No sentido mais estrito, a glicobiologia é o estudo da estrutura, biologia e evolução dos glicanos, os carboidratos e moléculas revestidas de açúcar encontradas em todos os organismos vivos. Como deixou claro um simpósio recente no MIT , o campo está no meio de um renascimento que poderá remodelar a compreensão dos cientistas sobre os blocos de construção da vida.

Originalmente cunhada na década de 1980 para descrever a fusão da pesquisa tradicional em química e bioquímica de carboidratos, a glicobiologia passou a abranger um conjunto de ideias muito mais amplo e multidisciplinar. “Glicociência” pode, na verdade, ser um nome mais apropriado para um campo em rápido crescimento, refletindo a sua ampla aplicação não apenas à biologia e à química, mas também à bioengenharia, medicina, ciência dos materiais, e muito mais.

“Está se tornando cada vez mais claro que esses glicanos têm um papel muito importante a desempenhar na saúde e na doença”, afirma Laura Kiessling, professora de Química da Novartis. “Pode parecer assustador inicialmente, mas conceber novas ferramentas e identificar novos tipos de interações requer exatamente o tipo de habilidades criativas de resolução de problemas que as pessoas têm no MIT.”

Os glicanos incluem um conjunto diversificado de moléculas com estruturas lineares e ramificadas que são críticas para funções biológicas básicas. Sem nenhuma exceção conhecida, todas as células na natureza são revestidas com estas moléculas de açúcar – desde as intricadas cadeias de açúcares que rodeiam a maioria das superfícies celulares até às moléculas conjugadas formadas quando os açúcares se ligam como andaimes aos lípidos e às proteínas. Eles são absolutamente fundamentais para a vida. Por exemplo, Kiessling destaca que a molécula orgânica mais abundante no planeta é o carboidrato celulose.

“A ligação espermatozoide-óvulo é mediada por uma interação entre uma proteína e um carboidrato”, diz ela. “Nenhum de nós existiria sem essas interações.”

Embora falar sobre carboidratos e açúcares possa deixar algumas pessoas focadas em sua dieta, os glicanos estão, na verdade, entre as biomoléculas mais importantes que existem. Eles armazenam energia e, em alguns casos como a celulose, fornecem a estrutura estrutural para organismos multicelulares. Eles medeiam a comunicação entre as células; influenciar interações como aquela entre um hospedeiro e um parasita; e moldar as respostas imunológicas, a progressão da doença, o desenvolvimento e a fisiologia.

“Acontece que algumas dessas estruturas, que nem sabíamos que existiam em tanta abundância no corpo até recentemente, têm muitas funções biológicas diferentes”, dizem Andrew e Erna Viterbi, professora de Engenharia Biológica, Katharina Ribbeck. “Com esta rápida expansão do conhecimento, parece que estamos apenas começando a compreender quão diversas e importantes são essas funções para a biologia.”

Com uma melhor compreensão de quão omnipresentes e críticas são estas moléculas, investigadores em áreas aplicadas como a biotecnologia e a medicina voltaram a sua atenção para a glicociência como uma ferramenta para identificar os condutores das doenças.

Muitas condições têm sido associadas a defeitos na forma como os glicanos são produzidos no corpo ou a problemas com a glicosilação, o processo pelo qual os carboidratos se ligam às proteínas e outras moléculas. Isso inclui certas formas de câncer. Foi demonstrado que as células cancerígenas se revestem de certas glicoproteínas para escapar de uma resposta imunológica.

Por outro lado, os glicanos podem ser um repositório de potenciais terapêuticas. O anticoagulante Heparina, um dos medicamentos prescritos mais vendidos no mundo, por exemplo, é um medicamento à base de carboidratos.

Os glicanos e as proteínas de ligação ao açúcar, como as lectinas, ajudam até a influenciar a troca de micróbios através das camadas de muco do corpo humano, do cérebro ao intestino. Os glicanos pendurados no muco interagem com os micróbios, permitindo a entrada dos bons e reduzindo a virulência dos problemáticos, interrompendo a sinalização celular ou impedindo que os patógenos liberem toxinas.

