Um mofo engenheiro de comunicações

Mapa de crescimento por horas de Physarum polycephalum sobre o mapa ferroviário de Tokio.

A rede ferroviária de Tokio, no Japão, esta desenhada de maneira muito eficiente, ligando todas as cidades com suficiente redundância como para que uma falha numa linha não suponha o colapso da rede, e não tanta redundância como para que seja incomportável economicamente.
Esta rede foi desenvolvida por várias equipas de engenheiros a trabalhar durante vários anos.


Uma equipa de investigadores conseguiu que um mofo unicelular a reproduzisse quase exactamente em aproximadamente um dia.

Crescimento de Physarum polycephalum na natureza, com a sua estrutura de rede.

A noticia, publicada recentemente em Science, indica que um grupo de investigadores das universidades de Hokkaido, no Japão, e de Oxford, na Inglaterra, chefiado pelo biólogo matemático Toshiyuki Nakagaki, desenvolveu uma ideia: Num mapa do Japão puseram flocos de aveia nos lugares correspondentes às cidades da rede ferroviária de Tokio, e puseram numa ponta uma célula de Physarum polycephalum, um mofo gelatinoso bastante estudado pelas suas especiais características. Em 26 horas o mofo tinha reconstruído um modelo muito semelhante ao que realmente existe, e igualmente funcional.

Representação do mapa real das linhas de comboio em Tokio e do obtido pelo mofo.

Este mofo é um organismo unicelular ameboide, suficientemente grande como para ser observado a olho nu, e multinucleado (tem vários núcleos dispersos pelo seu citoplasma). A sua forma de crescimento implica uma procura de alimento (e a sua preferência vai para os flocos de aveia), expandindo-se para isso formando tubos em todas as direcções. Ao encontrar nutrientes, envolvem e digerem os mesmos, e os enviam através dos próprios tubos, fazendo que os mesmos se alarguem e fortaleçam. Se não encontram nutrientes, vão ficando mais finos até que eventualmente desaparecem. Assim, em pouco tempo, conseguem explorar todo o seu entorno, aproveitando todo o alimento disponível.

Crescimento de P. polycephalum numa placa no laboratório, mantendo a sua característica rede. 

Este organismo já tinha sido investigado, em parte pela sua facilidade de crescimento no laboratório, e Toshiyuki Nakagaki já tinha publicado um artigo em Nature , no ano 2000, sobre a capacidade deste mofo para conseguir resolver um labirinto graças à sua maneira de crescer à procura de alimentos (o que, coisas que acontecem, valeu-lhe o prémio IgNobel  na categoria de ciências do conhecimento no 2008).

Demonstração da resolução do labirinto publicada em Nature (prémio IgNóbel)

Agora os investigadores estão a extrair novos algoritmos matemáticos a partir do método de expansão de Physarum polycephalum, com o intuito de utiliza-los em redes tanto de transportes como de comunicações ou informáticas, uma vez que este fungo unicelular demonstra ser muito mais rápido e eficiente do que os nossos melhores científicos para desenhar redes redundantes.


Mais uma vez, demonstra-se que ainda temos muito que aprender da natureza, e que existem muitos sistemas e processos biológicos que podem ser (e cada vez são mais) copiados pela nossa tecnologia.


Ver mais em ScienceNow, New York Times, Wired, BBC ou Science News. 

Staphylococcus aureus: Propagação de bactérias resistentes

Staphylococcus aureus resistente à meticilina (MRSA)

Um novo estudo, levado a cabo por Simon Harris, um filogenetista bacteriano do Instituto Wellcome Trust Sanger em Hinxton, Inglaterra, e seus colegas, e que foi publicado recentemente em Science, revela que o Staphylococcus aureus resistente à meticilina, ou MRSA pelas siglas em inglês, como é mais conhecido, muta muito mais rapidamente do que pensavam até agora.

Esta bactéria, habitual nas infecções hospitalares, consegue mudar pelo menos uma letra (nucleótido) no seu genoma cada seis semanas, e a maior parte deles nos genes envolvidos na resistência aos antibióticos. Esta taxa de mutação nestes genes é muito superior à que se poderia esperar de mutações ao acaso, e o que propõem é que há uma muito forte pressão selectiva nestas bactérias para desenvolver a sua resistência aos antibióticos.

Estes investigadores recolheram amostras da mesma estirpe em 63 hospitais à volta do mundo, e chegaram à conclusão de que todas elas tinham alguma letra do código genético alterada em relação às outras.


A técnica empregue, sequenciação completa dos seus genomas, pode ser utilizada para obter uma melhor compreensão de como é que se propagam as infecções. Por enquanto, já determinaram que esta estirpe provavelmente surgiu na Europa nos anos 60, e desde então extendeu-se, sendo actualmente a estirpe predominante de MRSA na Ásia, enquanto continua a ser uma das principais na Europa e já é muito comum também na América do Sul.


Neste último caso, América do Sul, comprovou-se também que as diferentes amostras estão muito relacionadas geneticamente, o que provavelmente indica que uma só variante de MRSA deve ter invadido recentemente o continente, expandindo-se rapidamente.


Os estudos filo-genéticos sobre estas bactérias devem contribuir com novos dados que permitam limitar a expansão de las infecciones, mesmo tendo em conta que esta linha de investigação ainda se encontra nos seus primórdios. Não é suposto que possa mudar o tratamento de doentes em concreto, mas sim que permita obter uma imagem completa das mutações que podem provocar uma epidemia, e esperam que assim seja possível tomar as medidas apropriadas para a evita-la.


