quinta-feira, 2 de fevereiro de 2012

Como a complexidade surge em máquinas moleculares: o conformismo preguiçoso dos criacionistas frente à força do método científico

Os adeptos do design inteligente, a versão fashion do velho criacionismo, depositam uma fé quase inabalável no conceito de complexidade irredutível. Segundo eles, estruturas moleculares ou funcionais complexas, como o flagelo bacteriano ou o olho humano, não podem ter surgido através de um processo de evolução gradual uma vez que nenhuma de suas partes constituintes funciona sem as demais, ou seja, a função seria dependente do arranjo cooperativo entre as suas diversas partes constituintes (1). Os exemplos prediletos dos adeptos do design inteligente para demonstrar o conceito de complexidade irredutível se modernizaram, atravessando o nível hierárquico de órgãos e sistemas e chegando ao nível macromolecular. Assim, o esforço dos criacionistas se desviou de órgãos como o olho e encontrou solo fértil em estruturas macromoleculares complexas como o flagelo bacteriano ou em vias bioquímicas interdependentes que compõem a cascata de coagulação sanguínea. Não é preciso lembrar que o criacionismo é uma pseudociência preguiçosa: ela não precisa e nem tem a pretensão de fornecer uma explicação racional alternativa à teoria da evolução, mas apenas negá-la. É mais um exemplo do que se convencionou chamar de "God of the gaps", ou seja, algo como "O Deus das lacunas". Aproveitar-se de pequenas lacunas do nosso conhecimento científico atual, sem oferecer nada em troca, e ao mesmo tempo ignorando o cabedal de fatos que SÃO satisfatoriamente explicados pela evolução, como justificativa para apoiar a ideia de um Deus onipotente e onisciente, é no mínimo irracional, mas eu chego a achar que é mesmo uma espécie de má-fé (sem nenhum trocadilho infame implícito). No caso do flagelo bacteriano, como em tantos outros exemplos da biologia, a complexidade e a sintonia com a qual os componentes desta fantástica estrutura realizam as suas funções é realmente impressionante. Pode ser difícil entender como o flagelo bacteriano veio a existir, mas invocar a varinha de condão divina não é o melhor caminho para chegar a alguma informação confiável (e em sintonia com os fatos) de como isso aconteceu. Não adianta para os cientistas, tentar argumentar que talvez o passado evolutivo não tenha nos legado os fósseis moleculares necessários à elucidação da origem do flagelo. Afinal, apontar a falta de um registro fóssil completo é uma das estratégias mais utilizadas e mais enfadonhamente preguiçosas que os criacionistas usam para negar a evolução. Mas felizmente o bom senso não é a única arma contra o design inteligente. A arma mais eficaz continua sendo este acúmulo gradativo e incremental de conhecimento obtido segundo um método simples mas bem definido, conhecimento este que é revisado continuamente frente à pressão evolutiva de novos fatos e que se convencionou chamar de ciência.
O flagelo é uma estrutura presente tanto em células eucarióticas quanto procarióticas. Talvez o exemplo mais famoso seja aquela cauda que costumamos observar nas imagens dos espermatozóides através de microscopia óptica. Muitas espécies de bactérias também possuem flagelos dos quais se utilizam principalmente (mas não somente) para sua locomoção. A Figura abaixo mostra a estrutura detalhada de um flagelo típico de uma bactéria gram-positiva.

Figura mostrando as principais partes e proteínas que compõem o flagelo de eubactérias (Fonte: Wikipedia)

