From promiscuity to specialization: The origin of cholinergic and monoaminergic signaling is pre-bilaterian

Durante mais de um século, os biólogos compreenderam que os animais se comunicam através de uma linguagem química complexa. As células nervosas libertam pequenas moléculas chamadas neurotransmissores para dizer a outras células o que fazer, quer seja contrair um músculo, disparar um sinal para o cérebro ou alterar o comportamento. Entre estes mensageiros mais importantes está um grupo conhecido como aminas biogénicas, que inclui substâncias familiares como a dopamina e a serotonina, bem como a acetilcolina. Durante décadas, a visão predominante era que este sistema químico sofisticado era uma invenção relativamente recente, surgindo apenas quando os animais bilaterais complexos — criaturas com um lado esquerdo e um direito, como humanos, insetos e vermes — evoluíram. O pensamento era que os animais mais simples, como esponjas e medusas, careciam da maquinaria molecular específica necessária para produzir, transportar e receber estes sinais, dependendo, em vez disso, de formas mais primitivas de comunicação.

Um novo estudo desafia esta cronologia de longa data, sugerindo que as raízes do nosso próprio sistema nervoso remontam muito mais profundamente à história da vida. Ao examinar os animais mais simples da Terra, os investigadores descobriram que as ferramentas químicas para este sistema de sinalização existiam muito antes de o primeiro animal bilateral alguma vez nadar. Descobriram que estas criaturas antigas possuem os mesmos ingredientes básicos para fabricar e utilizar estes neurotransmissores, mas utilizam-nos de uma forma muito mais geral e flexível. O sistema complexo e especializado visto em humanos e outros animais avançados parece ser um refinamento posterior de um conjunto de ferramentas antigo e versátil que já estava presente no ancestral comum de todos os animais.

Os investigadores procuraram testar se estes sinais químicos estavam verdadeiramente ausentes nos primeiros animais ou se tinham simplesmente sido negligenciados. Recolheram amostras de quatro espécies distintas que representam diferentes ramos da árvore genealógica animal: uma esponja de água doce, um pequeno pólipo de água doce conhecido como Hydra, uma anémona do mar e um verme marinho. Utilizando uma análise química altamente sensível, procuraram a presença de várias aminas biogénicas. Os resultados foram claros: a esponja, o pólipo e a anémona continham quantidades mensuráveis de acetilcolina, dopamina, histamina, adrenalina e várias outras substâncias relacionadas. A esponja continha inclusive adrenalina, uma substância frequentemente associada à resposta de "luta ou fuga" em vertebrados. Esta descoberta, por si só, provou que estas moléculas não eram exclusivas de animais complexos; estavam presentes em criaturas que carecem de um cérebro centralizado ou de um sistema nervoso como o que conhecemos.

O passo seguinte foi compreender como estes animais fabricavam estas substâncias. Em animais complexos, a produção de neurotransmissores específicos é gerida por enzimas altamente especializadas, cada uma concebida para criar apenas uma molécula específica. Os investigadores descobriram que os animais antigos não possuíam estas enzimas especializadas. Em vez disso, possuíam versões mais antigas e flexíveis. Estas enzimas ancestrais eram "promíscuas", o que significa que uma única enzima podia produzir uma grande variedade de diferentes mensageiros químicos a partir dos mesmos materiais de partida. Por exemplo, a enzima responsável pela produção de acetilcolina em humanos é uma especialista dedicada. Na esponja e no pólipo, a enzima equivalente é uma generalista que lida principalmente com uma tarefa metabólica diferente, mas que também pode produzir acetilcolina como um efeito secundário. Isto sugere que a capacidade de produzir estes sinais não exigiu uma invenção dedicada; surgiu naturalmente dos processos metabólicos que já estavam ativos nas primeiras células.

O estudo também analisou como estas substâncias químicas eram movidas e recebidas. Em animais complexos, transportadores específicos carregam os neurotransmissores para dentro de minúsculas bolhas de armazenamento, e recetores específicos na superfície das células os captam. Os investigadores descobriram que os animais antigos possuíam as versões de amplo espetro destes transportadores e recetores. Possuíam transportadores capazes de mover muitos tipos diferentes de moléculas e recetores que podiam ligar-se a vários sinais diferentes. No entanto, encontraram uma peça crucial de evidência de um sistema especializado no pólipo e na anémona. Estes animais possuem recetores que se ligam especificamente à acetilcolina e possuem células semelhantes a músculos que respondem a este sinal. No pólipo, estes recetores encontram-se nas células nervosas, mas também nas células que compõem a parede corporal, sugerindo que a acetilcolina é utilizada para coordenar o movimento nestes animais simples, tal como ocorre nos nossos próprios músculos.

Esta descoberta redefine a nossa compreensão de como os sistemas nervosos evoluíram. Sugere que a linguagem química do sistema nervoso não surgiu subitamente com o primeiro animal complexo. Em vez disso, os blocos de construção já lá estavam, espalhados pelas células dos primeiros animais. Estas células utilizavam estas substâncias químicas para comunicações e propósitos metabólicos gerais. Ao longo de milhões de anos, à medida que os animais se tornavam mais complexos, os genes para estas enzimas e recetores foram copiados e modificados. Este processo de duplicação permitiu que o sistema se tornasse mais especializado, com enzimas dedicadas a produzir sinais específicos e recetores dedicados a lê-los com alta precisão. O sistema de comunicação complexo e de alta velocidade do cérebro humano é, portanto, não uma invenção totalmente nova, mas uma versão altamente refinada de um sistema antigo e de propósito geral que tem sido utilizado desde o início da vida animal.

Os investigadores confirmaram estas descobertas analisando os projetos genéticos destes animais. Rastrearam a história evolutiva dos genes responsáveis pela produção e movimentação destas substâncias químicas, mostrando que as versões especializadas encontradas em humanos são descendentes diretas das versões amplas e flexíveis encontradas em esponjas e medusas. Também utilizaram modelação computacional para prever como os recetores do pólipo se comportariam, confirmando que são estruturalmente capazes de se ligar à acetilcolina tão fortemente como os recetores humanos. Esta convergência de deteção química, análise genética e modelação estrutural fornece um quadro robusto do passado. Mostra que a transição de um sinal químico simples e geral para um sistema nervoso complexo e especializado foi um processo de especialização gradual, e não um salto súbito.

As implicações deste trabalho estendem-se para além da compreensão do passado. Sugerem que os mecanismos fundamentais da comunicação celular estão profundamente conservados em todo o reino animal. A capacidade de utilizar pequenas moléculas para influenciar o comportamento celular é uma propriedade que remonta aos primeiros animais multicelulares. Os sistemas especializados que vemos nos humanos foram construídos sobre este fundamento antigo. Ao estudar os animais mais simples, os cientistas podem observar as matérias-primas a partir das quais a nossa própria biologia complexa foi construída. O estudo conclui que os sistemas de sinalização química de que dependemos para o pensamento, movimento e sensação não são únicos para nós, mas são um traço herdado de um ancestral comum que viveu há centenas de milhões de anos, muito antes do primeiro animal bilateral sequer existir.