Em "Game of Thrones, "um corvo de três olhos guarda os segredos do passado, presente e futuro em um vasto reino de fantasia. Mas para biólogos do mundo real, um "besouro de três olhos" pode oferecer um verdadeiro vislumbre do futuro do estudo do desenvolvimento evolutivo.

Usando uma ferramenta genética simples, Cientistas da IU desenvolveram intencionalmente um olho extra totalmente funcional no centro da testa do besouro comum. Desvendar os mecanismos biológicos por trás dessa ocorrência pode ajudar os pesquisadores a entender como a evolução se baseia em "blocos de construção" genéticos e de desenvolvimento pré-existentes para criar novos traços complexos, ou traços "antigos" em lugares novos.

Os resultados do estudo aparecem no jornal da Proceedings of the National Academy of Sciences . O trabalho também fornece uma visão mais profunda de um experimento anterior que produziu acidentalmente um olho extra como parte de um estudo para entender como a cabeça do inseto se desenvolve.

"A biologia do desenvolvimento é maravilhosamente complexa em parte porque não há um único gene para um olho, um cérebro, a asa de uma borboleta ou o casco de uma tartaruga, "disse Armin P. Moczek, professora do Departamento de Biologia da IU Bloomington College of Arts and Sciences. "Em vez de, milhares de genes individuais e dezenas de processos de desenvolvimento se unem para permitir a formação de cada uma dessas características.

"Também aprendemos que desenvolver um novo traço físico é muito parecido com construir uma nova estrutura a partir de Legos, ao reutilizar e recombinar genes 'antigos' e processos de desenvolvimento em novos contextos. "

Como consequência, a evolução de novos recursos freqüentemente requer muito menos mudanças genéticas do que os biólogos pensavam originalmente.

Mas, ao contrário de reorganizar e combinar tijolos de plástico de brinquedo para formar uma nova estrutura, Moczek disse que não está claro quais mecanismos biológicos guiam a construção de novas características físicas em algumas circunstâncias, mas não em outras.

"Você pode fazer coisas novas continuamente ou em novos lugares usando o mesmo velho conjunto de 'tijolos, '", disse ele." Mas em Legos, conhecemos as regras de montagem:quais peças vão juntas e quais coisas não. Em biologia, ainda temos dificuldade em compreender as respectivas contrapartes. "

Uma das maneiras pelas quais os cientistas têm buscado obter uma visão mais clara desse processo é estimulando o crescimento de órgãos "ectópicos" - ou órgãos que se formam na parte errada do corpo. Os primeiros trabalhos de campo se concentraram na formação de olhos de mosca-das-frutas no lugar errado, como na asa ou na perna. Contudo, esses experimentos exigiram a ativação de genes regulatórios importantes no novo local, uma técnica que se limita a apenas alguns organismos de estudo. Os "olhos" resultantes também nunca foram totalmente funcionais.

Por contraste, o novo estudo liderado pela IU relata a formação de um olho extra funcional - tecnicamente, uma "fusão" de dois pares de olhos extras - após o knockdown de um único gene, uma técnica amplamente disponível para cientistas na maioria dos organismos. A inesperada formação de um complexo, olho funcional em uma nova localização no processo é "um exemplo notável da capacidade dos sistemas de desenvolvimento de canalizar perturbações massivas em direção a resultados ordenados e funcionais, "Moczek disse.

Para criar um olho totalmente funcional no centro da cabeça de um besouro, A equipe de Moczek desativou um único gene chamado ortodentículo, ou odt, que sua pesquisa mostrou anteriormente desempenhar um papel na instrução da formação da cabeça durante o desenvolvimento.

"Este estudo interrompe experimentalmente a função de um único, gene principal, "Moczek disse." E, em resposta a esta interrupção, o restante do desenvolvimento da cabeça se reorganiza para produzir um traço altamente complexo em um novo local:um olho composto no meio da cabeça.

"Além disso, a coisa realmente funciona! "

Para confirmar que o olho era um verdadeiro olho extra, a equipe da IU conduziu vários testes para provar que a estrutura tinha os mesmos tipos de células, expressa os mesmos genes, desenvolveu conexões nervosas adequadas e provocou a mesma resposta comportamental de um olho normal. O que torna os resultados tão empolgantes - além da novidade do Frankenstein para os olhos - é a técnica genética relativamente simples usada para conseguir o knockdown do gene, disse o pesquisador de pós-doutorado da IU Eduardo E. Zattara, quem é o autor principal do estudo.

Moczek disse que as descobertas também vão além deste aplicativo para ajudar a resolver questões fundamentais no desenvolvimento, evolução e medicina. Por exemplo, compreender como órgãos complexos organizam seu crescimento e integração no corpo são desafios centrais que as ciências médicas devem superar para desenvolver órgãos artificiais para pesquisa e transplante.

“O uso de olhos ectópicos é um paradigma altamente acessível para estudar tudo isso, em muitos tipos de organismos, "Zattara disse." Nós consideramos este estudo como realmente abrindo a porta para novos caminhos de investigação em múltiplas disciplinas. "