Na Sala de Aula Anastasios Koutsos Alexandra Manaia Julia Willingale-Theune Versão 2.3 Versão Portuguesa ELLS European Learning Laboratory for the Life Sciences
Anastasios Koutsos, Alexandra Manaia e Julia Willingale-Theune Na Sala de Aula Versão 2.3
Na Sala de Aula 1. O Espelho mágico Contar uma história para apresentar os microarrays na sala de aula Eram 8:30 da manhã numa segunda-feira cinzenta. O despertador estava a TOCAR. Eu tive de esticar a mão que estava quentinha debaixo dos cobertores para o desligar. Com uma horrível sensação típica de uma segunda-feira, levantei-me lentamente da cama, dirigi-me para a casa-de-banho, peguei na escova de dentes e comecei a lavá-los enquanto me interrogava sobre o que a minha irmã estaria a fazer naquele momento. Havia já algum tempo que falara com ela pela última vez. Quando olhei para o espelho lá estava ela em frente dos meus olhos. Ia a conduzir para o trabalho e não parecia tão bem humorada como de costume (talvez se devesse ao facto de ser segunda- feira!). Primeiro, pensei que o copo de vinho que eu bebera na véspera era a causa das minhas alucinações. Embora pensando bem, eu não tivesse bebido assim tanto! Ou estaria a sonhar? Como podia ter visto a minha irmã se ela vive na Grécia! Será que o meu espelho era mágico? Era preciso verificar se era mesmo mágico ou se era tudo fruto da minha imaginação. Decidi então pensar noutra pessoa e olhar para o espelho durante tempo suficiente, para ver se a sua imagem também aparecia! Pensei na minha mãe, que também vive na Grécia, e de repente, a sua imagem apareceu no espelho. Isto não pode estar a acontecer!, disse para comigo. Telefonei imediatamente à minha mãe e perguntei-lhe onde é que ela estava. No escritório, respondeu ela. Acordo sempre bastante cedo às segundas-feiras. Porque perguntas? Não tive coragem de lhe contar o que estava a acontecer e desliguei. Depois disto, comecei a examinar o espelho muito cuidadosamente. Verifiquei se não existia uma câmara escondida por detrás. Constatei que não o espelho não tinha nada de estranho. Comecei então a examinar toda a casa de banho, esperando que mais tarde ou mais cedo alguém se levantasse e dissesse Sorria, é para os apanhados! Mas ninguém apareceu, e de certeza que os meus amigos não me podiam ter pregado uma partida assim. Decidi, desafiar mais uma vez os poderes do espelho. Concentrei-me a pensar na minha amiga Maria que vive no México. E como das outras vezes, a imagem da Maria apareceu imediatamente no espelho. Ela estava na cama, a dormir. Corri para a sala, para ver se encontrava num mapa as diferenças horárias entre os vários países do mundo. Era verdade! Às 9:15, na Alemanha, são 2:15 da manhã, no México. Por isso é que ela estava a dormir!, pensei eu. Apesar de tudo não estou completamente louco!. Como era possível eu saber o que ela estava a fazer? Se eu nem sequer sabia que era de noite no México! Voltei ao espelho e murmurei, O que aconteceria se eu pensasse numa pessoa que nunca tivesse visto antes? E que tal uma pessoa famosa? Isso seria um desafio considerável para o espelho. Então comecei a pensar em várias pessoas célebres: Madonna, David Beckham, Rowan Atkinson, Gerard Depardieu, Johnny Depp, J. K. Rowling. Pensei em tantas pessoas quantas pude! Mesmo no Presidente dos Estados Unidos (eu não deveria divulgar esta informação, pois posso arranjar sarilhos com os serviços secretos ). 3
Tudo o que tinha a fazer era pensar numa pessoa, e ali estava ela em frente dos meus olhos! Surpreendente! E não importava quem era nem onde estava. Era verdade! O espelho era mágico! De repente fiquei muito curioso de saber o que o meu chefe estaria a fazer. E a sua imagem apareceu imediatamente em frente dos meus olhos. Oh, não! Ele estava no Laboratório. E não é que estava na minha bancada? E não é que eram as MINHAS amostras que ele estava a observar? Oh meu Deus! Já eram 10:15! Estava atrasado e o meu chefe estava à minha espera para começar uma experiência! Agarrei no meu saco, olhei rapidamente para o espelho e dirigi-me para a porta. Decidi não dizer nada a mais ninguém sobre o espelho. De qualquer forma ninguém acreditaria em mim. No caminho