É impossível não notar a semelhança entre a estrutura de um flagelo bacteriano como este e a de um motor elétrico. Enquanto os proponentes do design inteligente acreditam que as proteínas que resultam da expressão dos cerca de 50 genes relacionados aos flagelos de eubactérias foram combinadas e estruturalmente montadas em toda sua perfeição e glória, de uma só vez, através do plano diretor de uma inteligência transcendental superior, a ciência possui razões para acreditar que esta estrutura é o resultado da evolução a partir de estruturas mais simples e homólogas que já existiam em outras espécies, embora desempenhando muitas vezes função diversa. Em evolução isto é geralmente conhecido como exaptação e é um belo exemplo da natureza modular dos genes e seu papel na emergência de novas funções (2,3). Apesar da alegada complexidade irredutível do flagelo já ter sido adequadamente refutada (4,5), os argumentos utilizados nesta crítica são interessantes pois podem eventualmente servir de base para explicar o surgimento e a evolução de outras máquinas moleculares igualmente complexas NA AUSÊNCIA DE REGISTRO FÓSSIL. A ausência de registro fóssil para nos ajudar a elucidar as vias evolutivas a nível macromolecular aliás, já foi especulada como uma das razões para a mudança de foco dos criacionistas do nível de órgãos/sistemas/organismo - aonde o registro fóssil apoia de forma inconteste a teoria da evolução - para o nível molecular/supramolecular, aonde o registro fóssil na maioria das vezes simplesmente não existe (embora técnicas genéticas recentemente desenvolvidas estejam desafiando esta lacuna, ver mais abaixo). Quais são os argumentos a favor da evolução do flagelo bacteriano? Qual o seu poder preditivo? Eles estão apoiados em fatos? Bem, para entender um pouco este argumento, é preciso ter em mente que existem diversos tipos de flagelos bacterianos e estruturas relacionadas, como os cílios e as fímbrias. Algumas destas estruturas mostram grau significativo de homologia (semelhança) entre suas proteínas constituintes, como por exemplo entre o flagelo das arqueobactérias e as fímbrias de certas eubactérias (fímbrias do tipo IV), mas não há homologia entre as proteínas do flagelo presente nas eubactérias e nas arqueobactérias (5). Suas estruturas também podem variar bastante no número de proteínas constituintes, o que por si só já indica que a complexidade destas estruturas não é assim tão irredutíve!. Também percebe-se facilmente porquê não há sentido em argumentar a complexidade irredutível "do" flagelo bacteriano. Sim, pois de qual flagelo se trata? Geralmente a argumentação dos criacionistas tem se concentrado no flagelo das eubactérias (como aquele mostrado na Figura 1). Este flagelo é constituído basicamente de 3 partes: o elemento propulsor filamentar (1), uma junção/gancho (2) e uma espécie de motor molecular (3) que compreende todas as proteínas integradas ao espaço periplásmico e à membrana interna. Mas igualmente funcional é o flagelo bacteriano das arqueobactérias, que seria melhor descrito em termos de dois constituintes: o motor e um filamento/junção combinados, mostrando que existem estruturas mais simples e ainda assim perfeitamente funcionais. Mas há um argumento ainda mais forte do que a diversidade de formas em que ocorrem os flagelos de diferentes espécies de microorganismos. Este argumento se baseia no fato de que existem na natureza estruturas formadas de apenas algumas das mesmas proteínas que compõem o flagelo e que são perfeitamente funcionais para desempenhar uma função completamente diferente. Geralmente esta função é a de secreção. Estas duas funções aparentemente não relacionadas, a secreção e a motilidade, devem muito à estrutura modular das proteínas que compõem o flagelo bacteriano. Na bactéria Yersinia pestis (o agente causal da peste bulbônica), uma espécie de versão vestigial do flagelo bacteriano (mas com cerca de mais de 20 proteínas a menos do que ele) exerce a função de secretar no hospedeiro diversas substâncias que participam da sua patogenicidade. Existe grande semelhança estrutural entre o sistema de secreção do tipo III existente nestas bactérias e o flagelo de algumas eubactérias. A semelhança não é só estrutural: um elevado grau de homologia existe entre as proteínas das duas estruturas exercendo funções estruturais análogas. Diferentemente do flagelo porém, que possui adicionalmente o complexo de proteínas MotAB que serve como um transdutor do gradiente de prótons responsável por fazer girar o flagelo, o sistema de secreção tipo III fica ancorado na parede bacteriana e é imóvel. Uma estrutura homóloga com cerca de 20 proteínas a menos e ainda assim funcional não parece um exemplo muito convincente de complexidade irredutível. Mas e o que dizer daquelas estruturas que não possuem análogos que permitam inferir o seu caminho evolutivo? Há alguma forma de aprendermos sobre a evolução de estruturas moleculares sem um "registro fóssil"? Em um artigo recente, Thornton JW e cols. (6) aplicaram uma série de técnicas envolvendo análise computacional filogenética e síntese genética para estudar a evolução de uma estrutura molecular complexa - a bomba de prótons V-ATPase dos fungos, uma estrutura que bombeia prótons em vesículas intracelulares e está relacionada a funções como tráfego de proteínas e endocitose mediada por receptor. Pode-se inclusive imaginar alguma semelhança entre a estrutura da V-ATPase e o sistema móvel do motor que compõe o flagelo, este também sensível ao gradiente de prótons. A V-ATPase dos fungos é composta de uma estrutura hexamérica (o anel Vo) que também possui movimento de rotação para mover os prótons através das organelas

Figura mostrando a evolução do anel Vo da H+-ATPase dos fungos. Em "a" a estrutura de domínios da proteína presente nos fungos e constituída de 3 diferentes proteínas e em "b" a filogenia provável na evolução do anel Vo nos fungos e em outros animais. Adaptado de (6).


