USP participa de estudo internacional sobre animais escavadores que inspiram novas tecnologias
Pesquisa tem a participação da Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto, reúne quatro países e pode revelar possíveis aplicações em robótica bioinspirada
O funcionamento do sistema musculoesquelético de animais que escavam utilizando a cabeça como principal ferramenta de locomoção ainda é um dos comportamentos menos compreendidos entre vertebrados. Para entender as adaptações morfológicas, biomecânicas e genéticas associadas a esse tipo de locomoção, foi criado um consórcio de pesquisadores do Brasil, Reino Unido, Bélgica e Dinamarca.
O estudo, Sistema musculoesquelético de animais escavadores que começam pela cabeça: uma abordagem interdisciplinar, tem como foco as anfisbenas, popularmente chamadas de cobras-de-duas-cabeças, vertebrados fossoriais, ou seja, animais que utilizam a cabeça para escavar e construir galerias subterrâneas.
A pesquisa pretende analisar como esses animais evoluíram ao se especializar no hábito fossorial, o que pode permitir explorar o desenvolvimento de tecnologias bioinspiradas [aquelas baseadas em soluções observadas na natureza], como robôs escavadores, por exemplo, além de identificar padrões genéticos associados ao desenvolvimento de estruturas corporais com relevância médica, como na engenharia de tecidos.
Os quatro laboratórios participantes investigam oito hipóteses utilizando abordagens que incluem caracterização morfológica e biomecânica do crânio, análises funcionais in vivo e genômicas, imagens em nanoescala, análises estruturais e químicas e estudos histológicos de tecidos moles e movimento.
No Brasil, a equipe é coordenada pela professora Tiana Kohlsdorf, do Laboratório de Evolução e Biologia Integrativa (Lebi) da Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto (FFCLRP) da USP. “Nossa equipe é responsável pela obtenção de dados utilizando animais vivos e pelo sequenciamento de genomas para avaliar padrões em genes expressos durante o desenvolvimento embrionário”, afirma a coordenadora.
Além do sequenciamento dos genomas de todas as espécies estudadas, a equipe liderada por Tiana também será responsável pela realização de testes de enterramento e mordida com indivíduos vivos de espécies distribuídas no Brasil e pela obtenção de imagens de tomografia computadorizada em material disponível em coleções herpetológicas [répteis e anfíbios] brasileiras”, diz.
Ela acrescenta que a Coleção Herpetológica de Ribeirão Preto (CHRP) abriga espécies utilizadas nas análises e que o Centro para Documentação da Biodiversidade (CDB), sediado na FFCLRP, fornece infraestrutura para obtenção de imagens compartilhadas no consórcio. “Grande parte das imagens compartilhadas dentro do consórcio internacional será obtida com material da CHRP utilizando os equipamentos do CDB”, diz.
A equipe do Lebi inclui o pós-doutorando Vinicius Anelli, responsável pelo estudo morfofuncional e pela obtenção e análise de dados biomecânicos e morfológicos, a doutoranda Laura Oliveira, dedicada à biologia do desenvolvimento do crânio, e estudantes de iniciação científica, além da previsão de um novo pós-doutorando para sequenciamento e anotação genômica.
A professora destaca ainda parcerias com outros grupos, como da própria FFCLRP, da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto (FMRP) e do Instituto Butantan, para obtenção de dados adicionais em diferentes escalas, ampliando a rede de colaboração.
As anfisbenas
Segundo Anelli, as anfisbenas apresentam adaptações associadas à vida subterrânea. “As anfisbenas são um grupo bastante diverso de répteis com escamas, que inclui mais de 200 espécies distribuídas por diversas regiões do mundo, e bastante abundantes no Brasil. O interessante é que esses animais são muito especializados em viver abaixo da superfície”, afirma.
O pesquisador explica que os corpos alongados e sem membros favorecem a locomoção subterrânea. “Os corpos extremamente alongados, sem braços e pernas, facilitam a locomoção debaixo do solo e a construção de galerias, nas quais desenvolvem a maior parte de suas atividades diárias”, diz.
Ele acrescenta que o nome popular decorre de características morfológicas e comportamentais. “São chamadas de cobras-de-duas-cabeças porque a ponta da cauda se assemelha à forma da cabeça e porque conseguem se deslocar tanto para frente quanto para trás”, afirma.
