Libélulas e evolução paralela: uma opsina que deteta vermelho profundo como nos mamíferos

Por vezes, a evolução chega duas vezes à mesma “solução”, mesmo em animais separados por distâncias enormes na árvore da vida. É esse o princípio da evolução paralela, e um novo estudo indica que as libélulas podem ser um exemplo inesperadamente nítido desse fenómeno.

Investigadores da Osaka Metropolitan University (OMU) observaram que as libélulas conseguem detetar luz vermelha muito profunda através de um mecanismo que se assemelha de forma impressionante ao utilizado pelos mamíferos.

Isto é relevante para a biologia fundamental, mas tem também um lado prático: a luz vermelha e a luz próximo-infravermelha já são comuns em tecnologias médicas.

O trabalho centra-se nas opsinas, as proteínas sensíveis à luz que estão no núcleo da visão. O que a equipa identificou não é apenas “as libélulas veem vermelho”, mas sim que “as libélulas podem estar a ver o vermelho de uma forma que não esperaríamos num inseto”.

Visão para lá do vermelho profundo

A visão de cor humana assenta em opsinas ajustadas a diferentes zonas do espectro. Em termos simples, dependemos de três tipos principais, com maior sensibilidade para comprimentos de onda associados ao azul, ao verde e ao vermelho.

Já as libélulas são frequentemente descritas como tendo uma visão invulgarmente rica quando comparadas com muitos outros insetos. Caçam presas rápidas em pleno voo, seguem rivais e interagem a alta velocidade - pelo que os seus olhos estão longe de ser apenas um traço decorativo.

A equipa da OMU, liderada por Mitsumasa Koyanagi e Akihisa Terakita, identificou uma opsina de libélula que reage a luz em torno de 720 nanómetros. Esse valor situa-se para lá do que muita gente considera ser a fronteira do “vermelho profundo” no espectro 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 “kit” visual das libélulas inclui um pigmento ajustado a uma zona que muitos insetos praticamente não exploram.

Isto não significa que vejam infravermelho total como uma câmara térmica. Ainda assim, significa que conseguem ir mais longe na extremidade vermelha do que seria de esperar, o que pode dar-lhes um canal extra de informação no ambiente por onde voam.

Ver parceiros em movimento

Os investigadores não ficaram pela simples identificação do “pigmento”. Procuraram também compreender para que poderia servir, já que uma capacidade sensorial tende a manter-se apenas quando traz utilidade.

Uma hipótese avançada foi a deteção de parceiros. Se machos e fêmeas refletirem de forma diferente luz vermelha e próximo-infravermelha, então um pigmento sensível a esse intervalo poderá facilitar distinguir “potencial parceiro” de “não parceiro” enquanto se deslocam rapidamente.

Para avaliar isso, a equipa analisou a refletância, isto é, quanta luz uma superfície devolve.

Nas libélulas, a refletância pode influenciar a forma como os indivíduos se percecionam em tempo real, sobretudo durante o voo acelerado.

Os resultados mostraram diferenças evidentes entre machos e fêmeas na refletância do vermelho ao próximo-infravermelho.

Isto apoia a ideia de que a sensibilidade a estes comprimentos de onda pode ajudar os machos a identificar fêmeas com rapidez, mesmo em cenários visualmente “confusos”, como margens de água muito iluminadas ou vegetação com sol direto.

Mesma solução, evolução diferente

A parte mais marcante surgiu quando a equipa examinou a proteína em maior detalhe. Concluiu que a forma como a opsina da libélula alcança a sensibilidade ao vermelho coincide com a 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 em mamíferos, incluindo humanos”, disse o primeiro autor do estudo, Ryu Sato, estudante de pós-graduação na Osaka Metropolitan University.

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

Aqui está o ponto central da evolução paralela: caminhos evolutivos diferentes a chegar ao mesmo “truque” molecular.

De insetos a inovação

Quando se encontra uma opsina que responde a comprimentos de onda mais longos, é difícil não pensar em aplicações - não apenas em animais. A luz vermelha e a luz próximo-infravermelha já são úteis porque penetram melhor nos tecidos do que comprimentos de onda mais curtos, como o azul ou o ultravioleta.

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

Os investigadores identificaram uma única posição-chave na proteína que influencia fortemente os comprimentos de onda a que ela “prefere” responder.

Em seguida, desenvolveram uma versão modificada que reagia a comprimentos de onda ainda mais longos. Também demonstraram que células equipadas com a opsina alterada podiam ser ativadas por luz próximo-infravermelha, fornecendo o tipo de prova de conceito que os investigadores em optogenética procuram.

Levar a luz mais fundo no tecido

A optogenética consiste em controlar células com luz, dotando-as de proteínas sensíveis à luz. É uma abordagem muito usada em neurociência e biologia celular.

Uma limitação é que a luz não se propaga de forma igualmente eficiente através de tecido vivo. Por isso, comprimentos de onda mais longos podem representar uma vantagem significativa.

“Conseguimos deslocar a sensibilidade de uma opsina próximo-infravermelha modificada de libélulas da família Gomphidae ainda mais para comprimentos de onda mais longos e confirmámos que a opsina próximo-infravermelha modificada pode induzir respostas celulares à luz próximo-infravermelha”, 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 próximo-infravermelha, poderá tornar-se viável desencadear respostas mais profundamente no corpo, com configurações menos invasivas.

Isto pode ser importante para investigação agora e, mais tarde, para aplicações médicas que exijam precisão sem necessidade de incidir fisicamente no tecido.

Quando a evolução concorda no design

Este estudo situa-se num ponto de contacto particularmente fértil entre biologia e engenharia. Do lado biológico, sugere que as libélulas não ganharam sensibilidade ao vermelho através de uma solução exclusiva de insetos, mas sim por convergirem para um mecanismo semelhante ao dos mamíferos.

Isto é relevante porque a convergência é, muitas vezes, um sinal de que a natureza encontrou designs realmente eficazes.

Se a evolução “escolhe” independentemente a mesma estratégia molecular em linhagens distintas, isso sugere que pode existir um número limitado de formas ótimas de resolver esse problema específico.

Libélulas inspiram nova tecnologia

Do ponto de vista tecnológico, o trabalho apresenta um novo candidato a ferramenta para optogenética, sobretudo quando a principal dificuldade é a penetração da luz em profundidade.

Não se trata de um dispositivo médico pronto, nem há qualquer alegação de cura; é, sim, um avanço claro no sentido de um conjunto de ferramentas mais alinhado com a forma como a luz se comporta em tecido vivo.

Além disso, obriga a repensar a forma como olhamos para as libélulas. Já são conhecidas pela velocidade e precisão como predadoras aéreas, mas esta investigação indica que o seu mundo sensorial pode incluir sinais que muitos outros insetos simplesmente não conseguem detetar.

E é aí que está o interesse de estudos deste tipo: começam com uma pergunta básica - como vê este animal - e acabam por abrir possibilidades que podem influenciar ferramentas futuras para humanos.

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

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