Libélulas e evolução paralela: uma opsina de vermelho profundo da Universidade Metropolitana de Osaka

Por vezes, a evolução chega à mesma “solução” mais do que uma vez, mesmo quando se trata de animais muito afastados entre si. É esse o princípio da evolução paralela - e um novo estudo indica que as libélulas podem ser um exemplo particularmente nítido desse fenómeno.

Uma equipa da Universidade Metropolitana de Osaka (OMU) concluiu que as libélulas conseguem detetar luz vermelha muito profunda através de um mecanismo surpreendentemente semelhante ao utilizado pelos mamíferos.

Isto é relevante para a biologia fundamental, mas tem também um lado prático: a luz vermelha e a luz no próximo do infravermelho já são amplamente usadas em tecnologias médicas.

O estudo centra-se nas opsinas, proteínas sensíveis à luz que estão no centro do processo visual. E o que os investigadores encontraram não foi apenas “as libélulas veem vermelho”, mas sim que “as libélulas poderão estar a ver vermelho de uma forma que não esperaríamos num inseto”.

Visão para lá do vermelho profundo

A visão das cores nos humanos assenta em opsinas ajustadas a diferentes zonas do espectro. De forma simples, dependemos de três tipos principais, com maior sensibilidade aos comprimentos de onda do azul, do verde e do vermelho.

As libélulas, por sua vez, são conhecidas por terem uma visão invulgarmente rica quando comparadas com muitos outros insetos. Caçam presas rápidas em pleno ar, seguem rivais e interagem a grande velocidade - por isso, os seus olhos não são um mero ornamento.

A equipa da OMU, liderada por Mitsumasa Koyanagi e Akihisa Terakita, identificou uma opsina de libélula que responde a luz em torno de 720 nanómetros. Esse valor fica para lá do que a maioria das pessoas considera o limite do “vermelho profundo” na luz visível.

“Este é um dos pigmentos visuais mais sensíveis ao vermelho alguma vez encontrados”, afirmou Terakita. “As libélulas conseguem provavelmente ver mais profundamente no vermelho do que a maioria dos insetos.”

Assim, o conjunto de ferramentas visuais das libélulas inclui um pigmento sintonizado numa faixa que muitos insetos praticamente não alcançam.

Isto não significa que as libélulas vejam infravermelho como uma câmara térmica. Mas indica que conseguem avançar mais do que o esperado na extremidade vermelha do espectro, o que pode dar-lhes um canal adicional de informação no ambiente por onde voam.

Ver parceiros em movimento

Os investigadores não ficaram pelo “aqui está um pigmento”. Procuraram também perceber para que poderia servir, já que uma capacidade sensorial tende a manter-se apenas quando traz alguma utilidade.

Uma hipótese era a deteção de parceiros. Se machos e fêmeas refletirem de forma distinta a luz vermelha e a luz no próximo do infravermelho, então um pigmento ajustado a essa faixa pode facilitar a distinção entre um “potencial parceiro” e um “não parceiro” enquanto o animal se desloca rapidamente.

Para testar esta ideia, a equipa analisou a reflectância, isto é, a quantidade de luz que uma superfície devolve.

Nas libélulas, a reflectância pode influenciar a forma como os indivíduos se percecionam em tempo real, sobretudo durante voos rápidos.

Os resultados revelaram diferenças visíveis entre machos e fêmeas na reflectância do vermelho ao próximo do infravermelho.

Isto reforça a possibilidade de que a sensibilidade a estes comprimentos de onda ajude os machos a identificar rapidamente as fêmeas, mesmo em cenários visualmente complexos, como margens de água muito iluminadas ou vegetação sob luz solar direta.

Mesma solução, evolução diferente

A parte mais marcante surgiu quando a equipa observou a proteína com maior detalhe. Os autores concluíram que a forma como a opsina da libélula atinge sensibilidade ao vermelho segue a mesma estratégia usada pelas opsinas vermelhas dos mamíferos.

“Surpreendentemente, o mecanismo pelo qual a opsina vermelha da libélula deteta luz vermelha é idêntico ao da opsina vermelha nos mamíferos, incluindo os humanos”, disse o primeiro autor do estudo, Ryu Sato, estudante de pós-graduação na Universidade Metropolitana de Osaka.