A escavação utilizando a cabeça impõe desafios científicos, diz Anelli. “O que acontece debaixo do solo é de difícil acesso para ser estudado por biólogos, e um dos grandes desafios com animais fossoriais é a observação de comportamento, estratégias locomotoras e fisiológicas”, explica.
O pesquisador destaca ainda a multifuncionalidade da cabeça. “Mudanças drásticas na estrutura do crânio associadas à perfuração de solos rígidos podem impactar elementos envolvidos em outras atividades, como captura de presas e processamento de alimentos”, observa.
Nova abordagem
Anelli afirma que o projeto integra níveis de organização biológica do sequenciamento genômico à medição de forças durante enterramento e mordida. “É uma abordagem completamente inédita para estudos com animais fossoriais e integra perguntas das ciências biológicas com técnicas típicas da engenharia, incluindo robótica e engenharia de materiais.”
A análise da interação entre tecidos duros e moles também é um dos eixos da investigação. “O movimento resulta da combinação entre ossos e outras estruturas, incluindo músculos, nervos e tegumento”, explica.
Nas anfisbenas, diz o pesquisador, a musculatura e a epiderme apresentam certo grau de independência mediada por tecido conjuntivo. “Ao observar uma anfisbena se locomovendo, podemos notar que ela primeiro projeta sua musculatura, e as escamas se movimentam logo em seguida, gerando um efeito de serpentina”, relata.
A integração entre ossos, músculos, tecido conjuntivo e escamas, dispostas em anéis ao redor do corpo, contribui para a capacidade escavadora do grupo. O projeto investiga a evolução dessas estratégias por meio de abordagem comparativa entre diferentes espécies e relações filogenéticas.
Desafios
Entre os desafios do projeto estão a coleta de espécimes e a simulação das condições subterrâneas ao longo dos três anos de duração do estudo. “As anfisbenas dificilmente são capturadas de forma abundante em um único evento de coleta, então precisamos estabelecer estrutura para coletar dados ao longo dos três anos do projeto sempre que tivermos acesso aos animais vivos. O acesso às diferentes escalas biológicas envolvendo equipes sediadas em quatro países diferentes também é um desafio.”
Ele menciona o empréstimo de uma plataforma de força por um colaborador do Museu de História Natural de Paris e destaca a necessidade de conscientização da população, já que anfisbenas são frequentemente mortas por serem confundidas com serpentes. “São animais inofensivos, mas muitas vezes chegam à coleção atropelados ou mortos”, diz.
Aplicações
O projeto também investiga aplicações tecnológicas. “Ao combinar informações dos ossos, musculatura e tegumento, da macro até a nanoescala, conseguimos avaliar como a forma e a função evoluíram durante processos de especialização no hábito fossorial”, afirma Anelli.
Segundo ele, essas informações têm potencial para desenvolvimento de tecnologias bioinspiradas e planejamento de robôs escavadores para exploração de solos inspirados nas propriedades identificadas nas anfisbenas, além da identificação de padrões genéticos associados ao desenvolvimento embrionário que podem fornecer pistas com relevância médica.
O professor Mehran Moazen, da University College London, Reino Unido, pesquisador principal e responsável pelas análises biomecânicas e de imagem, afirma que modelos computacionais e técnicas avançadas permitem avaliar a relação entre forma craniana e escavação. “Em macroescala, nossos modelos computacionais permitem simular diferentes cenários e avaliar se os formatos de cabeça estão otimizados em resposta a propriedades do solo e da areia. Em micro e nanoescala, técnicas avançadas de imagem investigam a correlação entre fibras de colágeno, arquitetura óssea e as cargas experimentadas durante a escavação.”
Segundo Moazen, a abordagem pode gerar contribuições para outras áreas. “Compreender a interação entre forças, tecidos moles e estruturas ósseas em diferentes escalas pode interessar à engenharia de tecidos e ao estudo de condições que afetam articulações cranianas. Além disso, o campo da robótica macia [que utiliza materiais flexíveis e deformáveis para imitar movimentos naturais] pode se beneficiar desse conhecimento, permitindo o desenvolvimento de pequenos robôs escavadores para aplicações biomédicas, de engenharia civil e combate a incêndios”, diz.
Matéria: Rose Talamone | Jornal da USP.