Na maioria das espécies (todos os animais eucariotos por exemplo) o anel requer cópias de apenas dois tipos de proteínas, a Vma3 e Vma16 (que compõem as subunidades 3 e 16 respectivamente), mas os fungos necessitam de uma cópia de uma terceira proteína (Vma11). O que Thornton e seus colaboradores se propuseram a fazer foi tentar descobrir como o anel Vo evoluiu de uma estrutura em que apenas duas proteínas eram suficientes no anel Vo da H+ ATPase do ancestral comum dos fungos (de cerca de 800 milhões de anos atrás) para uma estrutura atual que requer obrigatoriamente 3 proteínas. O caminho que seguiram envolve uma série de experimentos complexos e elegantemente conduzidos, cujos detalhes estão fora do escopo deste post. Mas sucintamente o grupo inicialmente utilizou técnicas de bioinformática para analisar a sequência genética das 139 proteínas atualmente existentes (a versão moderna, "evoluída" dos genes ancestrais). Com esta análise (que calcula as sequências mais prováveis de terem originado durante a evolução as sequências atualmente presentes) foi possível traçar a evolução de frente para trás no tempo e com isso determinar a sequência genética mais provável de ter ocorrido na versão ancestral dos genes exatamente antes e exatamente depois da terceira subunidade ter sido introduzida (Vma11). O grupo então sintetizou estes genes e os transfectou para leveduras para determinar as suas funções. O que eles descobriram é que a terceira subunidade se originou quando o gene que codificava uma subunidade do anel ancestral de duas proteínas se duplicou e os genes resultantes então seguiram caminhos evolutivos divergentes. Além disso, eles determinaram que a duplicação levou a perdas funcionais complementares nas duas proteínas originais ancestrais, o que levou a necessidade de uma terceira proteína. O esquema da Figura abaixo ajuda a compreender melhor:


O esquema (extraído daqui) mostra à direita o anel ancestral (ancestral ring) que possuía apenas duas proteínas. A proteína que resulta da expressão do gene ancestral Anc3-11 já incorporava em si as funções das proteínas modernas Vma3 (verde) e Vma11 (amarela) pois a transfecção do gene Anc3-11 em leveduras deficientes dos genes para Vma3 e/ou Vma11 é capaz de restaurar a capacidade destas leveduras em crescer em meio hipertônico, capacidade esta que é dependente de uma H+ ATPase funcional (6). Ao duplicar-se (o pequeno círculo preto no esquema indica este momento), este gene ancestral passou a codificar proteínas que perderam algumas funções relacionadas a sua complementariedade na formação das subunidades. A Vma 16 (presente no anel dos animais, em vermelho à esquerda, abaixo) permaneceu intacta ao longo da evolução, resultado da preservação do gene Anc16. Mas ao se duplicar, o gene Anc3-11 modificou a proteína original, resultando na proteína Vma3 (no esquema, em azul e com asterisco mostrando ponto de mutação na proteína resultante em relação à Vma3-11 anc) e na proteína Vma11 (no esquema, em amarelo e com asterisco mostrando ponto de mutação na proteína resultante em relação à Vma3-11 anc). A Vma11 passou então a ser obrigatória aos fungos pois é a única capaz de servir de ponte, ligando-se simultaneamente à Vma3 (azul) e à Vma16 (vermelho). Esta máquina do tempo genética é a mais nova arma da ciência para ir aonde nenhum criacionista jamais ousou imaginar!

Vídeos sobre o flagelo bacteriano:
http://www.youtube.com/watch?v=Ey7Emmddf7Y
http://www.youtube.com/watch?v=a_5FToP_mMY&feature=related


Referências:

1.Dembski WA. No Free Lunch: Why Specified Complexity Cannot Be Purchased without Intelligence. Rowman & Littlefield Publishers; 2001. 336 p.
2.Gould S, Vrba E. Exaptation-A Missing Term in the Science of Form. Paleobiology. 1982;8(1):4–15.
3.Patthy L. Modular assembly of genes and the evolution of new functions. Genetica. 2003 jul;118(2-3):217–31.
4.Pallen MJ, Matzke NJ. From The Origin of Species to the origin of bacterial flagella. Nat Rev Micro. 2006 out;4(10):784–90.
5.Young M, Edis T. Why Intelligent Design Fails: A Scientific Critique of the New Creationism. Rutgers University Press; 2004. 240 p.
6.Finnigan GC, Hanson-Smith V, Stevens TH, Thornton JW. Evolution of increased complexity in a molecular machine. Nature. 2012 jan 19;481(7381):360–4.