A vida que se desenrola no interior das células, revelada em 3D

Para compreender como funciona a vida, precisamos de a observar em ação, diz Gokul Upadhyayula, cientista de bioimagem. Transportando-nos ao nível celular, revela o mundo por detrás dos microscópios de ponta, que captam e registam, a três dimensões, os complexos comportamentos dos organismos vivos — de células cancerosas infecciosas a células imunitárias — e o que elas nos revelam sobre a dinâmica da biologia. Vejam a vida a desenrolar-se em frente dos nossos olhos, com os incríveis visuais desta palestra.

Tentar compreender a vida
sem a observar devidamente em ação

é como um extraterrestre tentar
compreender as regras do futebol

a partir de alguns instantâneos.

Podemos aprender muita coisa
com essas imagens.

Por exemplo, há jogadores
em campo e fora do campo.

Há uma banda.

Até há claques que vibram
ao assistir ao jogo.

E, claro, apesar de obtermos
todas estas informações,

a partir da observação dessas imagens,

não conseguimos perceber
as regras do jogo.

Para podermos fazer isso,

precisamos de observar o jogo em ação.

Muito do que sabemos
sobre como funciona a vida

provém da observação
desses instantâneos.

Os cientistas têm conseguido descobrir
muita coisa, observando esses instantâneos

mas, no final de contas, para eles
compreenderem como funciona a vida,

precisam de a observar em ação.

Isso é, essencialmente,
onde a vida acontece,

é tentar compreender como funciona
a unidade fundamental da vida.

Para podermos observar isso,

precisamos de compreender
como é a vida.

Em comparação com esta formiga,

o volume de uma célula humana
é cerca de cem milhões de vezes menor.

Estão a ver a célula
que está ao lado da formiga?

Está ali mesmo.

Para podermos observar esta célula,

precisamos de tornar visível o invisível

e conseguimos isso
construindo microscópios.

Não são microscópios destes:

os que construímos
são mais parecidos com isto.

Ajuda eu ser como um "paparazzi"
— bem, mais ou menos,.

Em vez de tirar fotos a pessoas,

estou mais interessado
em tirar fotos a células famosas.

A minha carreira, até este momento,

tem sido bastante tortuosa.

Começou com uma obsessão infantil

e paixão assolapada
pela ciência informática

que fez uma viragem total
para a engenharia

e, mais recentemente,

outra viragem total para tentar
compreender a biologia celular.

É esta combinação de disciplinas

que me levou aonde me encontro hoje.

Consigo realizar
investigação interdisciplinar

com um objetivo bem definido.

A ideia é conseguir avançar
com inovação e descoberta

reunindo especialistas
destas disciplinas diferenciadas

para trabalharem em conjunto

e resolverem problemas
que, sozinhos, nenhum de nós pode.

Estamos interessados
em compreender a célula.

A célula... o que é isso?

É a unidade fundamental da vida.

Em termos simples, é um simples saco.

É um saco que tem biliões
de moléculas inanimadas,

quer sejam proteínas,
carboidratos, lípidos ou gordura.

Acontece que, nos últimos
50 anos do século passado,

os biólogos e bioquímicos moleculares
arranjaram formas

de pôr estas proteínas a brilhar.

Elas iluminam-se
como se fossem pirilampos.

Os fabricantes de microscópios
têm conseguido fabricar

instrumentos cada vez melhores

para captarem esta luz
emitida por essas moléculas

e os cientistas informáticos e matemáticos
conseguiram compreender os sinais

que estão a ser registados por câmaras.

Reunindo todos estes instrumentos,

estamos a conseguir compreender
a organização dessas moléculas

no interior das células,

compreender as suas mudanças
ao longo do tempo

e é isso, essencialmente,
aquilo em que estamos interessados,

é tentar compreender
a vida na sua essência.

Queremos passar de obter imagens da vida

que, habitualmente,
estavam limitadas a duas dimensões,

para obter imagens da vida
a três dimensões.

Como é que transformamos
uma imagem 2D numa imagem 3D?

Acontece que é muito simples.

Juntamos uma série de imagens
a duas dimensões

à medida que movimentamos
a amostra para cima e para baixo,

e empilhamos essas imagens
umas em cima das outras

criando um volume 3D.

O problema com esta abordagem
é que os microscópios tradicionais

lançam demasiada energia no sistema.

Isso significa que esta célula
que estão a ver ali em cima,

está a sofrer muita toxicidade luminosa

e isso é um problema.

Vou explicar-me um pouco melhor.

Por exemplo, digamos que, neste planeta,

a vida evoluiu sob um único sol, certo?

Digamos que eu queria observar
os fregueses nesta rua

para perceber quais são
os seus hábitos de compra:

quanto tempo se demoram
em frente das montras,

em quantas lojas entram

e quanto tempo passam
dentro de cada loja.