Apesar de quão crucial é esta “capa de açúcar”, durante muito tempo, os biólogos moleculares concentraram-se nos ácidos nucleicos e nas proteínas, prestando relativamente pouca atenção aos açúcares que os revestiam.

“As ferramentas de que dispomos para examinar as funções de outras moléculas estão praticamente ausentes para os glicanos”, diz Kiessling.

Por exemplo, as sequências de DNA e RNA de uma célula preveem quais proteínas essa célula produz, para que os cientistas possam rastrear onde uma proteína está e o que ela está fazendo usando uma etiqueta codificada geneticamente. Mas a estrutura dos glicanos não está tão obviamente codificada no DNA de uma célula, e uma única proteína pode ser decorada com muitas cadeias diferentes de carboidratos.

Além disso, a imensa diversidade de formas que os carboidratos podem assumir, e o fato de que eles se decompõem rapidamente na corrente sanguínea, tornou um desafio sintetizar glicanos ou direcioná-los para o desenvolvimento de medicamentos. Portanto, são necessários novos métodos criativos para rastreá-los.

É uma situação clássica do ovo e da galinha. À medida que os cientistas compreendem melhor a importância dos glicanos para tantos processos biológicos, isso incentiva-os a desenvolver melhores ferramentas para estudar os glicanos, produzindo ainda mais dados sobre o que estas moléculas podem fazer. Em 2022, de fato, o Prêmio Nobel foi atribuído a Carolyn Bertozzi da Universidade de Stanford, pioneira na glicobiologia, pelo seu trabalho no rastreio de moléculas nas células, que ela e outros aplicaram aos glicanos.

Mas a inteligência artificial poderia facilitar um salto evolutivo neste campo.

“Penso que a glicobiologia está, mais do que qualquer outro campo, madura e pronta para uma interpretação da IA”, diz Ribbeck, explicando como a IA pode permitir aos cientistas ler o “código dos glicanos” da mesma forma que o fazem com o genoma humano. Isso permitiria aos pesquisadores prever a função real de um glicano com base em dados sobre sua estrutura. A partir daí, eles poderiam identificar quais alterações levam à doença ou aumentam a suscetibilidade a doenças – e, o mais importante, encontrar maneiras de reparar esses defeitos.

O crescente interesse pela computação reflete a interdisciplinaridade inerente que definiu a glicociência desde o início.

Apenas no MIT, por exemplo, pesquisas relacionadas estão acontecendo em todo o Instituto. Kiessling descreve o MIT como um “playground para pesquisas interdisciplinares”, que permitiu avanços significativos no campo com aplicações em biotecnologia, pesquisa sobre câncer, ciências do cérebro, imunologia e muito mais.

No Departamento de Química, Kiessling está estudando proteínas de ligação a carboidratos e como suas interações com glicanos afetam o sistema imunológico. Ela também está trabalhando com Bryan Bryson, professor associado do Departamento de Engenharia Biológica, e Deborah Hung, membro do corpo docente do Broad Institute do MIT e Harvard, usando análogos de carboidratos para testar diferenças em cepas de tuberculose na África do Sul. Enquanto isso, a professora assistente de engenharia biológica Jessica Stark é pioneira em abordagens para compreender melhor o papel dos glicanos no sistema imunológico. Tobi Oni, pesquisador do Instituto Whitehead de Pesquisa Biomédica, está buscando glicanos para ajudar a detectar e direcionar tumores no câncer de pâncreas. Barbara Imperiali, professora de Biologia e Química da turma de 1922, está estudando os carboidratos que envolvem as células de micróbios como bactérias, e o professor Matthew Shoulders, do Departamento de Química, está estudando o papel dos glicanos na síntese e no dobramento de proteínas.

“Estamos numa posição muito estimulante e única, combinando disciplinas para abordar e responder a questões inteiramente novas, relevantes para a doença e a saúde”, diz Ribbeck.”O campo em si não é novo, mas o que é novo é a contribuição que o MIT , em particular, poderia fazer com uma combinação criativa de ciência, engenharia e computação.”