Conheça os pesquisadores que tentam transformar os ursos de água em modelos de neurociência

Não há duas maneiras: os tardigrades são durões.

Esses moradores de água microscópicos e de oito patas sobreviveram ao vácuo do espaço, desidratação extrema e temperaturas que variam de zero quase absoluto ao ponto de ebulição acima. Em 2021, os pesquisadores dispararam tardigrados congelados de uma arma para um alvo a vários metros de distância, para simular um impacto de meteorito e mostraram que eles viveram para contar a história¹.

Os tardigrados também são transparentes, de derramamento da pele e ocasionalmente canibalistas-características aparentemente em desacordo com sua aparência fofa e apelido de ‘urso de água’. E eles têm um ótimo PR. Eles têm um subreddit dedicado no qual as pessoas mostram suas tatuagens tardigradas e brinquedos macios. Existem clubes e memes de fãs tardigrados, bem como mercadorias on -line. Os ursos de água podem não se importar, mas a internet certamente o faz. As pessoas parecem não conseguir o suficiente deles.

Novas espécies de tardigradas revela segredos de poderes resistentes à radiação

Mas para uma comunidade crescente de pesquisadores se preparando para convergir este mês em Tsuruoka, Japão, para o 16º Simpósio Internacional sobre Tardigrada, é tudo sobre as pernas.

Tardigrades “são um dos menores animais da Terra que conhecemos que têm membros”, explica Ana Lyons, neurocientista da Universidade Keio, em Tóquio. “Ao mesmo tempo, eles também têm manchas simples, um cérebro central e um sistema nervoso periférico”.

Os tardigrados, portanto, existem em um ponto ideal: simples o suficiente para estudar de maneira adequada e complexa o suficiente para valer a pena. Essa é uma das razões pelas quais os neurocientistas como Lyons estão trabalhando para tornar os Tardigrades um organismo modelo para o estudo de como os circuitos neurais funcionam – um campo de pesquisa chamado neurociência de sistemas.

Nem todo organismo tem o que é preciso para ser “modelo”, no entanto – existem requisitos básicos. Idealmente, eles são fáceis de manter e se reproduzir no laboratório e têm um curto ciclo de vida. Eles também devem ser geneticamente tratáveis ​​e, para os neurocientistas de sistemas, têm neurocircuitrios bem compreendidos. São essas duas últimas questões em que os cientistas precisam trabalhar se os tardigrados forem para fazer a transição do meme para o organismo modelado.

Felizmente, os entusiastas tardigrados são um grupo confiante.

“Há trabalho a ser feito, mas tenho fé na comunidade tardigrada”, diz Jasmine Nirody, bióloga organisma da Universidade de Chicago em Illinois. “Estamos determinados.”

‘Um pouco de espacial alienígena’

Lyons gosta de Tardigrades desde os 15 anos de idade. Na zona rural de Michigan, onde ela cresceu, não havia cursos de ciências avançados disponíveis em sua escola, então ela fez um curso em uma escola especializada de ‘ímãs’. Em busca de um tópico para um projeto, ela vagou pela biblioteca local. Uma enciclopédia de invertebrados norte -americanos chamou sua atenção.

“Tinha uma fotografia em preto e branco (microscópio eletrônico de varredura) de um heterotardígrado” na capa, ela lembra. “Esses são os tardigrados muito legais que têm todos os cílios nas costas e manchas de olho realmente proeminentes e suas garras nas pernas são muito distintas. Parecia um pouco de espaço estranho para mim.”

Fascinada, ela procurou o autor do capítulo Tardigrado e iniciou uma conversa. A autora, Diane Nelson, convidou Lyons a visitar seu laboratório na East Tennessee State University, em Johnson City. “Passei meu aniversário de 16 anos lá, aprendendo a lidar e identificar Tardigrades”, diz Lyons. Eles acabaram co-autorizando um artigo quando a Lyons era estudante do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) em Cambridge-embora, porque não houvesse laboratórios de tardigrados no MIT na época, ela estudava principalmente moscas de frutas e leveduras.

