Tecnologia Científica

Pesquisadores de Stanford desenvolvem uma nova maneira de estudar a vida nos oceanos
Os insights de um microscópio giratório inovador podem fornecer uma nova janela para os segredos da vida microscópica no oceano e seus efeitos em processos planetários cruciais, como a fixação de carbono.
Por Rob Jordan - 18/08/2020

Como espíritos passando entre os mundos, bilhões de seres invisíveis se erguem para encontrar a luz das estrelas e então descem para a escuridão ao nascer do sol. A jornada diária do plâncton microscópico entre as profundezas e a superfície do oceano contém a chave para a compreensão dos processos planetários cruciais, mas permaneceu em grande parte um mistério até agora. Um novo microscópio rotativo desenvolvido por Stanford, delineado em um estudo  publicado em 17 de agosto na Nature Methods , oferece pela primeira vez uma maneira de rastrear e medir o comportamento e os processos moleculares desses microrganismos enigmáticos conforme eles realizam em suas migrações verticais diárias.

“Esta é uma maneira completamente nova de estudar a vida no oceano”, disse o primeiro autor do estudo, Deepak Krishnamurthy, um estudante de PhD em engenharia mecânica em Stanford.

A inovação pode fornecer uma nova janela para a vida secreta dos organismos e ecossistemas oceânicos, disse o autor sênior do estudo Manu Prakash , professor associado de bioengenharia em Stanford. “Abre possibilidades científicas com as quais apenas sonhávamos até agora.”

Mistérios oceânicos

Na Terra, metade de toda a conversão de carbono em compostos orgânicos ocorre no oceano, com o plâncton fazendo a maior parte desse trabalho. O papel descomunal das minúsculas criaturas neste processo, conhecido como fixação de carbono e outros ciclos planetários importantes, tem sido difícil de estudar na paisagem estratificada verticalmente do oceano, que envolve profundidades e escalas de tempo vastas.

Os pesquisadores de Stanford, Manu Prakash e Deepak Krishnamurthy,
usam um microscópio rotativo que desenvolveram para observar pela primeira
vez uma diatomácea unicelular, um tipo de plâncton, que muda sua
densidade para se mover na água. (Crédito da imagem: Hongquan Li)

As abordagens convencionais para amostragem de plâncton são focadas em grandes populações de microrganismos e normalmente não têm a resolução para medir comportamentos e processos de plâncton individual em escalas ecológicas. Como resultado, sabemos muito pouco sobre os processos biológicos e moleculares em microescala no oceano, como como o plâncton detecta e regula sua profundidade ou mesmo como eles podem permanecer suspensos na coluna de água apesar de não terem apêndices que ajudem na mobilidade.

“Eu poderia prender uma etiqueta em uma baleia e ver para onde ela vai, mas conforme as coisas ficam cada vez menores, torna-se extremamente difícil saber e compreender seu comportamento nativo”, disse Prakash. “Como podemos nos aproximar do comportamento nativo de um objeto microscópico e dar a ele a liberdade que ele merece porque o oceano é um espaço tão grande e extremamente verticalmente orientado?”

Para preencher a lacuna, Prakash e os pesquisadores em seu laboratório desenvolveram um microscópio de rastreamento vertical baseado no que eles chamam de "esteira hidrodinâmica". A ideia envolve um insight simples, mas elegante: uma geometria circular fornece um anel de coluna de água infinito que pode ser usado para simular as profundidades do oceano. Os organismos injetados nesta câmara circular cheia de fluido se movem livremente enquanto o dispositivo os rastreia e gira para acomodar seu movimento. Uma câmera alimenta imagens coloridas de alta resolução do plâncton e outras criaturas marinhas microscópicas em um computador para controle de feedback de circuito fechado. O dispositivo também pode recriar características de profundidade no oceano, como a intensidade da luz, criando o que os pesquisadores chamam de “ambiente de realidade virtual” para células individuais.

A equipe implantou o instrumento para testes de campo na Hopkins Marine Station de Stanford em Monterey, em Porto Rico, e também em um navio de pesquisa na costa do Havaí. O microscópio inovador já revelou comportamentos de vários microrganismos até então desconhecidos da ciência. Por exemplo, ele expôs em detalhes minuciosos como larvas de criaturas marinhas da costa californiana, como a estrela do morcego, pepino do mar e dólar de areia do Pacífico, empregam vários métodos para se mover pelo mar, variando de um pairar constante a mudanças frequentes no batimento ciliar e movimento de natação ou pisca. Isso poderia permitir aos cientistas compreender melhor as propriedades de dispersão desses organismos únicos no oceano aberto. O dispositivo também revelou os comportamentos de natação vertical de organismos unicelulares, como dinoflagelados marinhos,

Em Porto Rico, Krishnamurthy e Prakash ficaram chocados ao observar uma diatomácea, um microrganismo sem apêndices nadadores, que muda repetidamente sua própria densidade para cair e subir na água - um comportamento intrigante que ainda permanece um mistério.

“É como se alguém lhe dissesse que uma pedra pode flutuar, afundar e flutuar novamente”, disse Krishnamurthy.

Trazendo o oceano para o laboratório

Os pesquisadores de Stanford Adam Larson, Delphine Mion, Deepak
Krishnamurthy, Hongquan Li e Manu Prakash estão ao lado do microscópio
rotativo que desenvolveram para estudar microorganismos oceânicos.
(Crédito da imagem: Laurel Kroo, PrakashLab)

Prakash credita o sucesso do dispositivo à natureza interdisciplinar da equipe de seu laboratório, que inclui engenheiros elétricos, mecânicos e ópticos, bem como cientistas da computação, físicos, biólogos celulares, ecologistas e bioquímicos. A equipe está trabalhando para estender ainda mais as capacidades do microscópio, mapeando virtualmente todos os aspectos dos parâmetros físicos que um organismo experimenta ao mergulhar nas profundezas do oceano, incluindo sinais ambientais e químicos e pressão hidrostática.

“Para entender verdadeiramente os processos biológicos em jogo no oceano em escalas menores, estamos empolgados em trazer um pedaço do oceano para o laboratório e, simultaneamente, trazer um pequeno pedaço do laboratório para o oceano”, disse Prakash.

Para obter mais detalhes sobre o projeto, visite  www.gravitymachine.org.

Prakash também é membro sênior do  Stanford Woods Institute for the Environment ; membro da Bio-X , do Maternal & Child Health Research Institute e do Wu Tsai Neurosciences Institute ; um membro do corpo docente do Howard Hughes Medical Institute; e um investigador do Chan Zuckerberg Biohub.

Os coautores do estudo incluem Hongquan Li, um estudante de graduação em engenharia elétrica; François Benoit du Rey e Pierre Cambournac, ex-estagiários de verão no laboratório Prakash da École Polytechnique; Ethan Li, um estudante de graduação em bioengenharia e Adam Larson, um pesquisador de pós-doutorado em bioengenharia.

Partes da tecnologia descrita aqui fazem parte de uma patente norte-americana pendente.

Financiamento fornecido por bolsas Bio-X Bowes e SIGF, a National Science Foundation, a Gordon and Betty Moore Foundation, o HHMI Faculty Fellows Program.

 

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