Na Sala de Aula
Anastasios Koutsos
Alexandra Manaia
Julia Willingale-Theune
Versão 2.3
Versão
Portuguesa
ELLS – European Learning Laboratory for the Life Sciences
Anastasios Koutsos, Alexandra Manaia e Julia Willingale-Theune
Na Sala de Aula
Versão 2.3
Na Sala de Aula
1. O Espelho mágico
Contar uma história para apresentar os “microarrays” na sala de aula
Eram 8:30 da manhã numa segunda-feira cinzenta. O despertador estava a TOCAR. Eu tive de esticar a mão
que estava quentinha debaixo dos cobertores para o desligar. Com uma horrível sensação típica de uma
segunda-feira, levantei-me lentamente da cama, dirigi-me para a casa-de-banho, peguei na escova de dentes e
comecei a lavá-los enquanto me interrogava sobre o que a minha irmã estaria a fazer naquele momento.
Havia já algum tempo que falara com ela pela última vez. Quando olhei para o espelho lá estava ela em frente
dos meus olhos. Ia a conduzir para o trabalho e não parecia tão bem humorada como de costume (talvez se
devesse ao facto de ser segunda- feira!). Primeiro, pensei que o copo de vinho que eu bebera na véspera era a
causa das minhas alucinações. Embora pensando bem, eu não tivesse bebido assim tanto! Ou estaria a
sonhar? Como podia ter visto a minha irmã se ela vive na Grécia! Será que o meu espelho era mágico? Era
preciso verificar se era mesmo mágico ou se era tudo fruto da minha imaginação. Decidi então pensar noutra
pessoa e olhar para o espelho durante tempo suficiente, para ver se a sua imagem também aparecia! Pensei
na minha mãe, que também vive na Grécia, e de repente, a sua imagem apareceu no espelho. “Isto não pode
estar a acontecer!”, disse para comigo. Telefonei imediatamente à minha mãe e perguntei-lhe onde é que ela
estava. “No escritório”, respondeu ela. “Acordo sempre bastante cedo às segundas-feiras. Porque perguntas?”
Não tive coragem de lhe contar o que estava a acontecer e desliguei.
Depois disto, comecei a examinar o espelho muito cuidadosamente. Verifiquei se não existia uma câmara
escondida por detrás. Constatei que não o espelho não tinha nada de estranho. Comecei então a examinar
toda a casa de banho, esperando que mais tarde ou mais cedo alguém se levantasse e dissesse “Sorria, é para
os “apanhados!”” Mas ninguém apareceu, e de certeza que os meus amigos não me podiam ter pregado uma
partida assim.
Decidi, desafiar mais uma vez os poderes do espelho. Concentrei-me a pensar na minha amiga Maria que
vive no México. E como das outras vezes, a imagem da Maria apareceu imediatamente no espelho. Ela estava
na cama, a dormir. Corri para a sala, para ver se encontrava num mapa as diferenças horárias entre os vários
países do mundo. “Era verdade!” Às 9:15, na Alemanha, são 2:15 da manhã, no México. “Por isso é que ela
estava a dormir!”, pensei eu. “Apesar de tudo não estou completamente louco!”. Como era possível eu saber o
que ela estava a fazer? Se eu nem sequer sabia que era de noite no México!
Voltei ao espelho e murmurei, “O que aconteceria se eu pensasse numa pessoa que nunca tivesse visto antes?”
E que tal uma pessoa famosa? Isso seria um desafio considerável para o espelho. Então comecei a pensar em
várias pessoas célebres: Madonna, David Beckham, Rowan Atkinson, Gerard Depardieu, Johnny Depp, J. K.
Rowling. Pensei em tantas pessoas quantas pude! Mesmo no Presidente dos Estados Unidos (eu não deveria
divulgar esta informação, pois posso arranjar sarilhos com os serviços secretos…).
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Tudo o que tinha a fazer era pensar numa pessoa, e ali estava ela em frente dos
meus olhos! Surpreendente! E não importava quem era nem onde estava. Era
verdade! O espelho era mágico!
De repente fiquei muito curioso de saber o que o meu chefe estaria a fazer. E a sua
imagem apareceu imediatamente em frente dos meus olhos. Oh, não! Ele estava no
Laboratório. E não é que estava na minha bancada? E não é que eram as MINHAS
amostras que ele estava a observar? Oh meu Deus! Já eram 10:15! Estava atrasado
e o meu chefe estava à minha espera para começar uma experiência!
Agarrei no meu saco, olhei rapidamente para o espelho e dirigi-me para a porta.