para o Laboratório. No caminho para o EMBL, comecei a pensar em todas as cidades do mundo e nas interacções entre elas. Várias estradas ligam cidades situadas no mesmo continente, e os portos e aeroportos ligam cidades localizadas em continentes diferentes. Pensemos então numa pessoa, em qualquer cidade do mundo - ela pode escolher quaisquer cidades do mundo e viajar entre elas. Devido à rotação da terra em torno do seu eixo, enquanto que nalgumas cidades é dia, noutras é noite. A actividade que as pessoas desenvolvem, num dado momento, depende consideravelmente do facto de ser de dia ou de noite. Na maior parte das cidades as pessoas acordam de manhã e trabalham até anoitecer. Quando regressam do trabalho, a maior parte continua activa até ser de noite. Esta situação aplicava-se a todas as pessoas que eu observara no espelho mágico. Contudo, nem todas as pessoas trabalham durante o dia. Por exemplo, as pessoas que trabalham num aeroporto, trabalham noite e dia para assegurar que os aviões levantem e aterrem em segurança. Os bombeiros não trabalham todo o dia, mas estão prontos para trabalhar sempre que são chamados. Os polícias são outra categoria profissional que trabalha em contínuo. Patrulham as cidades e o campo assegurando-se que sejam lugares seguros para nós morarmos. Mas o que acontece, se ocorrer algum tipo de perigo durante a noite? O que se passará se houver um fogo ou um crime na cidade? De acordo com a gravidade do fogo ou do crime, 4
um determinado número de polícias e de bombeiros acordará e irá para o local, para prestar auxílio imediato, enquanto o resto da população continuará a dormir tranquilamente. Mas se uma catástrofe, como por exemplo um tremor de terra acontecer, as coisas já se passarão, de maneira diferente. A maior parte das pessoas acordarão e muitos bombeiros, polícias e médicos se deslocarão rapidamente para o local, para dar uma ajuda. Muitas vezes não há recursos suficientes na cidade afectada e virá ajuda de outras cidades. Devagar, a cidade afectada irá recuperando, até recomeçar a funcionar normalmente. Com o meu espelho mágico eu podia observar qualquer pessoa, no mundo, a qualquer hora. Era como ter uma máquina fotográfica que tirasse fotos simultaneamente em várias partes do mundo. Tinha quase chegado ao EMBL, quando me dei conta de que no fundo as cidades funcionavam do mesmo modo que as células de um organismo. A maior parte dos organismos são formados por órgãos, que por sua vez são constituídos por células. A maneira como uma célula funciona depende da sua identidade, do tipo de função que a célula realiza: as células musculares do coração por exemplo, trabalham continuamente para assegurar a oxigenação do corpo, enquanto as células da retina só trabalham quando estamos a observar algo. Mas o que significa dizer que uma célula está a funcionar? Quer dizer que essa célula está a fabricar as proteínas que são necessárias à execução do conjunto de tarefas da célula. No entanto, as instruções para fabricar as proteínas estão inscritas no ADN. Só uma pequena fracção do ADN total da célula contém a informação necessária para fabricar proteínas. A informação para produzir cada proteína é primeiro copiada para uma outra molécula chamada, marn, que por sua vez é usada para fabricar a proteína. Assim, quando dizemos que um gene está activo, queremos dizer que está a ser transcrito para marn, que será usado depois para fabricar a proteína correspondente. Tal como nos aeroportos, alguns genes trabalham o tempo todo. Consideremos, por exemplo, o facto de a célula necessitar sempre de energia. Alguns genes, chamados housekeeping genes, estão sempre activamente a produzir as proteínas que são necessárias para fazer face às necessidades energéticas da célula. Mas o que sucede quando a célula tem de enfrentar uma situação de perigo? Por exemplo, se ocorrer uma falta de oxigénio, se um vírus a atacar, ou se a célula se tornar cancerosa? Nestas situações ocorrerão mudanças no conjunto dos genes dessa célula que ficarão activos. Alguns genes podem continuar a sua actividade ao mesmo ritmo enquanto outros vão aumentar ou diminiur o seu ritmo de trabalho. Outros genes que não estavam a trabalhar podem começar a actividade. Mas também pode acontecer que alguns genes parem completamente a sua actividade, caso esta não seja mais necessária. Por outras palavras, enquanto 5
