Nanoscopia, GPS cerebral e LED azul - Qual é o papel dos vencedores do Nobel no nosso dia a dia?

Todos os anos a Academia Real Sueca divulga os vencedores do prêmio Nobel em suas diversas categorias. Dessas, três parecem estar muito distantes da nossa rotina, mas, na verdade, são fundamentais para a nossa vida: as das categorias científicas química, física e medicina e fisiologia.

Em 2014, o prêmio reconheceu as contribuições de cientistas no desenvolvimento da nanoscopia (Nobel de Química), identificação de células que constituem GPS cerebral (Nobel de Medicina e Fisiologia) e na concepção do LED azul (Nobel de Física). Cada uma dessas descobertas está presente no nosso dia a dia e abre caminho para novas pesquisas.  

Direto ao ponto: Ficha-resumo

Nanoscopia: a microscopia como técnica química

Na biologia, a microscopia é uma das técnicas usadas para estudar as células. Desde o século 17, a microscopia óptica é usada para observar diversos grupos de microorganismos, aqueles compostos por uma única célula e que não podem ser vistos a olho nu, como bactérias, vírus, espermatozóides, fungose outras células vivas e mortas.

A partir de 1873, o microscopista alemão Ernst Abbe estipulou limites para essa observação. Segundo ele, qualquer amostra menor de 0,2 micrômetros (o equivalente a 0,0002 milímetro) não poderia ser observada no microscópio óptico. Só as bactérias, que têm entre 0,3 e 2 micrômetros, poderiam ser visualizadas.

Outros tipos de microscópios foram desenvolvidos para a observação das células. No entanto, o microscópio eletrônico, por exemplo, embora aumente a célula em até 100 mil vezes, não possibilita a observação de células vivas. Ou seja, você pode ver coisas menores, mas para isso tem que matar as células.

A “nanoscopia”, tecnologia desenvolvida pelos três vencedores do Nobel de Química deste ano, Stefan Hell, Eric Betzig e William Moerner, permite, a partir do uso de moléculas fluorescentes, ampliar a resolução dos microscópios à escala das moléculas. Com o uso da fluorescência (potencializada pelo uso da proteína verde fluorescente, a GFP), as estruturas passam a brilhar, aumentando o foco e a resolução do microscópio.

Com a ampliação da visualização das células, os cientistas conseguiram o que parecia impossível: observar as reações enquanto elas acontecem. Ou seja, ver como se formam as ligações nervosas no cérebro, observar moléculas em ação dentro de uma célula viva, assistir ao DNAsendo montado, investigar a ação de proteínas envolvidas nas doenças de Huntington, Parkinson e Alzheimer, para identificar a fase inicial dessas doenças, entre outros.

Por esses avanços (a técnica de Hell foi realizada em 1994 e obteve avanços em 2000, e o da dupla Betzig e Moerner foi aplicada em 2006), o prêmio afirmou que a microscopia, uma técnica biológica, passava a ser agora, uma técnica química.

GPS cerebral: como o nosso cérebro se orienta no espaço?

Há mais de 200 anos, o filósofo alemão Immanuel Kantargumentou que algumas habilidades mentais existiam como um conhecimento inato, independente da experiência. Entre elas estava o conceito de espaço, entendido por ele como um princípio embutido na mente.

Para muitos cientistas essa não era uma resposta aceitável e a dúvida permanecia: como nós conseguimos nos localizar e mover no espaço? O que nos faz compreender e entender onde estamos e para onde queremos ir?

A resposta viria com a descoberta de um conjunto de células que dão forma a um sistema de posicionamento próprio do cérebro e possibilita ao órgão orientar-se em ambientes distintos. A descoberta deu o prêmio Nobel de Medicina ou Fisiologia deste ano para o trio de pesquisadores John O’Keefe, Edvard Moser e May-Britt Moser.