Decidi não dizer nada a mais ninguém sobre o espelho. De qualquer forma ninguém
acreditaria em mim.
No caminho para o Laboratório….
No caminho para o EMBL, comecei a pensar em todas as cidades do mundo e nas
interacções entre elas. Várias estradas ligam cidades situadas no mesmo
continente, e os portos e aeroportos ligam cidades localizadas em continentes
diferentes. Pensemos então numa pessoa, em qualquer cidade do mundo - ela
pode escolher quaisquer cidades do mundo e viajar entre elas.
Devido à rotação da terra em torno do seu eixo, enquanto que nalgumas cidades é
dia, noutras é noite.
A actividade que as pessoas desenvolvem, num dado momento, depende
consideravelmente do facto de ser de dia ou de noite. Na maior parte das cidades
as pessoas acordam de manhã e trabalham até anoitecer. Quando regressam do
trabalho, a maior parte continua activa até ser de noite. Esta situação aplicava-se a
todas as pessoas que eu observara no espelho mágico.
Contudo, nem todas as pessoas trabalham durante o dia. Por exemplo, as
pessoas que trabalham num aeroporto, trabalham noite e dia para assegurar que os
aviões levantem e aterrem em segurança. Os bombeiros não trabalham todo o dia,
mas estão prontos para trabalhar sempre que são chamados. Os polícias são outra
categoria profissional que trabalha em contínuo. Patrulham as cidades e o campo
assegurando-se que sejam lugares seguros para nós morarmos. Mas o que acontece, se ocorrer algum tipo de perigo durante a noite? O que se passará se houver
um fogo ou um crime na cidade? De acordo com a gravidade do fogo ou do crime,
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um determinado número de polícias e de bombeiros acordará e irá para o local,
para prestar auxílio imediato, enquanto o resto da população continuará a dormir
tranquilamente. Mas se uma catástrofe, como por exemplo um tremor de terra
acontecer, as coisas já se passarão, de maneira diferente. A maior parte das
pessoas acordarão e muitos bombeiros, polícias e médicos se deslocarão
rapidamente para o local, para dar uma ajuda. Muitas vezes não há recursos
suficientes na cidade afectada e virá ajuda de outras cidades. Devagar, a cidade
afectada irá recuperando, até recomeçar a funcionar normalmente.
Com o meu espelho mágico eu podia observar qualquer pessoa, no mundo, a
qualquer hora. Era como ter uma máquina fotográfica que tirasse fotos
simultaneamente em várias partes do mundo.
Tinha quase chegado ao EMBL, quando me dei conta de que no fundo as cidades
funcionavam do mesmo modo que as células de um organismo. A maior parte dos
organismos são formados por órgãos, que por sua vez são constituídos por células.
A maneira como uma célula funciona depende da sua identidade, do tipo de função
que a célula realiza: as células musculares do coração por exemplo, trabalham
continuamente para assegurar a oxigenação do corpo, enquanto as células da
retina só trabalham quando estamos a observar algo. Mas o que significa dizer que
uma célula está a funcionar? Quer dizer que essa célula está a fabricar as
proteínas que são necessárias à execução do conjunto de tarefas da célula. No
entanto, as instruções para fabricar as proteínas estão inscritas no ADN. Só uma
pequena fracção do ADN total da célula contém a informação necessária para
fabricar proteínas. A informação para produzir cada proteína é primeiro copiada
para uma outra molécula chamada, mARN, que por sua vez é usada para fabricar
a proteína. Assim, quando dizemos que um gene está activo, queremos dizer que
está a ser transcrito para mARN, que será usado depois para fabricar a proteína
correspondente.
Tal como nos aeroportos, alguns genes trabalham o tempo todo. Consideremos,
por exemplo, o facto de a célula necessitar sempre de energia. Alguns genes,
chamados “housekeeping genes”, estão sempre activamente a produzir as
proteínas que são necessárias para fazer face às necessidades energéticas da
célula. Mas o que sucede quando a célula tem de enfrentar uma situação de
perigo? Por exemplo, se ocorrer uma falta de oxigénio, se um vírus a atacar, ou se a
célula se tornar cancerosa? Nestas situações ocorrerão mudanças no conjunto dos
genes dessa célula que ficarão activos. Alguns genes podem continuar a sua
actividade ao mesmo ritmo enquanto outros vão aumentar ou diminiur o seu ritmo
de trabalho. Outros genes que não estavam a trabalhar podem começar a
actividade. Mas também pode acontecer que alguns genes parem completamente
a sua actividade, caso esta não seja mais necessária. Por outras palavras, enquanto
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alguns genes permanecem ou são ligados, outros serão desligados. A dimensão
desta mudança (número de genes envolvidos) depende do desafio que a célula
enfrenta.
