1. Introdução

A teoria da evolução inclui uma série de ideias que algumas pessoas encontram difíceis de aceitar intuitivamente. Uma das mais difíceis parece ser a noção de que as estruturas intrincadas e interdependentes que observamos em plantas e animais modernos surgiram através de mutações genéticas aleatórias selecionadas ao longo do tempo. Para algumas pessoas, é muito mais fácil acreditar que as características belas e funcionais do olho humano, por exemplo, foram projetadas por um criador inteligente do que imaginar como elas poderiam ter sido geradas através de eventos aleatórios. Criacionistas aproveitam essa dificuldade conceitual, apresentando vários argumentos que parecem demonstrar que mecanismos aleatórios nunca poderiam levar nem mesmo a uma única proteína funcional, muito menos a um olho. Esses argumentos podem ser refutados por contra-argumentos teóricos; no entanto, muitas pessoas têm dificuldade em aceitar esses contra-argumentos em um nível intuitivo. O que poderia ser persuasivo seria um exemplo claro em organismos vivos que mostre como a mutação aleatória mais a seleção podem levar a uma "aptidão" melhorada. Há algum tempo, percebi que exatamente tal exemplo foi fornecido por experimentos relacionados à minha própria pesquisa de laboratório, que concerne aos genes que codificam as proteínas do sistema imunológico conhecidas como anticorpos. Como os genes de anticorpos não são bem conhecidos pelo público em geral, decidi escrever este artigo na esperança de que possa ser útil para leitores perplexos pelos argumentos criacionistas.

1.1 A visão criacionista da mutação aleatória e seleção

Antes de discutir os genes de anticorpos, é digno de consideração o que os criacionistas dizem sobre aleatoriedade versus design. Vamos focar em três argumentos favoritos dos criacionistas que parecem persuasivos porque contêm alguns elementos verdadeiros e alguma lógica válida.

1.1.1 Mutações como prejudiciais

Primeiro, os criacionistas proclamam que as mutações são prejudiciais. De acordo com os criacionistas, se você pegar uma máquina biológica complexa bem funcionando e submetê-la a alterações aleatórias, dificilmente você poderia esperar ter feito melhorias e quase certamente terá prejudicado o organismo. Os criacionistas apontam que todas as mutações clássicas observadas em humanos são deletérias, causando doenças genéticas como anemia falciforme, distrofia muscular, fibrose cística e síndromes de câncer. Nenhum exemplo claro de uma mutação humana benéfica foi descrito. Para explicar mudanças adaptativas em populações -- como o famoso escurecimento da população de mariposas do bicho-da-seda (que ocorreu quando as árvores escurecidas pela fuligem resultante da indústria pesada tornaram as mariposas de cor clara alvos mais fáceis para pássaros famintos) -- os criacionistas argumentam que os genes variantes para cor escura e clara estavam presentes na população original, projetados por um criador para permitir que as mariposas vivam em ambientes variados; nesta visão, a mudança em direção à coloração mais escura na população de mariposas resultou de mudanças nas frequências de genes existentes projetados, sem exigir novas mutações aleatórias. De acordo com os criacionistas, a relação essencial entre seleção natural e mutações é que a seleção age de forma conservadora para eliminar indivíduos com mutações e impedir a propagação de mutações em uma população.

1.1.2 Teoria da informação

Vários argumentos formais foram apresentados no sentido de que mutações aleatórias não podem aumentar o conteúdo de informação de um sistema. Como o conteúdo de informação do genoma humano é muito maior do que o de bactérias, se a mutação não pode desempenhar um papel nesse aumento, então a base da evolução por mutação e seleção natural parece estar em questão.

1.1.3 Argumento estatístico

Um argumento final apresentado por criacionistas contra o papel da mutação aleatória nas origens biológicas é um cálculo estatístico que supostamente prova a impossibilidade de uma origem evolutiva das proteínas. Uma proteína é uma grande molécula biológica construída de subunidades menores, conhecidas como aminoácidos, que se ligam entre si em uma cadeia linear e depois se dobram em uma estrutura tridimensional precisa. Existem vinte tipos diferentes de aminoácidos nas proteínas, e a sequência específica desses aminoácidos determina a forma final e as propriedades de uma dada proteína. Uma proteína típica é composta por cem ou mais aminoácidos em uma ordem estritamente definida. Os criacionistas perguntam: qual é a probabilidade de que a sequência correta de aminoácidos de uma proteína específica — por exemplo, os 141 aminoácidos da proteína humana transportadora de oxigênio chamada globina — tenha sido selecionada por acaso? O número total de sequências de aminoácidos possíveis com 141 posições é 20¹⁴¹, um número tão incompreensivelmente enorme que a probabilidade estatística da sequência real de globina aparecer de uma seleção aleatória de aminoácidos é negligenciavelmente pequena. Em uma comparação pitoresca, os criacionistas gostam de comparar a probabilidade de montar corretamente uma sequência de proteína por este modelo de seleção aleatória à probabilidade de que um tornado passando por um depósito de sucata pudesse montar um avião comercial 747.

1.2 Refutação dos argumentos dos criacionistas

1.2.1 Todas as mutações são prejudiciais?

Embora seja verdade que a maioria das mutações é prejudicial, como sugerido pelos criacionistas, ou neutra, os criacionistas omitem um fato crucial: mutações benéficas ocorrem, embora sejam muito raras. Uma mutação benéfica que ocorre em um milhão de indivíduos pode realmente contribuir para a evolução? Sim, pode, já que uma mutação benéfica rara pode conferir uma vantagem de sobrevivência ou reprodutiva aos indivíduos que a carregam, levando, assim, ao longo de várias gerações, à disseminação dessa mutação em toda uma população. Mutações benéficas ocorrendo em vários indivíduos diferentes em vários genes diferentes podem se espalhar simultaneamente por uma população e podem ser seguidas por sucessivas rodadas de mutação adicional e seleção.