alguns genes permanecem ou são ligados, outros serão desligados. A dimensão desta mudança (número de genes envolvidos) depende do desafio que a célula enfrenta. Percebi então que isso era exactamente o que se passara com os estranhos acontecimentos relacionados com o meu espelho. Naquele mesmo dia, o meu chefe estava à minha espera no laboratório para eu começar as minhas experiências com microarrays. E os microarrays, ou chips de ADN como são chamados, funcionam de modo muito semelhante ao meu espelho mágico. Estas ferramentas permitem aos cientistas observar o que os genes de um determinado organismo estão a fazer num determinado momento: se estão ligados (expressos) ou desligados (não expressos). O espelho mágico ajudara-me a perceber melhor o que se passaria no laboratório. Claro que eu não percebera por que razão o espelho me mostrava todas aquelas imagens, mas pelo menos tinha encontrado um significado para aqueles fenómenos. Pensando nisto, encontrei um lugar para estacionar, agarrei no meu saco e dirigi-me para o laboratório para iniciar a minha expêriencia com microarrays. Prometia ser mais um dia de trabalho bem preenchido As seguintes alegorias e metáforas podem ser utilizadas para ilustrar: 2. A transferência de informação do ADN para as proteínas Imagine que está na sua cozinha e que quer fazer um bolo, mas que a receita do bolo se encontra num livro de receitas que está na sala de estar. Nesse caso teria de ir até à sala, encontrar o livro de receitas, trazê-lo até à cozinha, e começar a fazer o bolo. Mas como proceder se fosse proibído retirar qualquer livro da sala? Mesmo sendo proibído trazer o livro para fora da sala é-lhe permitido aí copiar a receita (instruções). Assim, se levar uma folha de papel consigo, pode escrever a receita e depois trazê-la até à cozinha. É exactamente o que as células fazem para fabricar proteínas. O ADN (livro de receitas) contém as instruções (receitas) para produzir proteínas mas não pode sair do núcleo (sala de estar). Só as cópias das receitas (marn) podem sair do núcleo para o citoplasma onde existem fábricas (ribossomas) que produzem as proteínas. 3. Análise da expressão génica Quando dizemos que um gene está activo, queremos dizer que fabrica marn, que encaminha depois para o citoplasma para produzir proteínas. A quantidade de 6
marn produzida depende da quantidade de proteínas que é necessária. Em quase todos os organismos, o ADN contém a informação para produzir todas as proteínas necessárias à sobrevivência do organismo. Mas isto não quer necessariamente dizer que toda esta informação vai ser utilizada. Lembre-se de que o ADN é como um livro de receitas. Como tal, contém muitas receitas mas nós só usamos algumas delas. As células também escolhem as proteínas que querem produzir, e o seu aspecto e o seu funcionamento dependem em grande medida das proteínas fabricadas. Para identificar os genes que estão activos numa determinada célula, temos de extrair os marns da célula e lê-los um a um para descobrir a que genes correspondem. Isto parece fácil, mas de facto é quase impossível, a não ser que passemos 24horas por dia no laboratório. E os cientistas não podem esperar tanto, por isso encontraram uma maneira de ultrapassar este problema Imagine que vai pescar um determinado tipo de peixe mas que no lago onde está, existem diferentes tipos de peixes. Se for um pescador experiente você sabe que certos tipos de peixes preferem determinados tipos de isco. Assim, escolhendo o isco específico, basta prendê-lo ao anzol, preparar a cana de pesca e esperar Voilà! Pescou um peixe! Se utilizar vários tipos de isco, no final, terá pescado vários tipos de peixes. 