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Visão de animais remonta 700 milhões de anos

Pesquisadores revisitam a evolução animal no rastro de proteínas atualmente sensíveis à luz.

Lucas Brouwers
Uwe Kills e Gerd Alberti
Olho de krill antártico
Olhe bem fundo nos olhos de qualquer animal e você encontrará opsina, a proteína que nos faz ver o mundo. Cada raio de luz que você percebe foi capturado primeiro por uma opsina. Sem opsinas, não haveria azul, nem vermelho, nem verde. Todo o espectro visível seria apenas um espectro qualquer. 

Mas nem sempre as opsinas foram os sensíveis detectores de luz que são atualmente. Existe uma criatura, obscura e pequena, que carrega opsinas cegas. Essas opsinas não estão quebradas, como as de algumas espécies que vivem em cavernas: elas nunca funcionaram. Nunca. Elas são as relíquias de um passado distante, uma época em que nossos ancestrais ainda vagavam na escuridão.  

A opsina é membro de uma grande família de proteínas detectoras, chamadas de ‘receptores acoplados à proteína G’ (GPCRs, em inglês). Como agulha e linha, todas as GPCRs se enrolam ao redor da membrana externa da célula sete vezes. A meio caminho entre a célula e o mundo exterior, esses minúsculos sensores ficam perfeitamente posicionados para monitorar os arredores da célula. A maioria das GPCRs detecta a presença de certas moléculas. Quando um certo hormônio ou neurotransmissor conecta seu lado externo, ele se torna ativo e libera moléculas sinalizadoras no interior da célula. Mas a opsina é diferente. Ela não une moléculas fisicamente. Em vez disso, ela sente a presença de uma partícula mais delicada e efêmera: o próprio fóton, a partícula (e onda) de que é feita a luz.

Opsinas capturam fótons com uma pequena molécula no âmago de sua arquitetura, chamada de retinal. Em seu estado de descanso, o retinal tem uma cauda curvada e retorcida. Mas assim que a luz atinge a molécula, sua cauda se estica. Esse exercício de alongamento molecular também força a opsina a mudar de forma. A opsina agora está ativa e acabará por fazer um nervo próximo disparar, o que transmitirá sua mensagem para o cérebro: luz!

Cientistas sabem da existência das opsinas (ou rodopsinas, como a forma ligada ao retinal também é chamada) desde o século 19. Os fisiologistas alemães Wilhelm Kühne e Franz Boll descobriram e isolaram a rodopsina pela primeira vez em 1876 e 1878, respectivamente. Foram necessários mais 50 anos até que o bioquímico americano, George Wald, descobrir o retinal, em 1933.

Desde os primeiros dias da química visual, cientistas descobriram os truques de detecção de luz da opsina e estabeleceram sua estrutura molecular em detalhes atômicos. É seguro dizer que a natureza física e química da opsina é melhor compreendida que sua história. Muitas perguntas sobre a evolução das opsinas continuam sem respostas há 130 anos. Em qual de nossos muitos ancestrais evoluiu a opsina? Quantos anos tem a opsina? Quantos anos tem a visão

A resposta mais curta é ‘muitos’. Já que quase todo animal carrega opsinas de algum tipo, essas proteínas devem ter aparecido bem cedo em nossa evolução. A resposta mais longa e mais precisa envolve uma reconstrução evolutiva da história mais antiga da opsina, como a que foi publicada por Roberto Feuda e outros na PNAS há três semanas. Feuda e seus colegas coletaram sequências de opsinas de todos os cantos do reino animal, peludos, escamosos e molengas, e calcularam quanto esses genes eram aparentados uns com os outros.

Em primeiro lugar, Feuda confirmou a existência de três tipos distintos de opsina em Bilateria (os bilatérios são animais com simetria entre esquerda e direita). Esses três tipos de opsina são chamados de R-opsinas, C-opsionas e RGR-opsionas. Durante muito tempo, biólogos acharam que as C-opsinas eram encontradas exclusivamente em animais com espinha (os vertebrados) e que as R-opsinas eram limitadas aos protostômios, um grupo diverso de animais que inclui moluscos e artrópodes. (O terceiro tipo de opsina, a RGR-opsina, é um pouco estranha se comparada às outras opsinas. Em vez de detectar luz, seu papel é regenerar moléculas retinais ‘gastas’).

A divisão era tão pronunciada e clara que vertebrados e protostômios devem ter evoluído suas próprias opsinas detectoras de luz a partir de um modelo ancestral. Ou era isso que cientistas pensavam. A história completa surgiu quando as opsinas começaram a aparecer em locais inesperados. Descobriu-se que o cérebro da minhoca do mar Platynereis dunerlii, um protostômio, continha C-opsinas. R-opsinas foram identificadas em células nervosas na retina humana. Essas descobertas forçaram biólogos especializados em opsina a voltarem aos estudos. Nesse novo cenário, o ancestral comum de vertebrados e protostômios, os ur-bilatérios, já tinha três tipos de opsina. Mais tarde as duas linhagens recrutaram C-opsinas e R-opsinas para seus sistemas visuais, respectivamente.