O fato de sabermos de muitas mutações humanas prejudiciais, mas essencialmente nenhuma clara benéfica, significa que não houve mutações benéficas na história humana? De modo algum, pois existe um viés claro no que os cientistas médicos estudaram. As mutações humanas sobre as quais sabemos mais são prejudiciais porque os cientistas médicos estudam preferencialmente doenças que causam morbidade e mortalidade significativas. Considere a possibilidade teórica de que uma mutação benéfica tenha ocorrido em um gene humano específico; mesmo que essa mutação fosse identificada por uma comparação do gene mutado em uma criança versus a versão não mutada do mesmo gene em ambos os pais, não há maneira de que essa mutação pudesse jamais ser reconhecida como benéfica. Se a mutação aumentasse a inteligência, a força, a longevidade ou a resistência a doenças específicas, isso nunca seria aparente sem experimentos de reprodução de longo prazo que, obviamente, nunca poderiam ser feitos em humanos. Portanto, como tais mutações benéficas em humanos nunca poderiam ser reconhecidas em humanos, nossa ignorância de exemplos não pode ser tomada como evidência de que elas não existem. No entanto, os experimentos necessários para demonstrar uma mutação benéfica podem ser feitos com organismos de laboratório que se multiplicam rapidamente, e de fato tais experimentos mostraram que mutações benéficas raras podem ocorrer. Por exemplo, a partir de uma única bactéria, pode-se cultivar uma população na presença de um antibiótico e demonstrar que os organismos que sobrevivem a essa cultura possuem mutações em genes que conferem resistência ao antibiótico. Neste caso (em contraste com a situação das populações de mariposas do bicho-da-seda descritas acima), a origem da população a partir de uma única bactéria permite comparações dos genes mutados com os genes correspondentes da bactéria original, verificando que as sequências variantes não estavam presentes antes da cultura com antibióticos e, portanto, surgiram como mutações benéficas de novo.

1.2.2 Argumentos da teoria da informação

Embora uma consideração matemática detalhada da teoria da informação esteja além do escopo deste artigo, nenhum dos argumentos criacionistas baseados na teoria da informação que eu conheça aborda adequadamente o aumento óbvio de informação que pode ocorrer quando um gene se duplica e as duas cópias sofrem mutações independentes, resultando em dois genes com funções ligeiramente diferentes. A duplicação de genes, mutação e seleção são todos conhecidos por ocorrerem devido a processos bioquímicos naturais em uma variedade de organismos estudados em laboratório. Muitas famílias gênicas são conhecidas, com membros que codificam proteínas com estrutura relacionada e função relacionada, mas distinta. Cada família pode ser explicada por múltiplas duplicações gênicas seguidas de mutação aleatória e diferenciação das funções das cópias individuais do gene. Claramente, a expansão de um único gene primordial para uma grande família de genes com funções distintas representa um aumento na informação genética.

Um exemplo que já mencionei em outra postagem no Arquivo TalkOrigins é a família hemoglobina/mioglobina. Acredita-se que o gene para uma proteína primordial transportadora de oxigênio tenha se duplicado, resultando em genes separados que codificam a mioglobina (a proteína transportadora de oxigênio do músculo) e a hemoglobina (a proteína transportadora de oxigênio das células vermelhas do sangue). Em seguida, o gene da hemoglobina duplicou-se e as cópias diferenciaram-se nas formas conhecidas como alfa e beta. Posteriormente, tanto o gene da hemoglobina alfa quanto o da hemoglobina beta duplicaram-se várias vezes, produzindo um conjunto de sequências relacionadas à hemoglobina-alfa e um conjunto de sequências relacionadas à hemoglobina-beta. Os conjuntos incluem genes funcionais que são ligeiramente diferentes, que são expressos em momentos diferentes durante o desenvolvimento do embrião ao adulto e que codificam proteínas especificamente adaptadas a esses períodos de desenvolvimento. Outros exemplos de famílias gênicas que parecem ter se desenvolvido por tal duplicação e diferenciação incluem a superfamília das imunoglobulinas (compreendendo uma grande variedade de proteínas de superfície celular), a família de proteínas com domínio de transmembrana de sete (incluindo receptores para luz, odores, quimiocinas e neurotransmissores), a família de proteínas G (alguns membros das quais transmitem os sinais das proteínas da família de domínio de transmembrana de sete), a família de serina proteases (proteínas digestivas e de coagulação sanguínea) e a família homeobox (proteínas críticas no desenvolvimento). Uma grande parte do aumento de informação em nossos genomas em comparação com os de organismos "inferiores" aparentemente resulta de tal duplicação gênica seguida pela evolução independente e diferenciação de cópias duplicadas em múltiplos genes com função distinta. Se uma análise baseada na teoria da informação afirma que a mutação aleatória não pode levar a um aumento de informação, mas a análise ignora a duplicação gênica e a diferenciação através de mutações independentes, tal análise é irrelevante como modelo para a evolução gênica, independentemente de sua sofisticação matemática.

1.2.3 Impossibilidade estatística de proteínas?

E quanto ao argumento sobre a improbabilidade estatística de obter uma sequência específica de 141 aminoácidos procurando pela sequência correta entre sequências geradas aleatoriamente? Certamente, esse mecanismo não poderia explicar a origem de sequências de proteínas, mas a sugestão criacionista de que esse mecanismo faz parte da teoria da evolução é falsa; trata-se de um "homem de palha" -- uma caricatura criacionista falsa da evolução -- usada repetidamente por criacionistas para enganar públicos ingênuos, fazendo-os pensar que a evolução é ilógica. É falsa porque exige uma sequência específica em UMA ÚNICA etapa de seleção a partir de um conjunto de sequências aleatórias, enquanto o modelo evolutivo real para a origem de sequências de proteínas envolve MÚLTIPLOS CICLOS DE MUTAÇÃO ALEATÓRIA seguidos por MÚLTIPLOS passos de seleção, conforme detalhado acima.