4. Como explicar a hibridação Isto é exactamente o que os cientistas fazem: pescam marns, correspondentes a vários genes que se encontram na mesma solução. Só precisam de escolher muito bem o isco que devem usar para pescar cada marn. Têm que pensar em termos de complementaridade! Basta usarem a cadeia de ADN que é complementar ao marn (peixe) que eles querem pescar. Quando pescam, as duas cadeias, ADN e marn, ligam-se (hibridam). Mas e se quiséssemos apanhar todos os tipos de peixes de uma só vez para depois os separarmos? Nesse caso, uma só cana de pesca seria completamente insuficiente. Uma maneira inteligente de proceder seria dispor de um aquário dividido em zonas, colocando em cada uma delas canas com um determinado tipo de isco, diferente em cada uma das zonas. Assim, ao transferirmos todos os peixes do lago para o aquário, cada tipo de peixe dirigir-se-á para o seu tipo de isco. Poderemos então pescar um certo tipo de peixe numa área, outro tipo de peixe noutra. Cada peixe estará ligado ao seu tipo de isco característico. 7
No caso dos marns, os cientistas procedem de modo semelhante. Consideremos um exemplo simples. Vamos supor que temos uma pequena grelha onde foram fixados 4 diferentes nucleótidos (iscos), em 4 áreas distintas: A G C T O que aconteceria se colocassemos nesta grelha uma solução contendo guanina (G)? nesta grelha? A que área da grelha é que as moléculas de guanina se ligariam (hibridariam)? Se nos lembrarmos de que G se liga sempre a C, então a resposta será o canto superior direito. Mas como poderemos ver se de facto G se ligou a C? Estas moléculas são tão pequenas que é impossível observá-las ao microscópio. Para ultrapassar esta limitação, os cientistas marcam as moléculas G com uma molécula fluorescente (marcador) -este processo chama-se marcação. Agora, em vez de colocar os nucleótidos numa grelha, podemos substituí-los por cadeias de ADN correspondendo às sequências codificantes para determinados genes. Se sobre a grelha aplicarmos uma solução que contém marns fluorescentes, só aqueles que se ligarem ao ADN vão lá permanecer sendo responsáveis pelo sinal fluorescente obtido. Encontrámos assim uma maneira de pescar genes. E finalmente os microrrays Imagine uma pequena superfície de vidro que caiba na palma da sua mão. Agora imagine que coloca nessa superfície de vidro, não 1, nem 2 mas 20,000 cadeias de ADN correspondendo a todos os genes de um organismo. Cada gene ocupa assim uma pequeníssima superfície, muito menor do que um ponto final no fim de uma frase. Então, nestas áreas estarão as sequências de ADN que permitem pescar os diferentes genes de um organismo. As sequências de ADN funcionam como iscos que pescam os marns. Deste modo conseguirá identificar os genes que estão activos num determinado organismo. Tem um microarray de ADN! 8
5. Conselhos práticos para jogar ao jogo do microarray Esta actividade permite simular os diferentes passos de uma experiência com microarrays. Antes de jogar ao jogo do microarray virtual, aconselhamos que se familiarize com os princípios básicos dos microarrays. POR FAVOR, envie-nos as suas impressões, diga-nos quais os aspectos que lhe colocaram mais dificuldades quando utilizou esta actividade na sua escola. Os seus comentários e sugestões serão muito úteis para continuarmos a melhorar este jogo. Por favor, envie comentários/sugestões para ells@embl.de. Esperamos que se divirta tanto a jogar a este jogo como nós nos divertimos a elaborá-lo! Como começar? Leia as várias secções desta actividade para poder decidir quais serão as mais interessantes para os seus alunos. Se puder envolva os seus alunos na prepação dos materiais para o jogo (marcação das lâmpadas, etc.). No entanto se tiver limitações de tempo, é melhor preparar tudo com antecedência e iniciar o jogo antes da hibridação. Antes de começar: Para jogar o jogo do microarray assegure-se que a sua sala de aula tem luz suficiente, mas que também pode ficar escura (com cortinas ou persianas). Deve ter espaço para poder colocar o tapete de microarray no centro da sala, de modo a que os alunos possam dispor-se em círculo, à volta do tapete (é importante que a sala não tenha o aspecto de uma sala de aula clássica com mesas e cadeiras). Por exemplo pode colocar as mesas na periferia da sala, contra a parede. As cadeiras podem ser colocadas à volta do tapete. Aquando da análise dos resultados, pode ser útil que os alunos subam para cima das mesas, para poderem ter uma melhor perspectiva do tapete e das lâmpadas acesas. O que é necessário: Certifique-se de que tem lanternas em número suficiente. Para o jogo dos microarrays vai precisar de 67 lanternas das que se vendem a baixos preços, como gadgets promocionais para publicidade de empresas etc. No entanto, se 9