Lyons retornou aos ursos de água durante um ano de bolsa na Alemanha e continuou seu trabalho como estudante de graduação na Universidade da Califórnia, Berkeley. Para seu pós -doutorado, ela se juntou ao laboratório do neurocientista Saul Kato. Um biólogo de worm, Kato estava procurando se ramificar em um novo sistema experimental quando começou seu laboratório na Universidade da Califórnia, São Francisco – ele descreve os tardigrados como “Caenorhabditis elegans com pés ”. Eles se conheceram em uma conferência tardigrada em 2018 e ela se juntou ao laboratório dele em 2022.

Um nicho em forma de ouro

Como Lyons e Kato esboço em uma revisão de pré-impressão publicada no início deste ano, os Tardigrades poderiam preencher um nicho em forma de ouro no espaço de sistemas-neurociência². Ratos e moscas de frutas (Drosophila), argumentam os entusiastas tardigrados, são muito complicados para o campo. É muito difícil isolar e conectar comportamentos com redes neurais nessas espécies. “Você precisa entender um sistema simples antes de entender um sistema complexo”, diz Kato. “Estamos tão longe de ter o idioma ou as estruturas para entender realmente como esses grandes e complexos sistemas de neuro funcionam em ratos e, sem dúvida, é o mesmo com Drosophila. ”

No outro extremo, nematóides como a lombriada C. elegans são muito simples. “Você não pode ter a questão de ‘qual é o papel dos sistemas nervosos centrais versus o sistema nervoso periférico quando se trata de movimento dos membros’ (em vermes), porque os vermes não têm membros”, diz Lyons.

Tardigrades fazem; Eles “têm um sistema neural muito aparado, mas ainda têm um cérebro e gânglios em todo o corpo e têm membros e podem andar”, diz Lyons. A maioria dos organismos que andam precisa de milhares de neurônios para fazê -lo, ela explica, mas não os ursos de água. “Ainda não sabemos quantos neurônios os tardigrades têm, mas eles parecem estar na ordem de 300 a 700”, diz ela.

Essa simplicidade facilita relativamente fácil – em teoria – mexer na neurobiologia tardigrada e observar as consequências. Também levou alguns pesquisadores a se perguntarem se os tardigrados poderiam ser semelhantes, se não os ancestrais de artrópodes: o grupo que inclui insetos, aranhas e crustáceos. “É um dos estados mais ancestrais”, diz Georg Mayer, um zoólogo da Universidade de Kassel na Alemanha, de Tardigrades; Estudá -los “quase permite que você olhe para trás no tempo para um fóssil vivo”.

Viva rápido, morra jovem

Outra corda do arco dos tardigrades como organismo modelo é a translucidez deles. Praticamente qualquer uma de suas células pode ser observada enquanto o animal está vivo e em movimento. Isso é especialmente importante quando você está tentando estudar o papel dos neurônios no fornecimento de vários comportamentos. “Você pode realmente vê -los”, diz Lyons. “Estamos tentando codificar geneticamente proteínas repórteres fluorescentes para que, em teoria, pudéssemos ver todos os seus neurônios”.

Os tardigrados também se comportam de maneiras interessantes e incomuns para essas pequenas criaturas. “Como ambos rastejam de uma maneira muito organizada e coordenada e fazem com que as pernas se movam de forma independente e compreendam as coisas?” pergunta Kato. “Parece haver controle local do membro e controle de cima para baixo”. Kato quer saber mais sobre como o sistema nervoso do animal realiza ambos ao mesmo tempo.

“Existem muitas outras versões desse tipo de pergunta na neurociência e achamos que este é o animal perfeito para estudar e descobrir”, acrescenta Kato.