E, se eu estiver sentado num café
a ver as pessoas passar,

muitas delas nem reparam
que eu estou a observá-las.

Mas, e se eu, de repente,

iluminar a cena com a luz equivalente

a, digamos, 5 ou 10 sóis diferentes?

Eles continuariam a comportar-se
como fazem normalmente?

Demorar-se-iam cá fora
o mesmo tempo?

Posso acreditar que o comportamento
deles não se alterava

em consequência de estarem expostos
a tanta luz do sol?

Não.

A maioria dos microscópios atuais

e dos microscópios convencionais

podem emitir 10 a 10 000 vezes
mais luz solar

do que a luz a que estamos expostos
neste planeta, onde a vida evoluiu.

Por causa disso,

e porque eu sou uma espécie
de "paparazzi" das células,

precisamos de ter muito cuidado
quanto à quantidade de luz

que projetamos na célula.

De outra forma, podemos acabar
com uma célula frita.

E acontece que não é nada natural

tentar observar uma célula danificada

cujo comportamento
foi significativamente alterado.

Vejamos esta célula, por exemplo.

Está assente numa lâmina de vidro.

Estão a ver as manchas por toda a parte?

Estas manchas representam
máquinas moleculares

que se estão a montar
na superfície da célula,

a fim de poderem transportar o alimento
do exterior para dentro da célula.

O nosso laboratório usa uma a chamada
microscopia de lâmina de luz reticulada

que gera uma faixa de luz
extremamente fina,

que pretende não danificar as células

ou não introduzir
demasiada luz no sistema.

Quando fazemos isto,

podemos observar a dinâmica
desse processo, durante muito mais tempo

sem exercer pressão nessas células.

Temos usado esta técnica
microscópica e estes instrumentos

para compreender
como é que os vírus infetam as células.

Neste exemplo, expusemos
a célula ao rotavírus.

É um agente patogénico
extremamente contagioso

que mata mais de 200 000 pessoas por ano.

Observando estas moléculas,
estas partículas de vírus,

como se espalham
pela superfície das células,

podemos compreender
as regras por que se regem.

Quando compreendermos essas regras,
podemos começar a iludi-las,

quer através de terapias
com medicamentos inteligentes,

para minimizar, gerir ou mesmo impedir

que o vírus se fixe na célula,
primeiro que tudo.

Tornámos visível o invisível,

mas mantém-se a questão:

quando é que podemos acreditar
naquilo que vemos?

Tudo aquilo que vos mostrei
até agora,

tem sido uma célula prisioneira
numa lâmina de vidro

ou numa placa de Petri,

Acontece que as células
não evoluem numa lâmina de vidro

Elas não evoluem isoladamente

e não evoluem fora
do seu contexto fisiológico.

Para compreender realmente
o comportamento natural das células,

precisamos de as observar em ação,
no local a que pertencem.

Então, observemos este sistema complexo.

Isto é um embrião
de peixe-zebra em desenvolvimento,

onde observamos células
que se estão a organizar

a fim de formar tecidos,
para formarem sistemas de órgãos.

Observando o filme de novo,
vemos que, ao fim de umas 20 horas,

começa a formar-se o olho
e o rabo do peixe-zebra.

Podemos observar isto,
não nesta resolução baixa,

podemos observar isto
com um pormenor sofisticado,

e queremos observar isto
a três dimensões

ao longo de minutos, segundos,
horas, ou até dias.

O problema com estes sistemas complexos

é que distorcemos a luz,

distorcemos a luz
que projetamos sobre eles,

o que faz com que as imagens
registadas fiquem esbatidas.

Acontece que os astrónomos
tiveram um problema semelhante,

mas, para eles, o problema ocorre

quando eles tentam registar
a luz de estrelas distantes

com telescópios que estão
situados no planeta.

O problema é que, quando a luz viaja
milhares de anos-luz,

e atinge a nossa atmosfera turbulenta,
repentinamente,

a luz fica distorcida.

Mas, felizmente, eles também
arranjaram uma solução para isto

há mais de 50 anos.

Geram uma estrela artificial

a cerca de 90 quilómetros
da superfície da Terra

e usam essa luz,

que passa pela mesma atmosfera turbulenta,

tal como a luz da estrela distante

e conseguem compreender
como é que a luz fica distorcida

e arranjam um espelho
que pode mudar a forma dela

para compensar
ou desfazer essa distorção.

Nós aproveitámos estas ideias

e implementámo-las
no nosso sistema de microscópios.

Quando fizemos isso,

pudemos desfazer mais ou menos
a complexidade da distorção

e a imprecisão que ocorria

em consequência dos sistemas complexos.