Em tom humorístico, para os distraídos, e antes de ser acusado de alguma coisa, esclareço que o meu nome, Aureus, não provem de Staphylococcus aureus mas de Canis aureus.


Mais informação em Science News

Respiração externa: Bactérias que respiram pedras

Bactérias da familia Shewanella, algumas das estudadas

Existem muitos ambientes na Terra nos que não há oxigénio, e, no entanto, vivem bactérias neles, as bactérias anaeróbias.


A respiração, a nível celular, consiste fundamentalmente na ruptura de ligações químicas obtendo a célula dessa maneira a energia necessária para o seu funcionamento. Neste processo produz-se uma libertação de electrões, que devem ser aceites por alguma molécula para que o mesmo fique finalizado.


O processo de redução mais conhecido, a respiração aeróbia, utiliza oxigénio molecular (O2) e glucose (da que a fórmula resumida é C6H12O6), e acaba libertando água (H2O) e dióxido de carbono (CO2). Este é o processo que nós utilizamos, e nele é imprescindível o oxigénio.


As bactérias anaeróbias vivem em ambientes sem oxigénio, pelo que têm que reduzir outros elementos, nomeadamente (mas não só) o ferro (Fe) e o manganésio (Mn).


Mas o recente descobrimento do Professor David Richardson, da Escola de Ciências Biológicas da Universidade de East Anglia, e a sua equipa, é um mecanismo pelo que muitas destas bactérias conseguem utilizar minérios com estes elementos para respirar, mas externamente, emitindo os electrões sobrantes fora do seu corpo através da parede bacteriana, para que sejam aceites por pedras ricas nestes compostos, ou seja, emitem descargas eléctricas ao exterior. Este descobrimento foi publicado recentemente na prestigiosa revista PNAS.

Segundo indicam os investigadores, isto poderia supor um grande avanço nas investigações sobre pilhas de combustível (utilizando como combustível resíduos humanos ou agrícolas, e as bactérias como produtoras de electricidade), assim como na limpeza de meios contaminados com petróleo ou com urânio radioactivo (utilizando o petróleo como alimento das bactérias, ou o urânio como possível aceitador de electrões), ou em muitas outras linhas de investigação que apareçam.


Ver mais em Scitech News ou no comunicado de imprensa da Universidade de East Anglia.

Micróbios para armazenar energia

Archeobacterias Methanospirillum, um dos tipos que mais metano produz

As energias renováveis, produtoras de electricidade, enfrentam um problema que tende a agravar-se com a sua expansão: nos períodos de menor demanda, se não se consome toda a electricidade produzida, a mesma não pode ser armazenada.

Uma equipa de engenheiros da Universidade do Estado de Pensilvânia (Penn State), nos Estados Unidos, descobriu uns micróbios do reino Archaea que a partir de dióxido de carbono e água podem produzir metano, através da adição de electricidade, e sem emissão de hidrogeno, obtendo assim uma fonte de hidrocarbonetos portátil, e teoricamente neutra em relação à fixação ou emissão de carbono.

Os microrganismos metanogénicos produzem metano em lixeiras e zonas pantanosas, mas os científicos pensavam que estes organismos convertiam materiais orgânicos, como o acetato, em metano, emitindo também hidrogeno. No entanto, estes investigadores, ao tentar produzir hidrogeno nas células por electrólise microbiana, encontraram uma produção de metano muito superior ao esperado.

Toda a geração de metano que ocorre na natureza, e que assumimos que se produz em conjunto com emissão de hidrogeno, pode ser que não seja processada assim, disse Bruce E. Logan, professor de engenharia ambiental da Penn State. Realmente encontramos muito pouco hidrogeno em fase gasosa na natureza. Talvez assumimos que o hidrogeno estava a ser sintetizado, quando não era assim.

Logan, em colaboração com Shaoan Cheng, investigador associado, Defeng Xing, investigador de posdoutoramento, e Douglas F. Call, estudante de posgraduação de engenharia ambiental, confirmaram que os organismos microscópicos produziram o metano. Os investigadores criaram uma célula de duas câmaras com um ânodo submerso na água num lado da câmara e um cátodo na água, e nutrientes inorgânicos e dióxido de carbono no outro lado da câmara. Aplicaram uma tensão, mas só durante um minuto. Depois recobriram o cátodo com um filme biológico de Archaea, os microrganismos objecto de estudo, e não só houve fluxo de corrente no circuito, mas também as células produziram metano.

A única maneira de chegar a ter corrente com a voltagem utilizada é que os micróbios estejam directamente a aceitar electrões, disse Logan. E assinala também que a reacção electroquímica se desenvolve sem nenhum tipo de catalizadores e com um nível de energia menor do que o necessário para a conversão de dióxido de carbono em metano utilizando métodos convencionais, não biológicos.

Estas células obtêm uma eficiência do 80 por cento na passagem de electricidade a metano, e como utilizam dióxido de carbono como matéria prima, o processo viria a ser neutro em relação ao carbono se a electricidade provêm de uma fonte diferente dos hidrocarbonetos, como a solar ou a eólica.

O processo não sequestra carbono, mas transforma o dióxido de carbono em combustível, disse Logan. Se o metano se queima e o dióxido de carbono é capturado, então o processo pode ser neutro em relação à fixação ou emissão de carbono.

Logan sugere para os casos de excesso de electricidade pontual (nos momentos de menor demanda) o método de captura em um combustível transportável. E considera que o metano é preferível ao hidrogeno, porque uma grande parte das infra-estruturas actuais de gestão de hidrocarbonetos poderiam facilmente transporta-lo.