O primeiro a identificar esse “GPS interno” foi O’Keefe, em 1971. Ele observou neurôniosdo hipocampo (principal ponto responsável pela nossa memória de lugares) que eram ativados quando ratos passam num mesmo lugar e reativados conforme eles retornavam aos ambientes conhecidos. Essas células de localização foram chamadas de "células de lugar" e marcam pontos de referência por onde passamos, como praças, ruas, museus, etc.

Em 2005, o casal Moser identificou outro tipo de neurônio, chamados de “células de grade”, situados próximo do hipocampo, no córtex entorrinal, outra zona do cérebro associada à memória. Essas células eram ativadas quando os animais repetiam uma trajetória, formando o desenho de uma rede hexagonal e gerando um sistema de coordenadas que permitiam a localização precisa dos animais.

Os dois tipos de células são encontradas nos cérebros de diversas espécies de mamíferos, incluindo os humanos. A identificação dessas células apontam possibilidades para travar o avanço de doenças como o Alzheimer ou Parkinson, onde a perda da memória e do senso do espaço são sintomas, além de explicarem nossa existência e percepção de posição em relação ao ambiente.

Do LEDazul ao LED branco: economia de luz

Os LEDs (diodos emissores de luz) estão muito presentes no nosso cotidiano, iluminando casas, escritórios, estádios, placas de publicidade, semáforos, entre outros.

Podem ser definidos como componentes eletrônicos semicondutores que têm a propriedade de transformar energia elétrica em luz. São luzes de estado sólido que começaram como sinalizadores em aparelhos eletrônicos e agora são aplicados em iluminações em geral.

Essa popularização ocorreu graças à descoberta do LED de cor azul, fundamental para a criação dos LEDs brancos. A descoberta deu o Nobel de Física 2014 a três pesquisadores japoneses, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamur. E por que essa luz branca era necessária? Por ser mais econômica em relação às lâmpadas incandescentes e fluorescentes.

Os LEDs vermelhos e verdes surgiram na década de 1960. Para criar a luz branca, era necessário descobrir uma terceira cor (a azul) para ser combinada com essas duas. A lógica seguia o modelo de cores RGB, baseado na teoria de visão colorida tricromática de Young-Helmholtz e no triângulo de cores de Maxwell, que define o azul, o verde e o vermelho como cores primárias. A união dessas três resultaria na cor branca.

Pra criar o primeiro LED azul, apresentado em 1992, os pesquisadores desenvolveram um diodo (semicondutores de cargas variadas de correntes elétricas) emissor de luz azul. Um LED típico é formado por várias camadas de materiais semicondutores e são esses materiais que determinam a cor ou comprimento de onda da luz emitida. O elemento escolhido foi o nitreto de gálio (GaN), misturado com índio (In) e alumínio (Al).

Além de ser o semicondutor empregado na fabricação de dispositivos emissores de luz azul, o GaN foi elemento essencial para recentes evoluções do campo da tecnologia. Ele está no aparelho Blu-Ray (permitindo que mais informações sejam armazenadas em menos espaço), em radares militares e nas TVs de LED, fazendo com que elas sejam mais finas, mais leves e representem uma energia de cerca de 40%. Ele ainda pode ser usado pelas operadoras de telefonia móvel para melhorar o sinal do celular, oferecendo maior resistência ao calor e à interferência eletrônica.

O LED azul permitiu, com a criação da luz branca, uma iluminação econômica para o nosso dia a dia. Os LEDs representaram uma considerável economia de recursos naturais, sua fabricação necessita de menos material e são mais duráveis -- duram até 100 mil horas, enquanto as incandescentes duram apenas mil horas e as fluorescentes 10 mil horas.

O menor desperdício de energia também conta a favor dessas luzes: uma lâmpada incandescente converte em luz apenas 5% da energia elétrica que consome, enquanto as lâmpadas LED convertem até 40%.

Por essas inovações, depois das lâmpadas incandescentes e do laser, os LEDs são vistos como a terceira revolução óptica, e ainda podem proporcionar muitas inovações ao nosso dia a dia. É só uma questão de tempo até a próxima descoberta.