Percebi então que isso era exactamente o que se passara com os estranhos
acontecimentos relacionados com o meu espelho. Naquele mesmo dia, o meu
chefe estava à minha espera no laboratório para eu começar as minhas
experiências com “microarrays”. E os “microarrays”, ou “chips de ADN” como são
chamados, funcionam de modo muito semelhante ao meu espelho mágico. Estas
ferramentas permitem aos cientistas “observar” o que os genes de um determinado
organismo estão a fazer num determinado momento: se estão ligados (expressos)
ou desligados (não expressos).
O espelho mágico ajudara-me a perceber melhor o que se passaria no laboratório.
Claro que eu não percebera por que razão o espelho me mostrava todas aquelas
imagens, mas pelo menos tinha encontrado um significado para aqueles
fenómenos. Pensando nisto, encontrei um lugar para estacionar, agarrei no meu
saco e dirigi-me para o laboratório para iniciar a minha expêriencia com
“microarrays”. Prometia ser mais um dia de trabalho bem preenchido…
As seguintes alegorias e metáforas podem ser utilizadas para ilustrar:
2. A transferência de informação do ADN para as proteínas
Imagine que está na sua cozinha e que quer fazer um bolo, mas que a receita do
bolo se encontra num livro de receitas que está na sala de estar. Nesse caso teria
de ir até à sala, encontrar o livro de receitas, trazê-lo até à cozinha, e começar a
fazer o bolo. Mas como proceder se fosse proibído retirar qualquer livro da sala?
Mesmo sendo proibído trazer o livro para fora da sala é-lhe permitido aí copiar a
receita (instruções). Assim, se levar uma folha de papel consigo, pode escrever
a receita e depois trazê-la até à cozinha. É exactamente o que as células fazem
para fabricar proteínas.
O ADN (livro de receitas) contém as instruções (receitas) para produzir proteínas
mas não pode sair do núcleo (sala de estar). Só as cópias das receitas (mARN)
podem sair do núcleo para o citoplasma onde existem fábricas (ribossomas) que
produzem as proteínas.
3. Análise da expressão génica
Quando dizemos que um gene está activo, queremos dizer que fabrica mARN,
que encaminha depois para o citoplasma para produzir proteínas. A quantidade de
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mARN produzida depende da quantidade de proteínas que é necessária. Em quase
todos os organismos, o ADN contém a informação para produzir todas as proteínas
necessárias à sobrevivência do organismo. Mas isto não quer
necessariamente dizer que toda esta informação vai ser utilizada. Lembre-se de
que o ADN é como um livro de receitas. Como tal, contém muitas receitas mas nós
só usamos algumas delas. As células também escolhem as proteínas que querem
produzir, e o seu aspecto e o seu funcionamento dependem em grande medida das
proteínas fabricadas.
Para identificar os genes que estão activos numa determinada célula, temos de
extrair os mARNs da célula e lê-los um a um para descobrir a que genes
correspondem. Isto parece fácil, mas de facto é quase impossível, a não ser que
passemos 24horas por dia no laboratório. E os cientistas não podem esperar tanto,
por isso encontraram uma maneira de ultrapassar este problema…
Imagine que vai pescar um determinado tipo de peixe mas que no lago onde
está, existem diferentes tipos de peixes. Se for um pescador experiente você
sabe que certos tipos de peixes preferem determinados tipos de isco. Assim, escolhendo o isco específico, basta prendê-lo ao anzol, preparar a cana de pesca
e esperar… Voilà! Pescou um peixe! Se utilizar vários tipos de isco, no final, terá
pescado vários tipos de peixes.
4. Como explicar a hibridação
Isto é exactamente o que os cientistas fazem: pescam mARNs, correspondentes a
vários genes que se encontram na mesma solução. Só precisam de escolher muito
bem o isco que devem usar para pescar cada mARN. Têm que pensar em termos
de complementaridade! Basta usarem a cadeia de ADN que é complementar ao
mARN (peixe) que eles querem pescar. Quando pescam, as duas cadeias, ADN e
mARN, ligam-se (hibridam).
