Quatro terabytes de dados por hora. Esse valor não vem de um supercomputador nem de um satélite: nasce de um par de microscópios que funciona sem parar, dia e noite, numa sala sem janelas em Berkeley, a filmar a vida íntima de células vivas.
As imagens são impressionantes. Só que nenhuma equipa de investigação consegue analisar tamanha quantidade de vídeo. Os cientistas de Berkeley sabem que os seus equipamentos ficaram “bons demais” - e por isso estão agora a construir algo novo para recuperar o atraso.
Muitos microscópios num só
O instrumento chama-se MOSAIC, sigla de Multimodal Optical Scope with Adaptive Imaging Correction. Numa única máquina, o MOSAIC reúne cerca de uma dúzia de estilos de microscopia, alternando entre modos com um simples toque num botão.
Srigokul “Gokul” Upadhyayula, professor auxiliar de biologia molecular e celular na University of California, Berkeley (UC Berkeley), liderou o desenho do sistema. Trabalhou em conjunto com Eric Betzig, professor de física e biologia celular em Berkeley.
Betzig recebeu o Prémio Nobel da Química em 2014 pela microscopia de fluorescência de super-resolução - uma técnica capaz de visualizar moléculas individuais no interior de células vivas.
Essa abordagem está agora integrada no MOSAIC, a par da microscopia lattice light-sheet, um método mais suave desenvolvido em trabalhos posteriores e que serve de espinha dorsal ao equipamento.
Entretanto, mais de uma dúzia de laboratórios, espalhados pelo mundo, já construiu as suas próprias versões com base em preprints e instruções detalhadas que a equipa de Berkeley tem partilhado há seis anos. O desenho já deixou de ser um protótipo.
Observar células em 5D
A maioria das imagens que vemos é plana: duas dimensões fixas num instante. Os dados que o MOSAIC gera a partir dos microscópios são de outra natureza. Betzig descreve-os como cinco dimensionais: três dimensões do espaço, mais o tempo, mais a cor.
A “cor” vem de marcadores fluorescentes que os investigadores ligam a estruturas celulares específicas. Ao assinalar as mitocôndrias com uma cor e as membranas com outra, ambas surgem em simultâneo no ecrã enquanto se deslocam, se dividem e interagem.
Uma única célula alberga cerca de 40 milhões de moléculas de proteínas pertencentes a aproximadamente 20.000 tipos. Analisá-las uma a uma é uma batalha perdida. O MOSAIC acompanha tantas em paralelo quantas a óptica permitir.
Eventos celulares raros revelados
Num dos ensaios, a equipa observou durante 24 horas uma placa de células renais de porco a crescer e a dividir-se, registando cerca de 1.5 milhões de instantâneos 3D de núcleos. A maioria das células comportou-se como os manuais descrevem. Algumas, porém, não.
Uma dessas células dividiu-se em três células-filhas em vez de duas - um fenómeno conhecido como mitose tripolar. Os investigadores já tinham relatado estas divisões invulgares, mas ninguém as tinha filmado com este nível de detalhe tridimensional.
Como o MOSAIC é pouco agressivo, a equipa conseguiu continuar a acompanhar as três células-filhas atípicas até que, por fim, morreram. Ao longo de milhares de células, a máquina identifica tanto os padrões habituais como os casos raros que fogem à regra.
Acompanhar a cicatrização em tempo real
Um vídeo particularmente marcante registou as primeiras 12 horas de uma larva de peixe-zebra a regenerar a barbatana caudal amputada. O animal manteve-se vivo durante todo o processo, e a aquisição foi suficientemente suave para que a cura prosseguisse de forma normal.
A revisão desse material demorou meses. Só depois se tornaram claros os pormenores: células junto à ferida a libertarem minúsculos “pacotes” de comunicação e fibras sob a pele a deslocarem-se à medida que o tecido era reconstruído.
As imagens também revelaram duas células de reparação a fundirem-se numa só. E, num dado momento, um glóbulo vermelho ficou temporariamente preso enquanto se formava um novo vaso.
Captar imagens no interior de um animal vivo só é possível se forem corrigidas as distorções provocadas pelo próprio tecido. Um estudo anterior mostrou como os cientistas podem ajustar a óptica em tempo real para manter a nitidez dentro de material turvo.
MOSAIC produz petabytes de imagens
Um único ensaio com o MOSAIC pode gerar entre 30 e 100 terabytes de dados, e o microscópio consegue recolher 4 terabytes numa hora. Ao longo de meses, o acumulado sobe para a escala dos petabytes - o equivalente a encher centenas de milhares de milhões de páginas.
Nenhum cérebro humano consegue processar informação em cinco dimensões. Mesmo um biólogo experiente, ao estudar um único filme de 12 horas, pode demorar meses a perceber exactamente o que está a ver.
O microscópio tornou-se bom demais. Em termos simples, é este o problema em que a equipa de Berkeley está agora a investir grande parte da sua energia para resolver.
É preciso IA para ajudar a ler as células
A ideia passa por treinar um modelo visão-linguagem - um sistema à semelhança do ChatGPT, mas centrado em filmes 3D de células em vez de texto. Assim, um investigador poderia perguntar quantas células imunitárias entraram numa ferida, e o sistema devolveria a resposta.
“Biology is entering an era in which the data are too complex and too large to interpret by human inspection alone,” afirmou Upadhyayula. O trabalho decorre no Advanced Bioimaging Center de Berkeley.
As ferramentas de IA actuais para imagem não foram pensadas para isto: tendem a lidar com imagens 2D planas, não com volumes 3D que mudam ao longo do tempo e em múltiplas cores. Por isso, Berkeley está a criar um novo tipo de sistema analítico em paralelo com o novo microscópio.
Microscópio MOSAIC e Observatório Celular
Sem um parceiro de IA, os microscópios MOSAIC geram dados que, em grande parte, ficam por interpretar. Com esse apoio, podem responder a perguntas que antes estavam fora do alcance - sobre células cancerígenas a sair de um tumor e sobre eventos de divisão para os quais não existia forma de estudo.
A equipa está também a desenvolver químicas que assinalem componentes celulares específicos para que a IA os consiga reconhecer.
Foram ainda integrados métodos de expansão anteriores, que aumentam fisicamente o tecido, úteis em amostras densas onde a luz não consegue penetrar com facilidade.
O plano de mais longo prazo encara a microscopia à semelhança da astronomia. Uma instalação centralizada - o Observatório Celular - operaria as máquinas, faria a análise e devolveria resultados aos biólogos, tal como os observatórios servem os astrónomos.
O estrangulamento mudou: já não é a óptica, é a interpretação. A equipa de Berkeley construiu um dos microscópios mais exigentes da área - e decidiu assumir também o novo gargalo como parte do seu trabalho.
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