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Quando o óvulo e o espermatozóide se unem, forma-se o zigoto, uma única célula a partir da qual, se tudo correr bem, acabará por se formar um ser humano.
O zigoto é, portanto, o que se designa por célula totipotente, a partir da qual se pode formar qualquer tecido. Quando se divide, as duas células resultantes também são totipotentes e, à medida que estas continuam a dividir-se, as quatro que restam também o serão. Mas, pouco a pouco, as células perdem a sua totipotência e vão-se especializando em tecidos específicos. E isto levanta uma das questões mais interessantes da embriologia: como é que uma célula de um embrião sabe que tem de se transformar numa célula muscular? Ou num adipócito? Ou num neurónio?
Para acabarem por se transformar nos tecidos finais, as células seguem as instruções que lhes são ditadas pelos seus genes. Embora haja aqui um truque, uma vez que todas as células de um mesmo corpo humano contêm a mesma informação genética no seu interior. Portanto, a chave está em como e quando as instruções codificadas nesses genes são activadas. E esse é o verdadeiro mistério.
A resposta a estas perguntas parece estar mais próxima graças a um novo estudo liderado por Pulin Li e Nicholas Hutchins, do Instituto Whitehead, e publicado na revista Nature Methods. Segundo os investigadores, a chave não está nas células em si, mas nas comunicações que estas mantêm entre si. Graças a isso, as células “compreendem” em que local e em que momento do desenvolvimento se encontram e que caminho devem seguir.
Compreender uma linguagem química
As mensagens nas células são transmitidas através do que se denomina “cascatas de sinalização”. Isto significa que, quando a célula detecta um componente químico ou uma hormona na sua superfície, produz uma alteração num componente da membrana e transmite para o seu interior uma série de reacções químicas que se sucedem uma após a outra. O processo assemelha-se ao que acontece quando accionamos um interruptor. Ao premir o botão, fechamos um circuito eléctrico e permitimos que os electrões fluam. Os electrões, por sua vez, aquecem o filamento de uma lâmpada, que se torna incandescente e, assim, nos dá luz.
Na célula, a informação transmitida pela substância activa um interruptor semelhante, mas que, no caso do desenvolvimento, resulta na activação ou desactivação de determinados genes. No entanto, o mais importante desta descoberta é que os investigadores conseguiram estudar estas mensagens de forma inversa. Ou seja, detectaram que cada cascata de sinalização deixa uma marca única que revela exactamente quais os sinais que a célula recebeu e como reagiu. Desta forma, também conseguiram descobrir que as células reagem de forma semelhante a estas cascatas, independentemente do tecido em que se encontram.
Tudo isto foi possível graças a um modelo de aprendizagem automática (machine learning) chamado IRIS, que foi treinado especificamente com milhares de dados provenientes das diferentes cascatas de sinalização. “Pense nos sistemas de reconhecimento de voz como a Siri, que são treinados principalmente em inglês, mas que depois utilizam esse treino para reconhecer outras línguas”, explica Li, que também é professor adjunto de biologia no MIT. “A isto chama-se aprendizagem por transferência, e é a razão pela qual o IRIS consegue funcionar em muitos tipos diferentes de células.”
O que significa que o IRIS compreende as células
O IRIS é um modelo de inteligência artificial concebido para reconhecer padrões em dados muito complexos. Para tal, foi treinado especificamente em células embrionárias humanas, nas quais Li e Hutchins activavam ou desactivavam artificialmente as seis principais cascatas de sinalização. Após milhares de combinações e réplicas, os investigadores criaram umenorme mapa rodoviário que permitia detectar o percurso que cada célula seguiria, dependendo da cascata que activassem. Assim, conhecendo a situação inicial e os sinais que iriam enviar, em teoria o IRIS poderia prever se a célula se transformaria num neurónio ou numa célula cardíaca.
Instituto Whitehead
Um dos ensaios foi também realizado com tecido pulmonar. Na imagem, é possível ver as ramificações pulmonares (a azul) em desenvolvimento num sistema de cultura in vitro.
Mas uma coisa é a teoria e outra é a prática, pelo que o passo seguinte foi lançar o IRIS ao mundo real. Para tal, testaram-no em células embrionárias de ratinho durante o processo conhecido como gastrulação. Durante essa fase do desenvolvimento, as células começam a transformar-se nos principais tecidos do corpo, pelo que era o terreno ideal para os testes. O IRIS conseguiu prever com precisão quando é que cada cascata de sinalização se activaria, levando as células a fazer parte do tecido cardíaco, intestinal, muscular e da medula espinhal.
“O IRIS está a ajudar-nos a decifrar a linguagem que as células utilizam para comunicarem entre si a um ritmo muito mais rápido do que aquele que poderíamos alcançar de forma realista através de experiências”, afirma Hutchins. Desta forma, também poderão compreender exactamente o que acontece quando a comunicação não ocorre como deveria. Estes modelos permitiriam compreender a origem de doenças como a asma ou a fibrose pulmonar, em que as células pulmonares se transformam em tecido cicatricial sem que haja uma causa conhecida por trás disso.
Por outro lado, também se especula sobre a possibilidade de utilizar estes modelos para conceber tratamentos baseados na regeneração de tecidos. No entanto, para tal, é necessário continuar a aprender a linguagem das células e, assim, continuar a observar que mensagens elas trocam entre si para, por fim, formar o corpo humano.