é legítima, tenho a forte impressão de que verdadeiramente, ninguém ainda se deu conta do real significado disso. Porque se tivéssemos nos dado conta, não seríamos tão egoístas no trato com todas as outras espécies presentes no Planeta Terra. 

É chegado o tempo de pararmos de abusar da diversidade (consumo excessivo de derivados animais, desmatamento, esgoto não-tratado, para citar só alguns). E agora com a benção do papa. 

Mais em teoria da evolução aqui. 

Com quantas letras A,C,T,G se escreve um genoma de mexilhão?

O mexilhão dourado é uma praga. E nós queremos estudar a sua genética para entendê-lo e combatê-lo. Desde o fim do financiamento coletivo, onde arrecadamos mais de R$40 mil, estamos fazendo isso!

Todo mundo já sabe que o DNA é o código da vida presente em todos os seres vivos: desde os vírus e bactérias até os seres humanos (com a exceção de alguns vírus, que tem RNA como material genético). Esse código é formado essencialmente pela sucessão de quatro letrinhas que formam pares e são na verdade a representação simplificada de nucleotídeos: os A,C,T e Gs do código genético.

Nessas letrinhas está contida toda a informação necessária para a construção e processamento das proteínas, que são os blocos de construção do nosso corpo; são os nossos tijolos. Nem todo o DNA é formado de tijolos, na verdade, eles representam apenas uma pequena porção de todo o código. Tem muito cimento codificado no DNA também, que auxilia na estruturação de todos esses tijolos. E muito DNA ainda não possui função esclarecida: talvez seja apenas a nossa ciência ignorante que não saiba para o que ele serve, mas ele também pode não servir pra nada!

De qualquer forma, o primeiro passo para estudar todas as letrinhas do genoma de uma determinada espécie, no nosso caso do mexilhão dourado, é estimar quantas elas são: quantas letrinhas em sucessão presentes nos diversos cromossomos da espécie são necessárias para construir um mexilhão dourado?

Uma forma científica de fazer isso é comparando a quantidade de DNA presente no núcleo do mexilhão com a quantidade de DNA presente no núcleo das células de outras espécies as quais já conhecemos o tamanho do genoma, por exemplo, os seres humanos.

E foi exatamente esse experimento que desenvolvemos: através de várias técnicas de biologia molecular nós coramos o material nuclear de ambas as espécies, mexilhão dourado e humanos, e um instrumento chamado citômetro de fluxo mediu a fluorescência do corante que tingiu o DNA celular. No núcleo da célula este corante se liga apenas ao DNA e proporcionalmente, dessa forma, o sinal da fluorescência é confiável (se você for cientista e quiser detalhes do protocolo, acesse nosso protocolo online em http://goo.gl/9eulBB).

Nós já sabemos que o genoma humano possui 3 bilhões de letrinhas. O pico de fluorescência do genoma do mexilhão dourado é 3,8 vezes menor que o pico de fluorescência das células humanas. Isso significa que o genoma de L. fortunei é 3,8 vezes menor que o dos humanos e possui em torno de 800 milhões de letrinhas! É letrinha pra caramba!

Como podemos ver, o genoma do mexilhão dourado é muito menor que o humano. Parece lógico, não é? Uma vez que os seres humanos são mais derivados (não é complexo, é derivado o termo correto!) que os mexilhões! Mas não é tão lógico assim não: depois que muitos genomas foram sequenciados ficou claro que o tamanho do genoma não está relacionado à complexidade do organismo. Por exemplo, o maior genoma conhecido na natureza pertence a uma planta, chamada Paris japonica que possui 15% de DNA a mais que o antigo recordista, que adivinha quem era? Um peixe! Nada de ser humano! (reportagem: http://goo.gl/CDiIDR).

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Como falei anteriormente, os genomas são uma mistura de produtores de cimento, tijolos, argamassa, rejunte e todos os ingredientes necessários para se fazer uma casa. Mas no fim das contas, somente mudando a proporção desses ingredientes, não necessariamente adicionando ingredientes mais requintados, conseguimos construir muitas casas diferentes. E é por isso que o tamanho do genoma não tem necessariamente relação com sua complexidade. O que influencia na complexidade é o modo como cada genoma se expressa para formar cada espécie diferente.