o seu orçamento não permitir adquirir estas lanternas, pode pedir aos alunos para as trazerem de casa. Deste modo, os alunos contribuem com material para a actividade. Talvez seja aconselhável limitar o número de alunos a cerca de 12. Se cada aluno trouxer 1-2 lanternas, talvez seja difícil recolher 67 lanternas. Nesse caso podem-se utilizar menos lanternas. Será então necessário modificar o número de lanternas necessárias para cada gene, Mas é preciso ter atenção para não modificar a regulação (activação = up regulation e repressão= down regulation). Por exemplo, os genes maurice wilkins, rosalind franklin e francis crick têm o mesmo número de lanternas vermelhas e verdes. Pode mudar o número de lanternas mas terá de conservar um número idêntico de vermelhas e verdes. No caso de genes que são activados (up-regulated), haverá mais lanternas vermelhas do que verdes; também pode alterar o número, desde que tenha mais vermelhas do que verdes. E assim sucessivamente. Uma precaução! Embora possa alterar o número de lanternas, tente evitar ter genes exactamente com o mesmo número de lanternas. Por exemplo, tente evitar ter apenas uma lanterna verde e uma vermelha para o Cluster 1 maurice wilkins, francis crick, rosalind franklin and james Watson. Assim, quando os alunos fizerem o clusterring (agrupamento) dos genes, vão perceber mais fácilmente que os genes estão no mesmo grupo por terem um comportamento semelhante (uma regulação semelhante) não por terem o mesmo número de lanternas. Outro aspecto a considerar relativamente `as lanternas: as lanternas que nós usamos são planas e são colocadas de modo a que a luz seja emitida para cima na direcção do tecto. No entanto, a maior parte das lanternas são cilíndricas. Assim, se os alunos trouxerem as suas lanternas é melhor pedir que tragam também um suporte: uma caneca, um copo etc. Talvez seja útil recolher as lanternas todas um dia antes, de modo a lidar melhor com eventuais problemas. Marcação das lanternas e hibridação: Para este passo experimental divida a sua classe em dois grupos: o grupo controlo e o grupo canceroso. Dê a cada grupo uma caixa contendo todas as lanternas desse tipo (controlo ou canceroso). Se houver tempo suficiente peça a cada equipa para marcar as lanternas com a cor respectiva: verde para o controlo e vermelho para as células cancerosas. Dependendo do tipo de papel autocolante transparente que utilizar, pode ser necessário colar mais de uma camada de papel transparente para tornar a cor mais intensa. Também pode optar por colorir directamente as lanternas, usando canetas próprias para colorir plástico/ transparências. Finalmente peça aos estudantes para colocarem as lanternas na posição correcta, no tapete. 10
Se não tiver conseguido obter um número suficiente de lanternas, pode jogar o jogo só com 10 lanternas, uma por gene. Em vez de usar as cores para cada molécula de marn, pode usar as cores para ilustrar a cor final de cada spot. Por exemplo, no caso dos genes maurice wilkins, rosalind franklin, frances crick e james watson, que apresentam iguais quantidades de marn em ambas as amostras, pode optar por utilizar um papel autocolante transparente AMARELO para marcar cada lanterna. Do mesmo modo, no caso dos genes alexander fleming, thomas morgan, barbara mcclintock (genes activados, up regulated genes ) utilizará o papel autocolante transparente vermelho, e no caso dos genes leo szilárd, jacques monod e john kendrew a cor será verde. Convém estar preparado para explicar aos estudantes que a cor amarela no microarray é artificial e resulta da sobreposição/combinação das cores verde e vermelha. Scanning/análise do microarray: No processo de análise/scanning acenda todas as lanternas e desligue a luz da sala. Encoraje os seus alunos a discutir sobre o comportamento dos vários genes. Evite dar-lhes logo toda a informação acerca do comportamento dos diferentes genes e tente antes guiá-los para que eles próprios cheguem às conclusões!!! 