“Este é um resultado inesperado, sugerindo que o mesmo processo evolutivo ocorreu de forma independente em linhagens distantemente relacionadas.”

É aqui que a evolução paralela se evidencia: percursos evolutivos distintos, mas o mesmo “truque” molecular.

De insetos a inovação

Depois de se identificar uma opsina que responde a comprimentos de onda mais longos, é difícil não pensar em ferramentas - e não apenas em animais. A luz vermelha e a luz no próximo do infravermelho já são úteis porque atravessam melhor os tecidos do que comprimentos de onda mais curtos, como o azul ou a radiação UV.

Por isso, a equipa avaliou se esta opsina de libélula poderia ser empurrada ainda mais para a zona do próximo do infravermelho através de ajustes na sua estrutura.

Os investigadores identificaram uma única posição crítica na proteína que influencia fortemente os comprimentos de onda a que ela dá preferência.

Em seguida, criaram uma versão modificada que passou a responder a comprimentos de onda ainda mais longos. Além disso, demonstraram que células equipadas com a opsina alterada podiam ser ativadas por luz no próximo do infravermelho - o tipo de prova de conceito que os investigadores em optogenética procuram.

Levar a luz mais fundo no tecido

A optogenética baseia-se em controlar células com luz, ao dotá-las de proteínas sensíveis à luz. É uma abordagem muito usada em neurociência e biologia celular.

Uma das limitações é que a luz não se propaga de forma igual através de tecido vivo. Por esse motivo, comprimentos de onda mais longos podem ser uma vantagem significativa.

“Conseguimos deslocar a sensibilidade de uma opsina modificada no próximo do infravermelho, proveniente de libélulas da família Gomphidae, ainda mais na direção de comprimentos de onda mais longos e confirmámos que a opsina modificada no próximo do infravermelho pode induzir respostas celulares à luz no próximo do infravermelho”, disse Koyanagi.

“Estes resultados demonstram que esta opsina é uma ferramenta optogenética promissora, capaz de detetar luz mesmo em profundidade dentro de organismos vivos.”

A promessa é direta: se for possível ativar uma opsina engenheirada com luz no próximo do infravermelho, poderá tornar-se viável desencadear respostas mais profundamente no corpo com configurações menos invasivas.

Isto pode ser relevante para investigação já hoje e, com o tempo, para aplicações médicas que exijam precisão sem necessidade de intervenção no tecido.

Quando a evolução concorda no design

Este estudo situa-se num ponto de encontro entre biologia e engenharia. Do lado da biologia, sugere que as libélulas não ganharam sensibilidade ao vermelho apenas através de uma solução específica de insetos; em vez disso, convergiram para um mecanismo semelhante ao dos mamíferos.

Isto é importante porque a convergência é, muitas vezes, um sinal de designs realmente eficazes na natureza.

Se a evolução “escolhe” de forma independente a mesma estratégia molecular em diferentes linhagens, isso indica que pode existir um número limitado de formas ótimas de resolver aquele problema.

Libélulas inspiram nova tecnologia

Do lado tecnológico, o trabalho apresenta uma nova ferramenta candidata para a optogenética, sobretudo quando o obstáculo é a necessidade de maior penetração da luz.

Não se trata de um dispositivo médico acabado, nem de uma afirmação de cura para seja o que for, mas é um passo claro no sentido de um conjunto de ferramentas mais alinhado com a forma como a luz se comporta em tecido vivo.

O estudo também reposiciona a forma como pensamos nas libélulas. Já são reconhecidas pela velocidade e precisão enquanto caçadoras aéreas, mas esta investigação indica que o seu mundo sensorial pode incluir sinais que muitos outros insetos simplesmente não conseguem detetar.

E é esse o lado interessante de estudos deste tipo: começam com uma pergunta básica - como é que este animal vê - e acabam por abrir ideias que podem ajudar a moldar ferramentas futuras para humanos.

Neste caso, o caminho passa por uma proteína minúscula que aprendeu a detetar luz vermelha profunda - duas vezes, em dois ramos muito diferentes da vida.

O trabalho foi publicado na revista Ciências da Vida Celulares e Moleculares.