Agora que já determinamos que precisamos montar 800 milhões de letrinhas para formar um genoma, temos muito trabalho pela frente! Vamos usar o dinheiro arrecado com o financiamento no catarse para fazer o sequenciamento; determinar a sucessão dessas letrinhas. Após isto, a bioinformática entra em cena e montaremos os genes que serão nomeados em homenagem aos colaboradores! Mexilhão dourado, você não perde por esperar: vamos desvendar o seu código!!

Esta figura mostra a dificuldade que os cientistas tiveram, e continuam tendo, para decifrar os genomas. Sequenciar as letrinhas é só a primeira parte, o mais desafiador é montar e entender as proporções dos diferentes ingredientes que formam a casa de cada espécie! 

O mexilhão dourado e seu transcriptoma

Há algumas semanas, entre os dias 25 e 30 de setembro, vivi bons momentos entre amigos em um verdadeiro paraíso tropical; a praia pernambucana Porto de Galinhas. Não, não estava lá para tirar as boas e merecidas férias. Mas fui por um outro motivo também fortemente motivador, a ciência; fui participar do XII Congresso Brasileiro de Ecotoxicologia.

Minha participação envolveu uma breve apresentação do meu próprio trabalho de mestrado. Já expliquei aqui nesse blog brevemente que estou estudando a genética de dois moluscos bivalves, o mexilhão de água doce invasor Limnoperna fortunei e o marinho Perna perna.

Estou montando um perfil transcriptômico para ambas as espécies. Montar um transcriptoma é parecido com montar um genoma, que tenho certeza que você já ouviu falar sobre. A diferença é que um transcriptoma representa apenas uma parte do genoma; a que contém os genes. O genoma inteiro possui várias regiões chamadas não codificantes, que representam um desafio na montagem. Com o transcriptoma, não estamos preocupados com esta parte.

E porque estou fazendo isso? A razão para sequenciarmos e mapearmos os genes para ambas as espécies é diferente entre si. Este post trata das razões pelas quais estou montando o transcriptoma de Limnoperna fortunei, o mexilhão dourado.

Na verdade, muitas pessoas já ouviram falar dele. Este organismo é um invasor asiático, presente em águas sul americanas desde o início da década de 1990. Ninguém sabe ao certo, mas temos boas razões para imaginar que o mexilhão dourado fez sua viagem da Ásia até aqui em água de lastro de algum navio. Em 1991, pesquisadores encontraram os primeiros espécimes no porto de Buenos Aires, na Argentina. E, desde então, ninguém conseguiu impedí-lo de se estabelecer por aqui! Atualmente ele está presente nos maiores rios da América do Sul, como os rios da Prata, Uruguai, Paraguai e Paraná. Também anda infestando o lago Guaíba, no sul do Brasil, e alguns outros rios e lagos da região. A distribuição limite norte do mexilhão dourado é a cidade de Cáceres. Adivinhe? No coração do Pantanal Brasileiro.

Ok. Temos um mexilhão novo em nossas águas. E daí?

Vários 'daís'. Dentre as diferentes características biológicas que este mexilhão possui e que facilitam seu sucesso como invasor, uma bastante marcante é a capacidade de produzir densas populações. Quando esta espécie foi encontrada pela primeira vez na Argentina, em 1991, a densidade da população era de 5 organismos / m². Em 2002, este número chegou a 150 mil organismos / m². É, é muito mexilhão junto! 

E este é um dos motivos que tem dado dor de cabeça às companhias de abastecimento de água e usinas hidrelétricas. A larva de L. fortunei é planctônica (e por isso, muito pequena!!). Através delas ele consegue ultrapassar filtros e grades desses estabelecimentos e acaba se alojando em localidades onde o impacto da água não é tão severo. No caso das usinas hidroelétricas, são os trocadores de calor. Uma vez lá, eles começam a crescer sem parar, resultando nisso!

O que você vê aí é uma turbina de usina hidrelétrica infestada de mexilhões dourados! Já pensou? Pois é, com essa dispersão toda pela América do Sul, o mexilhão já chegou em grandes usinas como Itaipu, e à sistemas de várias companhias de abastecimento de água da Argentina. Os gastos econômicos que ele tem causado não têm sido desprezíveis!