Em uma bela discussão sobre a distinção entre esses dois modelos, o biólogo britânico Richard Dawkins (The Blind Watchmaker, Nova York, 1986) simulou a caricatura de palhaço dos criacionistas em um computador. Ele programou o computador para gerar sequências aleatórias para ver se ele jamais geraria uma linha de Hamlet: "Methinks it is a weasel." Esta linha tem 28 caracteres (incluindo espaços), então o computador foi programado para fazer 28 seleções dos 27 caracteres possíveis (26 letras mais espaço). Uma saída típica era

MWR SWTNUXMLCDLEUBXTQHNZVJQF

Como existem 27²⁸ maneiras diferentes possíveis de escolher entre 27 alternativas 28 vezes, pode-se calcular a probabilidade de escolher a sequência correta e, com base na velocidade do computador, estimar quanto tempo, em média, seria necessário esperar para que a sequência correta fosse impressa. Dawkins calculou um milhão de milhão de milhão de milhão de milhão de anos. Se essa fosse a melhor maneira de conceituar a evolução das proteínas -- por seleção em uma ÚNICA etapa a partir de sequências aleatórias -- poder-se-ia concluir, junto com os criacionistas, que uma sequência de proteínas não poderia ter evoluído. Mas o modelo de seleção em uma única etapa dos criacionistas é claramente um "homem de palha" projetado para ridicularizar o conceito de aleatoriedade como um componente da evolução. O modelo real dos evolucionistas é que as sequências modernas de aminoácidos evoluíram por etapas sucessivas nas quais mutações aleatórias de sequências pré-existentes foram submetidas à seleção; qualquer mutante raro que proporcionasse uma função mais eficiente foi propagado para as gerações futuras, nas quais o processo de mutação e seleção foi repetido inúmeras vezes. Quando Dawkins encerrou seu programa de computador simulando o "homem de palha" da "versão criacionista" da evolução e reescreveu um programa que mais se aproximava da "versão evolucionista" da evolução, os resultados da simulação foram bastante diferentes. Dawkins programou o computador para gerar uma sequência inicial aleatoriamente, como no primeiro modelo, e o computador produziu:

WSLMNLT DTJBKWIRZRESLMQCO P

Em seguida, seguindo o programa revisado de Dawkins, o computador fez cópias múltiplas (prole) dessa sequência, enquanto introduzia erros aleatórios (mutações) nas cópias. O computador examinou toda a prole mutada e selecionou aquela que apresentava maior semelhança (por menor que fosse) com a linha de Hamlet. Essa sequência selecionada foi usada como base para outra geração de prole com novas mutações, da qual novamente foi selecionada a melhor cópia — e assim por diante. Em dez gerações, a sequência havia "evoluído" para

MDLDMNLS ITJISWHRQREZ MECS P

Em trinta gerações, era:

METAS É COMO B WECSEL

Em vez de levar milhões de anos, o computador gerou METHINKS IT IS LIKE A WEASEL em cerca de meia hora, na geração 43. Assim, um modelo cumulativo de múltiplos passos não é de todo implausível como modelo para a evolução, dado tanto um mecanismo para replicar cópias imperfeitas quanto uma forte pressão seletiva. (O mecanismo de replicação é, é claro, um grande "dado"; como tal mecanismo poderia ter se desenvolvido é uma questão separada concernente à origem da vida e não à sua evolução, e não é o assunto deste artigo.) A importância da simulação de Dawkins é que ela destaca o erro de todos os argumentos criacionistas contra a improbabilidade estatística da evolução, ao mostrar que a escolha dos criacionistas entre um modelo de único passo versus um modelo cumulativo de múltiplos passos cria uma estimativa falsamente baixa do potencial para derivar uma sequência particular via mutação aleatória e seleção. Embora tanto o modelo de único passo quanto o modelo cumulativo de múltiplos passos envolvam sequências aleatórias e seleção, as consequências previstas dos dois modelos são muito diferentes. Os criacionistas ignoram essa diferença e discutem intencionalmente apenas o modelo que lhes dá o resultado que desejam, mesmo que este modelo corresponda menos bem à teoria da evolução.

O criacionista Duane Gish ridicularizou o modelo computacional de Dawkins com a crítica de que a última linha de Hamlet foi alcançada apenas através de um programa projetado inteligentemente executado em um computador complexo projetado inteligentemente; a necessidade de design inteligente para alcançar uma sequência complexa é, diz Gish, exatamente o que os criacionistas têm alegado desde o início. (Veja também esta página da web.) Em debates entre criacionismo e evolução, este argumento é uma manobra criacionista eficaz, já que o público geralmente não consegue perceber a falácia rapidamente o suficiente antes que o debate passe para outros tópicos. Ao refletir, no entanto, fica claro que o argumento de Gish é falso porque confunde a necessidade de design inteligente para realizar a simulação (uma necessidade que ninguém nega) com a necessidade de design no que está sendo simulado; e é esta última a questão em questão. Para tornar esta distinção clara, considere o seguinte exemplo. Suponha que um modelo computacional de condições meteorológicas seja capaz de prever uma tempestade de chuva; ninguém razoavelmente negará que o computador e o software de simulação meteorológica foram projetados inteligentemente, mas isso não implica que a própria tempestade tenha sido criada por um projetista. O programa computacional projetado é apenas uma ferramenta analítica para estudar o processo natural, e a necessidade de inteligência para a análise não diz nada sobre a necessidade de inteligência no processo natural. Da mesma forma, o design inteligente que foi aplicado ao computador e ao programa de simulação de Dawkins não implica de forma alguma que os processos sendo simulados — mutação aleatória e seleção — requeiram design inteligente. (Para uma discussão de outras críticas à simulação de Dawkins, veja a caixa acima.)

2. Genes de Anticorpos

Apesar da falácia lógica na rejeição dos criacionistas à simulação de Dawkins, o apelo sedutor deste argumento levou-me a pensar que poderia ser mais claramente refutado se se pudesse citar um exemplo biológico em que -- sem a intervenção de qualquer designer inteligente -- sucessivas rodadas de mutação e seleção pudessem ser inequivocamente demonstradas como levando a um aumento da aptidão dentro dos organismos vivos. Como acontece, a minha própria investigação laboratorial na área dos genes de anticorpos tornou-me familiar com experiências que mostram exatamente tal exemplo biológico. Este exemplo -- mutação somática e seleção de genes de anticorpos -- deve tornar muito difícil para os criacionistas continuar a insistir que as mutações aleatórias são sempre prejudiciais e não podem levar a uma função melhorada num sistema biológico real. Para apreciar a beleza da evolução mutacional dos genes de anticorpos, é necessário compreender como pano de fundo o profundo mistério que este sistema representava antes que a tecnologia de ADN recombinante tornasse possível investigar diretamente os genes de anticorpos, começando no final dos anos 1970. (A discussão que se segue pode conter mais informações do que você jamais quisesse saber sobre genes de anticorpos, mas este material é necessário para realmente compreender a biologia do modelo evolutivo que descreverei. Para aqueles leitores que desejam pular esta parte introdutória, o cerne do argumento encontra-se nas secções 4 e 5.)

