A vida que se desenvolve dentro das células, revelada em 3D

Para entender como a vida funciona, é preciso observá-la em ação, afirma o cientista de bioimagens Gokul Upadhyayula. Transportando-nos ao nível celular, ele mostra o trabalho por trás dos microscópios mais avançados, que captam e registram em três dimensões o complexo comportamento dos organismos vivos, de células cancerosas patogênicas a rastejantes células imunes, e o que revelam sobre a dinâmica da biologia. Observe a vida se desenvolver sob seus olhos com as imagens incríveis desta palestra.

Tentar entender a vida
sem observá-la claramente em ação

é como um alienígena tentar entender
as regras do futebol americano

apenas olhando algumas fotos.

Podemos aprender muito com essas imagens.

Por exemplo, há jogadores
dentro e fora do campo.

Há uma banda.

Há até animadoras de torcida
curtindo o jogo.

Apesar de obter toda essa informação
apenas olhando as fotos,

ainda não é possível
entender as regras do jogo.

Para isso, precisamos assisti-lo.

Muito do que sabemos
sobre como a vida funciona

vem da observação de fotos assim.

Cientistas conseguem descobrir
muita coisa observando imagens,

mas no final das contas,
para entender como a vida funciona,

precisam observá-la em ação.

Isso é, essencialmente, observar
o lugar onde a vida acontece,

tentar entender como a unidade
fundamental da vida funciona.

Para isso, precisamos
entender como se dá a vida.

Comparada com esta formiga,

uma célula humana é cerca
de 100 milhões de vezes menor.

Estão vendo a célula
bem ao lado da formiga?

Está bem aqui.

Para podermos observar essa célula,

precisamos tornar visível
o que é invisível,

e fazemos isso criando microscópios.

Não estes microscópios.

Os que construímos
se parecem mais com isto.

Ajuda o fato de eu ser
um paparazzo, mais ou menos.

Em vez de tirar fotos de pessoas,

estou mais interessado
em tirar fotos de células famosas.

Até o momento, minha carreira
tem sido bem turbulenta,

começando com minha primeira
obsessão na infância

e a paixão continuada
pela ciência da computação,

que sofreu uma transição brusca
para a engenharia,

e, mais recentemente,
outra mudança muito repentina

para tentar entender biologia celular.

Foi essa combinação de disciplinas
que me trouxe até aqui.

Posso desenvolver pesquisa
interdisciplinar com um objetivo claro.

A ideia é promover inovação e descoberta

reunindo especialistas
dessas diferentes áreas

para trabalharem em conjunto

e resolverem problemas
que não podemos resolver sozinhos.

Estamos interessados em entender a célula.

O que é uma célula?

É a unidade fundamental da vida.

De forma simples, é apenas um saco

com trilhões de moléculas inanimadas,

sejam proteínas, carboidratos,
lipídios ou gorduras.

Acontece que, nos últimos 50 anos,

biologistas moleculares e bioquímicos
descobriram formas

de fazer essas proteínas brilharem.

Elas se acendem como vagalumes.

Fabricantes de microscópios têm criado
instrumentos cada vez melhores

para captar a luz emitida
por essas moléculas,

e cientistas da computação e matemáticos
conseguiram entender os sinais

registrados pelas câmeras.

Ao reunir essas ferramentas,

estamos conseguindo entender
a organização dessas moléculas

dentro das células,

entender como isso muda ao longo do tempo,

e isso é, basicamente,
o que nos interessa:

tentar compreender a vida em sua essência.

Queremos ir da captação de imagens da vida

tradicionalmente limitadas
a duas dimensões,

à captação de imagens em três dimensões.

Como tornar uma imagem
bidimensional em tridimensional?

Pois é bem simples.

Coletamos uma série
de imagens bidimensionais,

movemos a amostra
para cima e para baixo,

empilhamos as imagens umas sobre as outras
e criamos um volume tridimensional.

O problema desse método
é que os microscópios tradicionais

lançam energia demais no sistema.

Isso significa que esta célula

está recebendo muita toxicidade luminosa,
e isso é um problema.

Vou explicar melhor.

Por exemplo, digamos que neste planeta,
a vida evoluiu sob apenas um sol.

