E se conseguíssemos simular computacionalmente o funcionamento de uma célula?

Por Guilherme Razzera, Laboratório de Bioinformática Estrutural – UFSC

Imagem de um fofossistema na membrana do cloroplasto. Para visualizar os vídeos, clique aqui.

Há muitas maneiras de se estudar o funcionamento de um organismo ou de parte dele, e certamente a experimentação in vitro ou in vivo, com as coisas reais mesmo, foi a principal maneira que encontramos para construir o nosso conhecimento científico. A questão é: existem outras formas que vêm se difundindo nos últimos anos. Você já parou para pensar no quanto podemos simular as coisas atualmente? Estou falando de uma grande capacidade que temos de construir modelos, como os meteorológicos, por exemplo, que envolvem uma grande capacidade de cálculos e nos oferecem uma boa previsão em curto prazo. Tá bom, tem vezes que não dá pra confiar totalmente e deixar o guarda-chuvas em casa com segurança, mas usamos no nosso dia-a-dia, certo? Agora: e se conseguíssemos simular uma célula viva? Dizer quais são suas características, quais suas sequências de DNA, quais RNAs, quais proteínas, quais os tipos de membranas, qual pH, qual força iônica, entre outros parâmetros, além de simular o seu funcionamento e suas respostas. Será que podemos? Se sim, como funciona isso? E se não, por que não? Antecipo a resposta, para você não criar uma super expectativa. Ainda não conseguimos simular uma célula completa. Neste momento. você pode estar se perguntando, por que raios então escrever um texto sobre esse tema se ainda não podemos? Calma… O fato é que estamos chegando perto, e quero convidar você a compreender este universo da simulação biológica de sistemas complexos para avaliar as possibilidades que temos no momento.

Recentemente cientistas descobriram que é possível simular grandes partes de células e   acompanhar o seu funcionamento em tempo real. A revista Nature Comunications publicou um trabalho com um fotossistema completo totalmente simulado computacionalmente. Os fotossistemas são grandes complexos de moléculas responsáveis pela fotossíntese. Organismos que fazem fotossíntese são capazes de converter energia luminosa em energia química. Em outras palavras, sem esses complexos ativos não há conversão energética de luz em açúcares pelos seres fotossintetizantes e tão pouco oxigênio livre no ar. Basicamente, sem fotossistemas ativos, não teríamos nossa atmosfera do modo como é hoje e muito provavelmente não seria necessário simular a previsão do tempo. Antes de entender o que pode ser observado com essas simulações celulares, precisamos entender como elas funcionam. Quando falamos de simulações estamos dizendo que iremos observar o comportamento molecular de milhares de átomos ao mesmo tempo e medir interações, constantes de afinidade, avaliar com quem cada molécula gosta mais de ficar e por quanto tempo. Podemos. com base no que chamamos de campos de força, ou seja, regras químicas sobre as moléculas biológicas, criar posições iniciais para todos os átomos que constituem essas moléculas e observar, como em um filme, a dinâmica molecular da “vida” daquela parte da célula por certo tempo. Podemos criar um modelo e avaliar estatisticamente a probabilidade de um evento ocorrer novamente. Por exemplo, qual a chance de uma molécula de açúcar chegar aos nossos receptores de glicose? E se houverem muitos lipídios em volta, as chances mudam? Quanto maior o sistema, mais difícil, pois envolve mais átomos e, portanto, mais cálculos, mais processamento computacional. Aqui temos que “agradecer” a todos os aficionados por jogos eletrônicos, que ao longo dos anos têm fomentado o desenvolvimento de placas gráficas cada vez melhores (já que a indústria está interessada em produzir placas principalmente para eles). Sim, as mesmas placas gráficas e processadores multicore são usados nos trabalhos científicos. Por este motivo é também comum encontrar “desvios de função” no uso de computadores científicos, mas, enfim, confesso que é tentador… tantos núcleos “dando sopa” ao final do dia! Brincadeiras à parte, simulação é coisa séria e investe-se muito dinheiro ao montar os chamados supercomputadores para dar conta de muito tempo de simulação. O que é muito? Na escala celular, muito tempo é o suficiente para observar grandes partes se moverem, como na busca de parceiros celulares (interações que ocorrem entre os componentes da célula). Essa busca pode ser observada, por exemplo, nos comportamentos das diversas proteínas que habitam o núcleo interagindo com o DNA ou dos lipídeos entrando e saindo das membranas. A escala de tempo que estamos falando é da ordem de micro a mili segundos. Agora você pode estar achando pouco, mas simular apenas uns poucos mili segundos de um sistema como o fotossistema no seu computador pessoal pode levar anos! Por isso a necessidade de se trabalhar com os clusters ou supercomputadores, pois não queremos esperar anos para ter resultados, queremos pra ontem.

Vamos voltar às questões biológicas. O que foi possível observar? Na imagem desse texto e no vídeo disponível no link abaixo da imagem. você observará um sistema de membranas e, nesse sistema membranar, diversas proteínas e cofatores ligados interagindo uns com os outros. Para a fotossíntese acontecer, é necessário que exista transmissão de energia entre essas partes, ou seja, é fundamental que os centros energéticos comuniquem-se entre si. Isso foi observado para o primeiro fotossistema da cadeia, envolvido também com a quebra da molécula de água que resultará na liberação de oxigênio. Esta energia é gerada a partir de movimentos de elétrons e comunicação com centros de produção de energia química na forma de ATP (trifosfato de adenosina). Os sítios dos carreadores de elétrons, como plastoquinona e plastoquinol. foram monitorados mostrando suas características de entrada e saída. Para aqueles que estão familiarizados com a bioquímica da fotossíntese, agora sabemos como eles entram e saem do primeiro fotossistema da cadeia, mostrando três locais de entrada e saída, onde eram conhecidos somente dois deles antes de conectarem com o sistema de citocromos na membrana. E quais as aplicações de uma simulação como essa? Além de conhecer o mecanismo básico de funcionamento celular, podemos, por exemplo, trocar uma molécula por outra, fazer uma mutação, introduzir um fármaco bloqueador. Simular antes de realizar os experimentos no laboratório é uma maneira de otimizar processos, testar hipóteses, gastar melhor o orçamento dos projetos.

As simulações atualmente estão ganhando credibilidade entre os cientistas, os mesmos que hoje confiam em usar a previsão do tempo e deixam seus guarda-chuvas em casa. É muito provável que este caminho só cresça e teremos mais e mais adeptos, mas não há dúvidas de que os modelos precisam ser aprimorados e talvez, sim, a gente tome um banho de chuva por engano, mas é sempre uma questão de probabilidade, certo? Uma chuva de vez em quando não faz mal algum.

Para acessar o artigo original, clique aqui.

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