É de conhecimento comum que uma criança que contrai sarampo e depois se recupera fica imune a novos ataques por este vírus. De fato, a imunidade a esta ou outras doenças pode ser gerada na ausência da doença se forem administradas diversas formas enfraquecidas de vírus, bactérias e toxinas bacterianas como vacinas. A proteção que resulta de tais vacinas não se deve a um fortalecimento geral das defesas do corpo, mas sim é altamente específica; a inoculação com uma vacina baseada em uma cepa particular de bactéria ou vírus protege contra esse agente, mas frequentemente não protege contra infecções por cepas mesmo muito relacionadas. Além disso, experimentos do século passado demonstraram que, em muitos casos, a imunidade depende de proteínas específicas que estão presentes no sangue após a vacinação. Essas proteínas, chamadas anticorpos (ou imunoglobulinas), podem se ligar especificamente a moléculas do material estranho (ou antígeno) na vacina. A ligação do anticorpo ao antígeno pode matar bactérias invasoras, neutralizar vírus invasores ou toxinas e direcionar todos esses materiais estranhos para destruição por células brancas do sangue "comedoras de lixo". Os anticorpos são secretados na corrente sanguínea por outro tipo de célula branca do sangue chamada linfócito B.

Se se coletam amostras de sangue de um animal em diferentes momentos antes e após a imunização por injeção de um antígeno, geralmente observa-se que antes da imunização o sangue não contém quantidades significativas de anticorpo específico para o antígeno. Começando vários dias após a imunização, o anticorpo contra o antígeno injetado começa a aumentar no sangue, frequentemente atingindo o pico de uma a duas semanas após a imunização. Uma injeção subsequente do mesmo antígeno (um "reforço") produz uma resposta muito mais rápida, com quantidades maiores de anticorpo.

Uma característica importante da interação entre um anticorpo específico e seu antígeno é a firmeza da ligação entre essas duas moléculas; essa firmeza, que pode ser medida por experimentos, depende de quão bom é o ajuste entre os anticorpos e o antígeno, análogo ao ajuste de uma mão em um luva ou de uma chave em uma fechadura. Em geral, durante o curso de uma resposta imune, os anticorpos aumentam não apenas em número, mas também na firmeza com a qual se ligam ao antígeno — sua "afinidade". A afinidade frequentemente aumenta ainda mais em doses subsequentes de antígeno. Ao se ligarem mais firmemente ao antígeno, os anticorpos de alta afinidade são muito mais eficientes no cumprimento de suas tarefas protetoras.

Antes, constatou-se que os anticorpos são proteínas – isto é, são formados por aminoácidos cuja sequência determina suas propriedades, incluindo sua especificidade de ligação a antígenos. As informações que governam exatamente quais aminoácidos são utilizados para cada posição em qualquer sequência proteica estão armazenadas no gene desse proteína. Para cada gene, as informações de sequência são codificadas quimicamente na sequência de subunidades (conhecidas como nucleotídeos) na longa molécula linear de ácido desoxirribonucleico (DNA). (Uma discussão mais detalhada sobre a estrutura e função do DNA pode ser encontrada na seção 2.1 do meu artigo Plagiarized Errors and Molecular Genetics.)

3. Três mistérios

O reconhecimento de que nossos sistemas imunológicos são capazes de produzir -- precisamente quando necessário -- anticorpos altamente específicos contra um número imenso de antígenos bacterianos e virais levou a três mistérios profundos: (1) Como o corpo percebe exatamente quais genes de anticorpos precisam ser ativados para combater uma infecção específica, de modo que possa produzir apenas os anticorpos adequados? (2) Como nosso DNA armazena a imensa quantidade de informações necessária para codificar anticorpos específicos contra todos os invasores estrangeiros que podemos encontrar? Este mistério é agravado por estimativas aparentemente conflitantes de que um rato tem no máximo 100.000 genes, mas pode produzir mais de um milhão de anticorpos diferentes, cada um dos quais pareceria exigir seu próprio gene. (3) Como pode ser explicada a progressiva aumento da afinidade dos anticorpos durante uma resposta imunológica?

3.1 Resposta #1: Seleção Clonal

Uma resposta para a primeira pergunta foi sugerida por MacFarlane Burnet em uma hipótese conhecida como "teoria da seleção clonal." (Veja a Figura 1.) De acordo com este modelo, cada um dos milhões de linfócitos B circulando em estado de repouso no sangue de um animal tem o potencial de se tornar uma célula ativa secretora de anticorpos; mas cada linfócito B pode produzir apenas uma espécie de anticorpo, com uma sequência particular de aminoácidos e, portanto, uma especificidade particular de antígeno. Antes da imunização, cada linfócito B em repouso exibe em sua superfície uma forma ligada à membrana do anticorpo que será capaz de secretar se a célula for ativada. Quando um antígeno — por exemplo, o vírus da poliomielite — é injetado em um animal, ele circula entre os linfócitos no corpo. A vasta maioria dos linfócitos B em repouso expressa anticorpos de superfície que não podem se ligar à poliomielite; essas células não podem ser ativadas pelo vírus e, portanto, permanecem em estado de repouso e não secretam anticorpo. Mas o vírus se ligará aos raros linfócitos B exibindo anticorpos que podem se ligar à poliomielite. A ligação do vírus a essas células as coloca em ação: elas se proliferam, produzindo muitas células filhas — clones — todas capazes de produzir anticorpos que podem se ligar ao vírus. Em seguida, essas células filhas ativadas tornam-se fábricas minúsculas despejando grandes quantidades de anticorpo anti-poliomielite. Este mecanismo explica como cada antígeno pode desencadear a produção apenas daqueles anticorpos capazes de se ligar a ele. A teoria da seleção clonal foi verificada por meio de uma série de experimentos elegantes na década de 1960 (Ada & Nossal Scientific American 257;62, 1987).