E que eu queira observar
consumidores nesta rua

para entender seus hábitos de consumo:

quanto tempo ficam olhando as vitrines,
em quantas lojas entram

e quanto tempo gastam em cada uma.

Se eu estivesse sentado num café,
só observando as pessoas,

muitas sequer notariam
que eu as estava observando.

E se, de repente, eu emitisse
uma luz equivalente

a cerca de cinco ou dez sóis?

Elas ainda agiriam normalmente?

Permaneceriam do lado de fora
pelo mesmo tempo?

Posso mesmo acreditar
que seu comportamento não mudou

como consequência
da exposição a toda essa luz?

Não.

A maioria dos microscópios
hoje em dia, os convencionais,

pode emitir de dez a dez mil vezes

a luz solar à qual somos
expostos neste planeta,

onde a vida se desenvolveu.

Por isso, acabo sendo
um paparazzo de células,

então precisamos ter muito cuidado
com a quantidade de luz

que lançamos sobre a célula.

Senão, podemos acabar
com uma célula frita.

E não há nada de natural em tentar
observar uma célula danificada,

cujo comportamento
foi alterado significativamente.

Vou tomar esta célula como exemplo.

Ela está sobre uma lâmina de vidro.

Veem os pontos espalhados?

Eles representam máquinas moleculares
que se reúnem na superfície da célula

para transportar alimento
do exterior para o interior dela.

Nosso laboratório usa algo chamado
microscopia de lâmina de luz treliçada,

que gera uma lâmina de luz muito fina,

com cuidado para não danificar as células,
nem lançar muita luz sobre o sistema.

Quando fazemos isso,

podemos assistir à dinâmica
do processo por mais tempo,

sem estressar as células.

Usamos essa técnica
e ferramentas de microscopia

para entender como vírus infectam células.

Neste exemplo, expusemos
a célula a rotavírus.

É um patógeno extremamente infeccioso
que mata mais de 200 mil pessoas todo ano.

Observando essas moléculas,
essas partículas virais,

como se difundem na superfície celular,

podemos entender as regras que seguem.

Quando as entendemos, podemos burlá-las,

sendo por meio de terapia medicamentosa
inteligente para atenuar, controlar

ou até mesmo impedir o vírus de se ligar
à célula, antes de qualquer coisa.

Tornamos visível o que era invisível,
mas a pergunta permanece:

quando podemos realmente
acreditar no que vemos?

Tudo o que mostrei até agora

foi uma célula presa numa lâmina
de vidro ou placa de Petri.

Acontece que células não evoluíram
numa lâmina de vidro,

nem isoladamente ou fora
de seu contexto fisiológico.

Para entender de fato
o comportamento natural das células,

precisamos observá-las
em ação no seu local de origem.

Vamos observar este sistema complexo.

Isto é um embrião de peixe-zebra
em desenvolvimento.

Vemos células que se organizam
para formar tecidos e sistemas de órgãos.

Assistindo ao vídeo de novo,
vemos que, perto das 20 horas,

o olho e a cauda do peixe-zebra
começam a ser formados.

Podemos ver isso,
não nessa resolução baixa,

mas com riqueza de detalhes,

e queremos poder assistir em 3D ao longo
de minutos, segundos, horas ou até dias.

O problema com esses sistemas complexos
é que eles distorcem a luz

que lançamos sobre eles,

o que faz com que registremos
imagens muito borradas.

Acontece que os astrônomos
têm um problema parecido,

mas para eles isso acontece quando tentam
registrar a luz de estrelas distantes

a partir de telescópios em solo terrestre.

Quando a luz viaja milhares de anos-luz

e atinge nossa turbulenta atmosfera
de repente, a luz fica distorcida.

Por sorte, eles acharam uma solução
para isso há quase meio século.

Eles geram uma estrela artificial

cerca de 90 km acima da superfície
da Terra e usam essa luz,

que atravessa a mesma atmosfera turbulenta
pela qual passa a luz da estrela distante,

e podem entender como a luz
está sendo distorcida,

e usam um espelho que pode mudar de forma
para compensar ou desfazer a distorção.

Pegamos essas ideias e as implementamos
em nosso sistema de microscopia.

Ao fazermos isso, é mais ou menos possível
corrigir a complexidade da distorção

e a imprecisão que ocorre
como consequência de sistemas complexos.