Mas se um mexilhãozinho como este tem a capacidade de se reproduzir desta forma empatando o trabalho das usinas, já pensou o que ele pode fazer ao meio ambiente? Pense, uma vez introduzido em novas águas, ele rapidamente começa a se reproduzir, aderindo em qualquer superfície que 'vê' pela frente. Vários cientistas tem prestado atenção nele, e muitas mudanças nos ecossistemas onde ele se insere já foram noticiadas. O mexilhão dourado é considerado um engenheiro de ecossistemas. Isso significa que ele modifica os ambientes onde vive. Aqui nas águas sul americanas, suas densas populações têm diminuído os números de algumas populações artrópodes, uma vez que o mexilhão literalmente cresce em cima destes e os mata por asfixia. Por outro lado, sua farta presença tem aumentado substancialmente a população de certos peixes, uma vez que ele se tornou um novo, suculento e disponibilíssimo menu alimentar!

Não quero me alongar muito, porque sei que você tem outras coisas para ler/fazer, mas uma coisa preciso afirmar: todos os estudos considerando o mexilhão dourado um engenheiro de ecossistemas e analisando as modificações que ele tem causado em seu caminho de invasão confirmam; a presença de tal molusco diminui a biodiversidade das áreas invadidas. E você quer saber de uma coisa? A partir de Cáceres, seu ponto final de distribuição até então, ele só tem que percorrer em torno de 150 km até chegar ao rio Téles Pires, que por sua vez, se encontra com o Rio Tapajós, já pertencente a Bacia Amazônica. Isso. Ele está a 'um pulinho' de invadir águas amazônicas, águas essas que guardam a maior biodiversidade aquática do mundo. Do mundo inteiro!

E por essa razão, chegamos ao motivo do meu mestrado. Minha intenção, montando o quebra cabeça dos genes desta espécie, é entender melhor a biologia do mexilhão dourado. O que ele tem que o faz capaz de se estabelecer em rios tão distantes uns dos outros? Como é possível que ele tenha sobrevivido todo o caminho da Ásia até aqui? E que história é essa de sair se fixando em tudo quanto é superfície e criando aquelas populações imensas?

Se acharmos respostas para algumas dessas questões, é possível que encontremos a maneira de conter esta invasão.

Um estudo de montagem de quebra cabeças deste tipo já mostrou que os genomas e transcriptomas tem muito a acrescentar em lutas como esta. Recentemente foi publicado na Nature, revista científica de alta relevância, o genoma da ostra-do-pacífico, de nome científico Cassostrea gigas. Este outro molusco bivalve, parente do mexilhão dourado, também se adapta bem a diferentes ambientes aquáticos. Uma das características mais marcantes é sua resistência a longos períodos desabrigado da água, devido às marés. Pois bem, os cientistas chineses estudando este animal já notaram que ele possui uma grande quantidade de proteínas de choque térmico, proteínas estas responsáveis por manter o metabolismo do organismo saudável em situações de estresse. Repare, enquanto os seres humanos possuem apenas 17 dessas proteínas, esses bivalves possuem 39.

Interessante, não? E é este tipo de investigação que eu e meu grupo de trabalho, na Universidade Federal do Rio de Janeiro, estamos fazendo também para o mexilhão dourado. Qual tipo de proteínas ele possui que podem estar ajudando nesta atividade invasora? E melhor, quais dessas proteínas, essenciais para sua vida, podem ser alvos de estratégias de controle dessa invasão?

Estamos em reta final na busca por respostas à essas perguntas. Além disso, gostaria de dedicar três linhas deste post à prosear sobre a maravilha da biologia destes bivalves. Animais tão simples como a ostra-do-pacífico e o mexilhão dourado capazes de tanto! A ostra, que comemos rotineiramente e nem se quer a admiramos um minuto por poder passar tanto tempo fora da água (Quanto tempo mesmo que os seres humanos conseguem ficar sem respirar? 5 minutos, no máximo?). E o mexilhão dourado, desbravando águas nunca antes exploradas com tanto sucesso! 

Já chegamos a lua, mas sabemos tão pouco sobre organismos que estão tão intimamente relacionados conosco em nosso dia-a-dia! Neste momento, pelo menos, nossos cientistas e nossa bela ciência precisam ter humildade suficiente e admitir com entusiamo: temos muito ainda o que aprender!