3.2 Resposta #2: Diversidade através de montagem combinatória

A segunda questão – como as inúmeras especificidades antigênicas são codificadas no DNA do gene imunoglobulínico – foi resolvida pela análise de sequências de anticorpos homogêneos e seus genes. Esses estudos revelaram que cada molécula de anticorpo é composta por quatro cadeias proteicas (veja a Figura 2): duas proteínas grandes idênticas (cadeias pesadas) e duas cadeias leves menores idênticas. As sequências de aminoácidos dessas cadeias foram encontradas a possuir uma propriedade incomum: os primeiros cem ou poucos aminoácidos de cada cadeia formam um domínio que é diferente para praticamente todos os anticorpos que são sequenciados ("região variável" ou região V), enquanto o resto da sequência é idêntico para cada cadeia de anticorpo de uma classe particular ("região constante" ou região C). (Entre as cadeias leves e pesadas existem cerca de dez classes diferentes de cadeias de anticorpo, mas as distinções entre essas classes são irrelevantes para esta discussão.) Não surpreendentemente, os domínios variáveis estão envolvidos na ligação aos diversos antígenos possíveis. A segunda questão considerada acima pode então ser reformulada: como a diversidade de sequências de aminoácidos das regiões variáveis das proteínas de anticorpo pode ser codificada no DNA, e como as regiões constantes permanecem constantes diante dessa diversidade de regiões variáveis?

Essas questões geraram uma resposta verdadeiramente surpreendente, descrita de forma simplificada da seguinte maneira. Descobriu-se que o gene que codifica cada região variável de anticorpo é criado dentro de cada linfócito B por rearranjos de DNA que unem elementos separados em todas as células não linfoides do corpo (Tonegawa, Nature 302:575, 1983; veja o Figura 2, painéis do meio e inferior). Assim, os linfócitos são uma exceção à regra geral de que todas as células do corpo possuem a mesma sequência de DNA. Um gene de região variável da cadeia pesada é formado pela montagem de três elementos — conhecidos como VH, D e JH — e a região variável da cadeia leve comparável é composta por dois elementos: VL e JL. Esses cinco tipos de elementos são frequentemente referidos como elementos "germinativos", pois estão separados no DNA das células germinativas (óvulo e espermatozoide). Cada linfócito B humano pode escolher, no estilo de um menu chinês, um VH (de cerca de 50), um DH (de 23), um JH (de 6), um VL (de 57) e um JL (de 9); mas há apenas um gene para cada classe das regiões constantes, portanto esses domínios não variam para todos os anticorpos de uma dada classe. O número de combinações possíveis diferentes desses elementos germinativos é impressionantemente grande, mas o número de anticorpos possíveis é ainda maior porque ocorre variação de sequência adicional onde os elementos germinativos são unidos. O repertório do processo de montagem do gene variável — uma estimativa de 30 milhões de sequências de aminoácidos possíveis a partir de menos de 200 elementos genéticos separados — torna provável que, para a maioria dos antígenos estranhos, haverá um anticorpo na superfície de alguns linfócitos B que possa se ligar ao antígeno, talvez com baixa afinidade, mas suficiente para iniciar uma resposta imune. A elucidação dos rearranjos de DNA únicos que subjazem à geração de genes de anticorpos resolveu o segundo dos três mistérios da formação de anticorpos: como milhões de estruturas de anticorpos podem ser geradas em organismos que possuem apenas cerca de 100.000 genes. Por sua contribuição para a resolução deste problema, Susumu Tonegawa recebeu o Prêmio Nobel de 1987 em Fisiologia e Medicina.

3.3 Resposta #3: Evolução da afinidade

É ao considerar a terceira e última questão -- como a afinidade dos anticorpos aumenta durante uma resposta imune -- que chegamos à raison d'etre deste artigo, pois investigações demonstraram claramente que o mecanismo do aumento da afinidade que progressivamente melhora a eficiência da função dos anticorpos é a mutação aleatória e a seleção. As evidências provêm da análise de várias respostas imunes em linhagens consanguíneas de camundongos, que todas apresentam a mesma imagem geral (Wysocki et al. Proc Natl Acad Sci USA 83:1847, 1986; Griffiths et al. Nature 312:271, 1984). As respostas são analisadas determinando as estruturas dos genes dos anticorpos a partir de linfócitos B retirados antes e em diferentes momentos após a imunização com um antígeno (ver Figura 3). Antes da imunização e durante os primeiros dias após a imunização, quaisquer células que se ligam ao antígeno expressam sequências de genes de anticorpos derivadas de combinações não alteradas dos elementos germinativos descritos acima. Mas, começando após cerca de uma semana, as sequências mostram claramente evidências de mutação: muitas sequências são diferentes dos elementos germinativos dos quais foram construídas. Como os animais nestes experimentos são consanguíneos, todos os indivíduos são como gêmeos idênticos, nascendo com sequências de DNA idênticas em todos os seus genes. Em particular, as sequências dos seus elementos de genes da região variável germinativa são todas conhecidas, de modo que quaisquer sequências de imunoglobulinas que diferem dos genes germinativos correspondentes devem ser o resultado de mutações que ocorreram durante o desenvolvimento do linfócito B, ou seja, mutações somáticas.