E depois há a questão da estética – os ursos de água são basicamente microfauna carismática. “Os tardigrades são definitivamente mais fofos que os vermes”, diz Kato, “ninguém chama de verme fofo”. Essa fofura, ele admite, provavelmente contribuiu para o apelo dos ursos de água como sujeito de pesquisa. “Eles são uma espécie de querido da Internet.”

Barreiras básicas

Dadas todas essas vantagens em potencial, por que os pesquisadores sabem mais sobre vermes e Drosophila do que eles fazem sobre o tardigrado aparentemente ideal? Por que os ursos de água foram “fracassados”, como Kato coloca, por pessoas que desejam estudar a neurociência dos sistemas?

Por um lado, os Tardigrades estavam atrasados ​​para a festa. Os pesquisadores gravitaram convencionalmente em direção a vermes ou moscas da fruta, porque é aí que a maior parte do trabalho do grunhido inicial foi realizada e as principais ferramentas genéticas criadas. “Esse não é o caso dos Tardigrades”, diz Nirody. “Ainda temos que definir nossa compreensão básica de parte de sua genética e neurologia”.

Os pesquisadores nem têm certeza de qual tipo específico de tardigrado se concentrar. Existem cerca de 1.300 espécies tardigradas, e ainda não está claro, qual seria o mais adequado como organismo modelo. Mas como um grupo, eles têm muitos traços em comum.

Por exemplo, diz Mayer, os genomas tardigrados tendem a incluir muito material genético duplicado. “Eles têm várias cópias de algumas famílias de genes, o que é louco, já que mantiveram seu genoma tão pequeno”, diz Mayer. “Eles têm um tempo de pequena geração e, portanto, é uma desvantagem para eles terem que duplicar muito DNA”. Por que essas duplicações existem é um mistério que seria útil para resolver.

Os pesquisadores tardigrados também estão lutando para manipular geneticamente os animais-especialmente quando se trata de inserir genes em seu genoma, uma técnica conhecida como knock-in transgênica. Em uma conferência em março sobre ferramentas genéticas para novos organismos modelo, Lyons “ficou tranquilo para saber” de que os pesquisadores tardigrados não estão sozinhos ao enfrentar essa dificuldade. “É tudo organismos modelo emergentes, como choques”, diz ela. “Parece ser muito mais direto a eliminar genes”.

Um artigo de 2024 de um grupo japonês mostrou sucesso limitado com uma abordagem³ Isso usou a ferramenta de edição CRISPR para inserir material genético em um genoma tardigrado. Mas não em escala. Os pesquisadores precisam ser capazes de nocautear centenas de pares de bases, e isso ainda não é possível.

“Ainda não sabemos a melhor maneira de fazer os tardigrados”, conclui Lyons. “É crise? Transposons? Vírus? Ou algo mais? Temos como alvo tardigrades quando são embriões em estágio inicial? Ou tentamos entrar nos ovários da mãe tardigrada?”

Depois que os cientistas respondem a essas perguntas, eles precisarão descobrir como fazê -lo sem estourar o ovo ou matar o embrião. “Isso levou muito tempo para descobrir Drosophilapor exemplo, mas uma vez que percebemos você desidratamos ligeiramente os embriões e depois substitua o líquido, lança. Foi isso. Portanto, há muitas pequenas coisas como as que precisamos saber ”, diz Kato.

Um não tão pouco desconhecido para os neurocientistas de sistemas é a neuroanatomia básica. Os entusiastas tardigrados não sabem quantas células o organismo típico tem, muito menos quantos neurônios. Nem sabem que tipos de neurônio os animais têm, nem o que fazem.

Lyons está aplicando uma bateria de técnicas de fluorescência de microscopia para descobrir. “Estou encontrando todos os tipos de morfologias de células estranhas e legais”, diz ela, “e alguns dos neurônios suspeitos parecem muito diferentes do que vemos em vermes ou moscas da fruta. Para ter certeza de que são todos neurônios, realmente precisamos confirmar a presença de sinapses usando microscopia eletrônica”.