Agora, Feuda e seus colegas colocam a origem desse aglomerado de opsinas no passado ainda mais distante. O primeiro animal a carregar três opsinas não era o ancestral bilatério, mas o último ancestral comum dos Bilateria e dos Cnidaria (águas-vivas, anêmonas, corais e seus parentes). Feuda descobriu que todas as opsinas dos cnidários pertenciam a um de três grupos diferentes, cada um deles correspondendo aos três tipos básicos de opsina nos Bilateria.

De um ponto de vista bilatério, os cnidários são completamente esquisitos. Sua anatomia difere radicalmente de nosso plano simétrico estrutural. Os cnidários não têm cérebros, por exemplo; em vez disso, seus pensamentos e decisões surgem em uma descentralizada rede de nervos. Durante centenas de milhões de anos, nossa evolução e desenvolvimento seguiram um caminho enormemente diferente. Nós nos tornamos jaguares, eles se tornaram águas-vivas. Eles são corais, nós somos caranguejos. Mas os resultados de Feuda carregam uma implicação desconcertante: as C-opsinas em nossos cones e bastonetes são mais próximas das opsinas correspondentes nos ocelos de uma água viva do que qualquer uma delas é da R-opsina em nossos nervos retinais. As raízes da visão animal são de fato profundas.   

Para verificar essa profundidade, a equipe de Feuda saltou para outro ramo da árvore genealógica, e garimpou os genomas de duas esponjas, Oscarella e Amphimedon, em busca de sequências de opsina, sem sucesso. Aparentemente, as opsinas só evoluíram depois de as esponjas terem divergido de outros animais, mas antes da divisão entre Bilateria e Cnidaria. Felizmente para Feuda, só existe uma linhagem animal nesse ponto entre esponjas de um lado e cnidários/bilatérios do outro. Conheça os placozoas. Pequenos, simples e planos, os placozoas se parecem mais com panquecas mutantes que qualquer outra coisa. Eles deslizam pelo fundo do mar, procurando detritos para comer.

No video acessivel pelo link abaixo você pode ver como um Trichoplax (a única espécie definida como placozoa) se transforma em dois:  http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=METiNTiI1VE

O genoma placozoa de fato abriga duas opsinas. Mas aqui está a pegadinha: essas opsinas não coseguem detectar luz. Lembra do retinal, a molécula que muda de forma quando é atingida pela luz? As opsinas dos placozoas não conseguem prender o retinal, porque não têm o aminoácido ao qual o retinal se liga (aminoácidos são os blocos construtores de proteínas). Sem a ‘lisina-296, é improvável que as opsinas dos placozoas consigam detectar luz. Mas se não são sensores de luz, então o quê? “Com certeza os placozoas usam essas opsinas. Como? Não sei dizer. Parece que sua resposta seria tão boa quanto a minha”, escreve David Pisani, principal autor do estudo, em um email.

Feuda e seus colegas não são os primeiros a notarem essas opsinas de placozoas. Na wiki sobre a evolução da opsina (em inglês, (http://genomewiki.ucsc.edu/index.php/Opsin_evolution:_orgins_of_opsins), um pesquisador da UCSC escreveu que “esses genes [de placozoa] retém semelhanças inquietantes com as opsinas em regiões que, de outra forma, mudam rapidamente. Talvez esses genes devessem ser considerados opsinas apesar de não terem lisina-296”. No entanto, a equipe de Feuda é a primeira a investigar como essas ‘opsinas sinistras’ se relacionam a outras opsinas.

É assim que eles visualizaram o cenário que inventaram: http://blogs.scientificamerican.com/thoughtomics/files/2012/11/opsin.jpg]

Ponderando sobre essa figura, percebi que nossas opsinas realmente têm duas origens. Uma é o nascimento da própria opsina, a outra é a mutação que transformou a opsina em uma proteína fotossensível. A linhagem da opsina em si surgiu entre 755 e 711 milhões de anos atrás, a partir da duplicação de uma única GPCR. O último ancestral comum dos Bilateria e Cnidaria viveu entre 711 e 700 milhões de anos atrás. Isso deixa uma pequena janela de tempo (em termos evolutivos) em que a opsina adquiriu a mutação fotossensível e se dividiu nas três famílias de opsinas que carregamos ainda hoje.

Essa provavelmente não será a última palavra sobre a evolução da opsina. Os ramos podem mudar quando houver maior número de sequências de opsina disponíveis e pesquisadores investigarem mais profundamente o início da história dos animais. Lembre-se também de que uma única proteína fotossensível não faz um olho funcional, e nem um ocelo. Os caminhos que os animais tomaram para chegar à visão são uma miríade, com cada olho e olhinho evoluindo ao longo de sua própria trajetória na direção de cores esplêndidas, monocromos sombrios, olhos de águia, ou simplesmente uma detecção do tipo liga/desliga. 

Mas apesar de as diferenças serem muitas, o ponto inicial foi o mesmo. Uma única opsina. Um brilho. E fez-se a luz. 
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