Este processo de mutação somática possui várias propriedades interessantes. Ocorre apenas em linfócitos B e apenas quando essas células estão em uma determinada etapa de desenvolvimento e localização no "centro germinativo" dos tecidos linfoides (Jacob et al., Nature 354:389, 1991). O processo aumenta o nível normalmente baixo de mutação (devido a erros raros na cópia do DNA) em mais de mil vezes, e, portanto, tem sido denominado "hipermutação". As mutações ocorrem quase exclusivamente em genes de anticorpos, embora dados recentes sugiram que alguns outros genes que são especificamente expressos em linfócitos B do centro germinativo também podem ser afetados (Shen et al, Science 280:1750, 1998). Nos genes de anticorpos, as mutações são encontradas apenas na região de um gene de domínio variável montado, e não na região constante (Lebecque e Gearhart J Exp Med 172:1717, 1990) ou em genes de região variável não montados não expressos em um determinado linfócito B (Gorski et al., Science 220:1179, 1983). No entanto, além de seu agrupamento próximo aos genes de região variável montados, as mutações parecem ser aleatórias. Diferentes mutações ocorrem em diferentes células, sem um padrão claro nas mudanças de nucleotídeos. Embora alguns "pontos quentes" tenham sido notados, ou seja, regiões curtas que mostram mutações acima da média (Levy et al. J Exp Med 168:475, 1988), a maioria das mutações está espalhada ao redor do gene de região variável alvo. Algumas mutações não alteram o aminoácido codificado no gene; de fato, algumas caem completamente fora da região codificante do gene em "spacer" de DNA próximo, onde não podem ter nenhum efeito no anticorpo produzido pela célula. Os cientistas foram capazes de isolar e sequenciar genes de anticorpos mutados de um único animal (Clarke et al., J Exp Med 161:687, 1985), ou mesmo de linfócitos individuais isolados de um único centro germinativo (Kuppers et al, EMBO J 12:4955, 1993). Com essas informações, é possível construir uma árvore genealógica de sequências de anticorpos -- muito semelhante aos diagramas de divergência de espécies que ilustram genealogias evolutivas -- assumindo que a prole de um determinado linfócito B passou por várias rodadas sucessivas de mutação (ver Figura 3, direita). Portanto, mutações idênticas aparecendo em várias sequências independentes refletem eventos mutacionais que ocorreram cedo no processo de hipermutação em uma célula ancestral, enquanto mutações únicas para uma sequência devem ter ocorrido nas gerações posteriores dessa célula. Os anticorpos mutados isolados tardiamente em uma resposta imune geralmente mostram maior afinidade de ligação para o antígeno. Em alguns casos, os efeitos funcionais de mutações individuais foram analisados por meio da engenharia de anticorpos com diferentes subconjuntos das mutações observadas em um anticorpo de alta afinidade. Ao comparar as afinidades desses anticorpos engenheirados, os cientistas podem deduzir quais mutações contribuíram para o aumento da afinidade e quais foram incidentais.

4. Evolução de sequências de anticorpos

O modelo deduzido a partir dessas descobertas fornece um exemplo biológico inequívoco do poder das mutações aleatórias e da seleção. (O modelo atual, conforme compreendido pelos imunologistas moleculares, é ligeiramente mais complexo do que o descrito abaixo, mas não difere em nenhuma característica relevante para a lógica deste ensaio.) Quando o antígeno entra no corpo, ele desencadeia a multiplicação e a secreção de anticorpos por um pequeno número de linfócitos B — nomeadamente aqueles cujo anticorpo de superfície pode se ligar ao antígeno. Essas sequências iniciais de anticorpos respondem são formadas por elementos de genes germinais montados em forma não mutada e frequentemente possuem baixa afinidade. Além disso, esses anticorpos não foram "projetados" para se ligar ao antígeno; eram proteínas que, por acaso, já existiam no corpo antes de qualquer exposição ao novo desafio com antígeno. À medida que a resposta imune continua, as células B ativadas pelo antígeno deslocam-se para os centros germinativos. A hipermutação começa e inicia a geração de anticorpos com estruturas alteradas. O mecanismo de hipermutação age aleatoriamente e independentemente nas diferentes células progenitoras clonais, introduzindo alterações essencialmente aleatórias na sequência do anticorpo em cada célula. A maioria das células que passam por hipermutação acaba produzindo anticorpos com afinidade inalterada ou reduzida para o antígeno; essas últimas células não seriam mais ativadas pelo antígeno. No entanto, mutações raras levam a anticorpos com maior afinidade para o antígeno. À medida que os anticorpos existentes ajudam a remover progressivamente mais antígeno da circulação e a concentração de antígeno diminui, a seleção por alta afinidade torna-se o fator crucial na determinação de quais células serão estimuladas pelo antígeno. Com menores quantidades de antígeno presentes, as células que expressam anticorpos de baixa afinidade em sua superfície tornam-se progressivamente menos capazes de se ligar e serem estimuladas pelo antígeno; no ambiente do centro germinativo, essas células B mal estimuladas são programadas para morrer por um processo específico conhecido como "apoptose." (Choe et al, J Immunol 157:1006,1996) Em contraste, as células com anticorpos de alta afinidade continuam a se ligar ao antígeno e, portanto, continuam a ser estimuladas a proliferar e secretar anticorpos. À medida que a concentração de antígeno diminui progressivamente enquanto a mutação e a seleção continuam, a intensidade da pressão seletiva por alta afinidade aumenta. Ciclos repetidos de mutação e seleção podem levar a níveis de afinidade 100 vezes superiores aos do anticorpo original não mutado. A "competição" pela ligação eficiente ao antígeno tem sido demonstrada ser a força seletiva que impulsiona o aumento da afinidade do anticorpo, pois se o antígeno for administrado repetidamente para impedir a queda no nível de antígeno e, assim, eliminar a pressão seletiva por ligação eficiente ao antígeno, a afinidade do anticorpo não aumenta (Eisen e Siskind, Biochemistry 3:996, 1964). Além disso, quando a pressão seletiva foi experimentalmente removida ao criar camundongos com capacidade prejudicada para morte programada por apoptose, muitas células B foram encontradas que produzem anticorpos mutados com baixa afinidade (Takahashi et al. J Exp Med. 190:39, 1999).

No final do curso de uma resposta imune, conforme o antígeno é completamente eliminado da corrente sanguínea, a quantidade de anticorpo secretado diminui gradualmente e a resposta imune termina; mas um subconjunto do último grupo de células altamente eficientes persiste como uma população quiescente conhecida como "células de memória", prontas para responder com secreção rápida de anticorpo de alta afinidade caso sejam ativadas por outro encontro com o mesmo antígeno no futuro.

5. Conclusão

Claramente, o que observamos na resposta de anticorpos é a evolução em miniatura. Neste modelo, podemos aprender a estrutura de cada gene de anticorpo no início do experimento, antes do desafio com o antígeno, e observar a acumulação de mutações induzidas aleatoriamente sob seleção natural para uma função progressivamente melhorada. Este modelo de evolução é semelhante à simulação computacional discutida anteriormente, mas possui três vantagens como exemplo persuasivo. Primeiro, é um fenômeno biológico natural, em vez de uma simulação teórica projetada. Segundo, a sequência inicial não mutada é selecionada por sua capacidade de se ligar à molécula de antígeno, portanto, claramente possui alguma função (que deve ser "não projetada", já que o antígeno pode ser um produto químico sintético novo nunca encontrado na natureza). Em contraste, críticos do modelo da coruja de Dawkins argumentam que é irrazoável assumir que a sequência inicial aleatória escolhida pelo computador poderia ter qualquer função. Terceiro e finalmente, como na evolução filogenética real, a pressão seletiva é para função biológica, e não para uma sequência-alvo específica escolhida por um "criador" inteligente. Assim, os diferentes conjuntos de mutações observados em diferentes anticorpos de alta afinidade que se ligam ao mesmo antígeno representam soluções alternativas para um desafio seletivo particular, assim como diferentes sequências de globina em diferentes espécies representam soluções alternativas para a necessidade de uma proteína transportadora de oxigênio.