6. Clustering /Análise dos microarrays Durante o processo de análise/clustering é importante que os alunos percebam que o critério para agrupar os genes em clusters reflecte o seu comportamento no microarray (Ver guia do Professor para os exercícios de clustering [PDF], Exercícios de clustering para a sala de aula [PDF]) Discutir as várias maneiras de agrupar os genes, não esquecer de mencionar que não há uma única maneira correcta de agrupar os genes: diferentes critérios de formação dos clusters conduzirão a conclusões relativamente diferentes. Mostre-lhes o clustering que foi feito na secção anterior e leve-os a questionar-se sobre o tipo de comportamento que os genes desse cluster partilham. 11
7. Exercícios dos Microarrays Se tiver tempo suficiente, pode tentar que os alunos façam os exercícios na salade-aula. Se não, podem fazê-los como trabalho de casa para discutir na aula seguinte. (Ver guia do Professor para os exercícios dos microarrays [PDF], Exercícios de Microarray para a sala de aula [PDF]) 12
Agradecimentos Gostaríamos de agradecer a todos os que contribuíram para a elaboração desta actividade: - Ao Udo Ringeisen e a toda a equipa do Departamento de Fotografia do EMBL (EMBL Photolab), pela impressão dos tapetes do microarray em tecido, (para demonstração em cursos ou festivais de ciência) e pela produção da versão em plástico, (para utilização na sala de aula); - Ao Thomas Sandmann, na altura estudante de doutoramento no EMBL-Heidelberg, por várias discussões e sugestões muito úteis e também por nos ter chamado a atenção para o excelente material sobre microarrays intitulado Snapshots of Science and Medicine, produzido pelo NIH Office of Science Education, em conjunto com o Office of Research on Women s Health ; - Ao Russ Hodge, na altura, no Departamento de Comunicação e Relações Públicas do EMBL-Heidelberg ( Office of Information and Public Affairs [OIPA]), bem como a toda equipa do European Learning Laboratory for the Life Sciences [ELLS], por muitas discussões, sugestões e apoio; - A Giovanni Frazzetto, Mehrnoosh Rayner e Vassiliki Koumandou por terem lido a primeira versão desta actividade e por terem contribuído para melhorá-la com as suas ideias e comentários. - A vários amigos e colegas do EMBL-Heidelberg com quem partilhámos ideias, entusiasmo e dúvidas; - Os Exercícios para a sala de aula foram adaptados do material sobre microarrays intitulado Snapshots of Science and Medicine, produzido pelo NIH Office of Science Education. Pode ser encontrado no seguinte website: science-education.nih.gov/snapshots; Imagem de capa por André-Pierre Olivier; Traduzido por Alexandra Manaia; Editado por Corinne Kox e Sonia Furtado.
O ELLS usa licenças de direitos de autor Creative Commons para salvaguardar material produzido para os ELLS LLABs que será posteriormente utilizado por professores e outras instituições. Os símbolos de direitos de autor aparecem também no website ELLS TeachingBASE e nos ficheiros pdf, doc e ppt disponíveis para download. Atribuição Uso Não-Comercial Compartilhamento pela mesma licença Esta licença permite a terceiros remisturar, alterar e usar o seu trabalho como base, para fins não-comerciais, desde que lhe atribuam o devido crédito a si e utilizem uma licença idêntica para a obra resultante. O seu trabalho pode ser obtido por download e redistribuído tal como na licença Atribuição-Uson Não-Comercial - Não a obras Derivadas, mas também pode ser traduzido e/ou remisturado, e podem ser produzidas novas obras com base nele. Todas as novas obras baseadas na sua terão a mesma licença, portanto quaisquer obras derivadas serão também de natureza não-comercial. Além disso, os autores das obras derivadas não podem insinuar que a obra derivada foi apoiada ou aprovada pelo(a) autor(a) da obra original. Significado dos símbolos de direitos de autor: Partilhar Remisturar Atribuição Uso Não-Comercial Compartilhamento pela mesma licença Para mais informações, consultar http://creativecommons.org/international/pt/
Copyright European Molecular Biology Laboratory 2010