Fazemos isso com o peixe-zebra.

Gostamos dele porque é
um vertebrado, como nós,

mas é basicamente transparente.

Isso significa que quando
lançamos luz sobre ele,

podemos observar as dinâmicas celular
e subcelular com precisão de detalhes.

Vou mostrar um exemplo.

Neste vídeo, vemos a coluna
e os músculos de um peixe-zebra.

Podemos ver a organização das células,

centenas delas neste volume,
em particular,

na presença ou não de óptica adaptativa.

Com essas ferramentas,

podemos observar da forma mais clara
que já foi possível até hoje.

Em um exemplo muito específico,

observando como o olho
do peixe-zebra se desenvolve,

pode-se ver bem a agitação
dentro do embrião em desenvolvimento.

Pode-se ver as células se movimentando.

Num exemplo, vemos a célula se dividindo.

Em outro, vemos células saindo
do lugar e empurrando outras.

No último, uma célula agindo de forma
desordeira e batendo em suas vizinhas.

Essa tecnologia nos permite observar
de forma mais clara e profunda,

quase como se víssemos
células isoladas em lâminas de vidro,

onde são mantidas prisioneiras.

Para mostrar como
essa tecnologia é promissora,

fizemos parceria com alguns
dos melhores cientistas do mundo.

E fizemos uma série
de perguntas fundamentais,

nas quais começamos a trabalhar juntos.

Por exemplo, como o câncer
se espalha pelo corpo?

Neste exemplo, vemos células humanas
de câncer de mama migrando,

usando vasos sanguíneos,
mostrados em magenta.

Estão usando vasos sanguíneos
como rodovias para se movimentarem.

Dá para vê-las se espremendo
para passar pelos vasos.

E rolando onde há espaço suficiente.

Em um exemplo, vemos
o que parece ser o trailer

do próximo filme de Ridley Scott,
"Alien, o Oitavo Passageiro".

Esta célula cancerosa está, literalmente,
tentando abrir caminho

através do vaso sanguíneo
para invadir outra parte do corpo.

No último exemplo que vou mostrar,

tentamos entender
como o ouvido se desenvolve.

Neste caso, somos surpreendidos
por neutrófilos rastejantes.

Essas células imunes
estão em alerta o tempo todo.

Elas não têm folga.

Trabalham constantemente
para detectar algum perigo,

saber se há uma infecção.

Examinam o ambiente,
movendo-se incansavelmente.

Podemos observar essas imagens e vídeos

com uma riqueza de detalhes
que nunca foi possível antes.

Como acontece com toda tecnologia nova,

novas capacidades vêm com novos desafios,

e, para nós, o maior deles
é como lidar com os dados.

Esses microscópios geram muitos dados.

Eles geram entre um e três
terabytes de dados por hora.

Para contextualizar isso,

preenchemos cerca de 2 milhões
de disquetes a cada hora,

para os membros
mais "experientes" da plateia.

(Risos)

O que é aproximadamente
o mesmo que 500 DVDs,

ou, para contextualizar melhor
para a Geração Z,

são cerca de uma dúzia de iPhones 11
sendo preenchidos por hora.

Temos muitos dados.

Precisamos achar novas formas
de visualizar isso,

de extrair informação biológica
significativa desses conjuntos de dados,

e o mais importante,

queremos ter certeza de que podemos
colocar esses avançados microscópios

nas mãos de cientistas de todo o mundo.

Estamos distribuindo o design
dos microscópios gratuitamente.

Mas a parte fundamental é:

precisamos colaborar ainda mais
para criarmos um impacto.

Estamos reunindo cientistas
que podem desenvolver

novas ferramentas biológicas e químicas.

Estamos trabalhando com cientistas
de dados e de instrumentação

para estruturar e gerenciar os dados.

Como doamos os instrumentos
gratuitamente para acadêmicos

e organizações sem fins lucrativos,

estamos construindo centros
avançados de imagens para abrigá-los,

para poder reunir microscopistas,
biólogos, o pessoal da computação

e criar uma equipe capaz
de resolver problemas

que não conseguimos
resolver individualmente.

Graças a esses microscópios,

a fronteira da ciência
está aberta novamente.

Vamos observá-la juntos.

Obrigado.

(Aplausos)