Obviamente, existem diferenças entre este tipo de evolução de anticorpos e a evolução filogenética que produziu a diversidade de plantas e animais que encontramos em nosso planeta. Mas nenhuma dessas diferenças enfraquece criticamente a lógica da analogia entre estes dois tipos de evolução como exemplos de mutação aleatória e seleção. Ambos envolvem sequências alteradas por mutações aleatórias, incluindo alterações raras e benéficas que "tomam conta" da população devido à sua maior eficiência em se proliferar sob pressão seletiva; em seguida, esses mutantes são eles próprios "tomados" por mutações posteriores, levando a estruturas progressivamente mais eficientes.

Assim, as evidências de imunogenética molecular sobre a evolução de anticorpos que descrevi tornam claro que, contrariamente às alegações dos criacionistas, a combinação de mutação aleatória e seleção PODE ser um potente motor criativo biológico para a geração de melhorias funcionais progressivas. Esta evidência por si só não prova que a vida evoluiu como Darwin sugeriu, mas destaca a infundação de outra objeção criacionista inválida, embora superficialmente atraente, à evolução: a falsa ideia de que a mutação aleatória é um processo uniformemente deletério que nunca poderia ser a fonte de função biológica melhorada. E, para pessoas que podem apreciar a incrível complexidade da vida como algo maravilhoso, a história da geração da diversidade de anticorpos revela, no sistema imunológico, outro exemplo de um sistema não projetado, mas que funciona de forma bela.

6. Respostas criacionistas

A evolução da afinidade dos genes de anticorpos por mutação e seleção natural não tem sido amplamente citada para contrapor a alegação criacionista de que as mutações nunca podem levar a uma aptidão melhorada. No entanto, apresentei este argumento em vários debates com o porta-voz criacionista Duane Gish do Instituto de Pesquisa Criacionista, que obteve um Ph.D. em bioquímica. Abaixo, considero as duas objeções levantadas pelo Dr. Gish ao argumento da evolução dos anticorpos.

6.1 A evolução de anticorpos mutados seria muito lenta.

Como descrito abaixo, Gish rejeitou a ideia de mutação somática de genes de anticorpos, afirmando em um debate público comigo que "uma pessoa doente morreria" antes que anticorpos mutados de alta afinidade pudessem evoluir. Essa alegação revela a ignorância de Gish em relação à imunologia. Existem muitos mecanismos imunológicos além dos anticorpos específicos de antígeno que nos protegem nas fases iniciais da infecção, antes que os anticorpos de maior afinidade sejam produzidos. Estes incluem a imunidade mediada por células, bem como os mecanismos referidos como "inatos", "não-específicos" ou "não-adaptativos", que incluem efeitos da proteína C-reativa, proteína ligadora de maltose, NRAMP-1, ativação de macrófagos induzida por citocinas, peptídeos como magaininas e defensinas, etc. Além disso, o "anticorpo natural", uma mistura de anticorpos presente no soro normal na ausência de uma imunização intencional, pode conferir alguma proteção contra certas infecções antes que uma mutação somática significativa possa ocorrer. De fato, pacientes que não produzem nenhum anticorpo como resultado de um defeito genético são capazes de lidar com alguns tipos de infecção sem grande dificuldade. Por todas essas razões, Gish está completamente errado em sua ideia de que a noção de mutação somática prevê que morreríamos de infecções triviais antes que anticorpos de alta afinidade evoluíssem.

6.2 Mutações poderiam produzir autoanticorpos

Em correspondência privada comigo após um dos nossos debates, Gish mencionou outro motivo pelo qual ele não acreditava no modelo de evolução de anticorpos por mutação/seleção: ele sentia que, se o modelo fosse verdadeiro, mutações aleatórias poderiam levar a um anticorpo capaz de se ligar às moléculas próprias do corpo, causando um ataque imunológico aos nossos próprios tecidos ou "autoimunidade". Certamente, doenças autoimunes existem; e em várias doenças autoimunes que foram estudadas, anticorpos mutados parecem de fato desempenhar um papel patogênico. No entanto, a mutação somática não causa rotineiramente essas doenças porque o sistema imunológico possui vários mecanismos complexos que impedem respostas autoimunes. Estes mecanismos protetores são conhecidos genericamente como "tolerância" e incluem deleção clonal, edição de receptores, anergia, células veto e células supressoras, embora ainda não tenhamos uma compreensão completa da tolerância. Doenças autoimunes podem ocorrer quando os mecanismos de tolerância falham de alguma forma e permitem a produção de anticorpos anti-próprios, sejam gerados por mutação somática ou por recombinação de montagem gênica variável. Mas aparentemente, na maioria dos indivíduos, os mecanismos de tolerância são eficientes o suficiente para impedir que genes mutados que codificam autoanticorpos causem patologia; células que abrigam tais genes são inativadas, forçadas a alterar o gene de anticorpo expresso ou eliminadas. Devido à eficácia dos mecanismos de tolerância, os benefícios do aumento da afinidade de anticorpos alcançados pela mutação somática superam os riscos de autoimunidade.

6.3. O sistema de anticorpos mostra evidências de design

Em meu último debate com o Dr. Gish, ele alegou que o modelo de mutação de anticorpos que descrevi é tão complexo que argumenta a favor de um "designer" e, portanto, contra a evolução. Esta alegação de complexidade é uma evasão que desvia meu argumento em vez de refutá-lo. Se o sistema de anticorpos requer mecanismos complexos que parecem "desenhados" é totalmente irrelevante para o fato de que a melhoria na afinidade de anticorpos deriva de mutações aleatórias. Independentemente da complexidade do sistema de seleção, os criacionistas alegam que as mutações aleatórias são prejudiciais e que, de acordo com os princípios da teoria da informação, uma "aptidão" melhorada não pode derivar de mutações aleatórias. O exemplo dos anticorpos refuta suas alegações; e isso é tudo que eu estava tentando mostrar em meu ensaio.