Fizemos isso com o peixe-zebra.

Gostamos do peixe-zebra
porque, tal como nós, é um vertebrado,

mas, ao contrário de nós,
é quase todo transparente.

Isso significa que, quando
projetamos luz neles,

podemos observar as dinâmicas
celular e subcelular

com um pormenor sofisticado.

Vou mostrar-vos um exemplo.

Neste vídeo, estamos a ver a espinha
e o músculo dum peixe-zebra.

Podemos ver a organização das células

— centenas de células
neste volume, em especial —

na presença e na ausência
de óticas adaptativas.

Com estes instrumentos,

podemos observar mais nitidamente
do que conseguíamos anteriormente.

E, num exemplo muito específico,

ao ver como o olho se desenvolve
no peixe-zebra,

podemos ver o movimento

no interior do embrião em desenvolvimento
deste peixe-zebra.

Vemos as células que dançam em volta.

Num dos exemplos, vemos
como a célula se está a dividir.

Noutro exemplo,

vemos as células
a tentarem chegar a sítios

e a apertarem-se contra outra célula.

E no último exemplo, vemos uma célula
a empurrar grosseiramente as vizinhas,

dando-lhes encontrões.

Estão a ver?

Esta tecnologia permite-nos
observar cada vez melhor

quase como se estivéssemos a ver
células isoladas numa lâmina de vidro

onde são mantidas prisioneiras.

Para demonstrar a promessa
que esta tecnologia contém,

fizemos parcerias com alguns
dos melhores cientistas de todo o mundo.

Começámos a colocar
uma série de questões fundamentais

em que já começámos
a trabalhar m conjunto.

Por exemplo, como é que o cancro
se espalha pelo corpo?

Neste exemplo, estamos a ver
células humanas de cancro da mama

que estão em vias de migrar,

utilizando os vasos sanguíneos
que estão marcados a magenta.

Estão a usar estes vasos sanguíneos
como autoestradas

para se movimentarem.

Vemo-las esgueirando-se
pelos vasos sanguíneos.

Vemo-las rolando
sempre que há espaço suficiente.

Num dos exemplos, vemos
o que parece ser um "trailer"

para um próximo filme
"Alien, o Oitavo Passageiro".

Esta célula cancerosa está a tentar
abrir caminho pelo vaso sanguíneo

para invadir outra parte do corpo.

No último exemplo que vou mostrar

estamos a tentar compreender
como se desenvolve a orelha.

Neste caso, fomos totalmente
ofuscados por neutrófilos rastejantes.

Estas células imunitárias estão
basicamente sempre a patrulhar,

Nunca descansam.

Estão sempre a trabalhar para perceberem
se há qualquer perigo estranho

a tentar perceber
se há qualquer infeção.

Eles auscultam o ambiente,
estão em constante movimento.

Agora podemos ver estas imagens
e estes movimentos

com maior pormenor do que
era possível ver até agora.

Como acontece com todas
as novas tecnologias,

com as novas capacidades
aparecem novos problemas.

Para nós, o maior é como
manipulamos os dados.

Estes microscópios geram
uma tonelada de dados.

Geramos entre um a três terabytes
de dados por hora.

Para colocar em contexto,

estamos a encher dois milhões
de disquetes por hora,

para os membros da audiência
com mais experiência.

(Risos)

Mais ou menos, cerca de 500 DVD

ou, para colocar num contexto
melhor para a geração Z,

enchemos por hora
cerca de uma dúzia de iPhones 11.

Temos uma tonelada de dados.

Temos de encontrar
novas formas de visualizar isto,

novas formas de extrair informações
biologicamente significativas

destes conjuntos de dados.

Mais importante ainda,

queremos garantir que podemos
pôr estes microscópios avançados

nas mãos de cientistas de todo o mundo.

Vamos disponibilizar gratuitamente
os planos destes microscópios.

Mas a parte fundamental

é que precisamos de colaborar
ainda mais para causar impacto.

Estamos a reunir cientistas

que podem desenvolver
novos instrumentos biológicos e químicos.

Estamos a trabalhar em conjunto
com cientistas de informação

e cientistas instrumentalistas

para conseguirmos obter
e gerir os dados.

E, como estamos a disponibilizar
estes instrumentos, gratuitamente,

para a academia e instituições
sem fins lucrativos,

estamos a criar centros de imagiologia
avançada para os guardar,

para conseguirmos reunir o grupo
de pessoas que sejam microscopistas,

que sejam biólogos e informáticos,

e criar uma equipa que consiga
resolver o tipo de problemas

que cada um de nós, individualmente,
não consegue resolver.

Graças a estes microscópios,

a fronteira da ciência
está novamente aberta.

Por isso, vamos observar em conjunto.

Obrigado.

(Aplausos)