Além disso, a noção de que a complexidade nos organismos vivos implica um "projetista" simplesmente foge à questão em debate. Certamente, temos nos organismos vivos evidências de mecanismos astutamente complexos que desempenham funções adaptativas complexas e que, em alguns aspectos, se assemelham a mecanismos projetados por humanos inteligentes. Mas os evolucionistas acreditam que essa semelhança é enganosa; eles hipotetizam que adaptações astutamente complexas podem surgir de organismos simples por meio de mecanismos evolutivos, sem design inteligente. Portanto, a complexidade não implica um "projetista", a menos que se fuja à questão ao excluir a priori a explicação evolutiva para a complexidade.

6.4 Um pós-scripto sobre os padrões de erudição científica dos criacionistas

Nos meus debates com o Dr. Gish, enfatizei minha visão de que a "ciência criacionista" é, na verdade, pseudociência, e que a incapacidade de seus defensores de apresentar seus argumentos na literatura científica revisada por pares revela que o nível de sua erudição está à altura de adivinhos, entusiastas de OVNI e crentes em uma "Terra Chata". Qualquer sucesso que os criacionistas tenham tido em promover a "ciência criacionista" depende de apresentar seu caso a audiências ingênuas, não treinadas em ciência, que possuem um conhecimento de fundo insuficiente para reconhecer a lógica falsa e as alegações falsas nas quais o criacionismo se baseia. Gish sempre rebate que os criacionistas são excelentes cientistas cujo trabalho não é escolhido para publicação em revistas científicas mainstream apenas devido ao preconceito dos editores e revisores das revistas contra os criacionistas. Mas nos debates, aponto numerosos exemplos de má erudição por parte dos criacionistas que explicam completamente por que seus esforços não atendem aos padrões de excelência para publicação científica. As tentativas de Gish de refutar o modelo de evolução de anticorpos apresentaram um exemplo revelador de sua própria erudição científica.

Quando confrontado com o argumento sobre a evolução da afinidade de anticorpos em vários dos nossos debates, Gish simplesmente negou que a mutação somática de genes de anticorpos ocorra. Ele alegou que a ideia é controversa e que ficou surpreso por eu acreditar nela. Em sua própria relato de um debate anterior, Gish escreve: "Ele [Gish] declarou francamente que uma pessoa doente morreria muito antes que mutações aleatórias por acaso pudessem produzir os anticorpos necessários para combater uma infecção, e que o corpo tem um mecanismo para sintetizar anticorpos precisamente projetados para protegê-lo." O relato de Gish sobre o debate omite o que aconteceu em seguida. Eu apontei que o estudo de genes de anticorpos era minha área de especialização científica, e que eu estava ciente de muitos experimentos descritos na literatura científica que forneciam abundante evidência para o fenômeno, mas eu não tinha conhecimento de nenhuma evidência contra ele. Eu desafiei Gish a explicar as falhas nesses experimentos publicados ou a citar um único estudo científico que os contradisse. Como eu esperava, Gish não pôde fazer nenhum dos dois; além disso, ele não pôde oferecer nenhum suporte para sua alegação de que a mutação somática é controversa. Em seguida, lamentei o fato de que o Dr. Gish pudesse alegar expertise em bioquímica e ainda negar um fenômeno tão importante e bem aceito que é ensinado a estudantes de primeiro ano de bioquímica; eu havia encontrado discussões sobre mutação de anticorpos em todos os cinco livros didáticos de bioquímica introdutórios que examinei em uma visita recente a uma livraria local. Gish respondeu que a questão dos genes de anticorpos era um mistério profundo e que qualquer um que o resolvesse ganharia o Prêmio Nobel. Em seguida, eu apontei que um Prêmio Nobel havia, de fato, sido concedido a Susumu Tonegawa vários anos atrás exatamente por essa conquista. Gish parecia ser ignorante não apenas sobre mutação somática mas também sobre a bioquímica básica dos genes de anticorpos que recebeu considerável publicidade em jornais, revistas e TV quando o prêmio de Tonegawa foi anunciado.

Como um cientista legítimo — aderindo aos padrões normais de erudição científica e honestidade — teria agido se confrontado com um argumento que não conhecia e que desafiava suas próprias visões? Na minha opinião, ele teria admitido sua ignorância sobre esse tópico e adiado o julgamento até poder examinar os detalhes da ciência; e após o debate, teria imediatamente verificado a literatura relacionada ao novo argumento para ver se suas próprias visões precisavam de correção. Em contraste, após o Dr. Gish ter ouvido de mim sobre a mutação somática de genes de anticorpos em um debate, e após negar que a mutação somática ocorresse, ele aparentemente falhou em investigar a literatura científica publicada sobre essa questão, pois fez o mesmo argumento falso em debates subsequentes. O Dr. Gish pareceu estar disposto a argumentar contra um especialista em um campo sobre o qual Gish sabia quase nada. Sinto que essa audaciosa charlatanice diante de um público ingênuo e confiável deixa claro o baixo padrão de erudição científica do porta-voz mais vocal da "ciência criacionista". E dado esse baixo padrão, não há necessidade de hipotetizar preconceito para explicar por que seus argumentos e os de outros criacionistas são rejeitados pela comunidade científica. Outros exemplos documentando o baixo nível da erudição científica de Gish podem ser encontrados nos seguintes endereços URL:

• http://www.talkorigins.org/faqs/homs/gishwadjak.html
• http://mypage.direct.ca/w/writer/gish.html
• http://www.talkorigins.org/faqs/cre-error.html

7. Atualizações futuras

Bem-vindas as respostas por e-mail dos leitores. Esta publicação será atualizada conforme necessário para acomodar tais respostas. De fato, várias dessas alterações já foram realizadas na versão atualmente publicada.

Um rascunho deste ensaio foi enviado ao Dr. Gish para comentários em março de 1999; ele respondeu que forneceria uma refutação, mas que estava muito ocupado para responder imediatamente. Até a data desta atualização, ele não respondeu. Se ele eventualmente fornecer uma refutação, esta postagem será atualizada para refletir sua resposta.