Mas e se quiséssemos apanhar todos os tipos de peixes de uma só vez para
depois os separarmos? Nesse caso, uma só cana de pesca seria completamente
insuficiente. Uma maneira inteligente de proceder seria dispor de um aquário
dividido em zonas, colocando em cada uma delas canas com um determinado
tipo de isco, diferente em cada uma das zonas. Assim, ao transferirmos todos os
peixes do lago para o aquário, cada tipo de peixe dirigir-se-á para o seu tipo de
isco. Poderemos então pescar um certo tipo de peixe numa área, outro tipo de
peixe noutra. Cada peixe estará ligado ao seu tipo de isco característico.
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No caso dos mARNs, os cientistas procedem de modo semelhante. Consideremos um exemplo simples. Vamos supor que temos uma pequena grelha onde
foram fixados 4 diferentes nucleótidos (iscos), em 4 áreas distintas:
A
C
G
T
O que aconteceria se colocassemos nesta grelha uma solução contendo guanina
(G)? nesta grelha? A que área da grelha é que as moléculas de guanina se
ligariam (hibridariam)? Se nos lembrarmos de que G se liga sempre a C, então a
resposta será o canto superior direito. Mas como poderemos ver se de facto G
se ligou a C? Estas moléculas são tão pequenas que é impossível observá-las ao
microscópio. Para ultrapassar esta limitação, os cientistas marcam as moléculas
G com uma molécula fluorescente (marcador) -este processo chama-se
marcação.
Agora, em vez de colocar os nucleótidos numa grelha, podemos substituí-los por
cadeias de ADN correspondendo às sequências codificantes para
determinados genes. Se sobre a grelha aplicarmos uma solução que contém
mARNs fluorescentes, só aqueles que se ligarem ao ADN vão lá permanecer
sendo responsáveis pelo sinal fluorescente obtido. Encontrámos assim uma
maneira de “pescar” genes.
E finalmente os microrrays
Imagine uma pequena superfície de vidro que caiba na palma da sua mão. Agora
imagine que coloca nessa superfície de vidro, não 1, nem 2 mas 20,000 cadeias
de ADN correspondendo a todos os genes de um organismo. Cada gene ocupa
assim uma pequeníssima superfície, muito menor do que um ponto final no fim
de uma frase. Então, nestas áreas estarão as sequências de ADN que permitem
“pescar” os diferentes genes de um organismo. As sequências de ADN
funcionam como iscos que pescam os mARNs. Deste modo conseguirá
identificar os genes que estão activos num determinado organismo. Tem um
microarray de ADN!
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5. Conselhos práticos para jogar ao jogo do microarray
Esta actividade permite simular os diferentes passos de uma experiência com
microarrays. Antes de jogar ao jogo do microarray virtual, aconselhamos que se
familiarize com os princípios básicos dos microarrays.
POR FAVOR, envie-nos as suas impressões, diga-nos quais os aspectos que lhe
colocaram mais dificuldades quando utilizou esta actividade na sua escola. Os seus
comentários e sugestões serão muito úteis para continuarmos a melhorar este
jogo. Por favor, envie comentários/sugestões para [email protected]. Esperamos que se
divirta tanto a jogar a este jogo como nós nos divertimos a elaborá-lo!
Como começar?
Leia as várias secções desta actividade para poder decidir quais serão as mais
interessantes para os seus alunos. Se puder envolva os seus alunos na prepação
dos materiais para o jogo (marcação das lâmpadas, etc.). No entanto se tiver
limitações de tempo, é melhor preparar tudo com antecedência e iniciar o jogo
antes da hibridação.
Antes de começar:
Para jogar o jogo do microarray assegure-se que a sua sala de aula tem luz
suficiente, mas que também pode ficar escura (com cortinas ou persianas). Deve
ter espaço para poder colocar o tapete de microarray no centro da sala, de modo
a que os alunos possam dispor-se em círculo, à volta do tapete (é importante
que a sala não tenha o aspecto de uma sala de aula clássica com mesas e
cadeiras). Por exemplo pode colocar as mesas na periferia da sala, contra a
parede. As cadeiras podem ser colocadas à volta do tapete. Aquando da análise
dos resultados, pode ser útil que os alunos subam para cima das mesas, para
poderem ter uma melhor perspectiva do tapete e das lâmpadas acesas.
O que é necessário:
Certifique-se de que tem lanternas em número suficiente. Para o jogo dos
microarrays vai precisar de 67 lanternas das que se vendem a baixos preços,
como gadgets promocionais para publicidade de empresas etc. No entanto, se
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o seu orçamento não permitir adquirir estas lanternas, pode pedir aos alunos
para as trazerem de casa. Deste modo, os alunos contribuem com material para
a actividade. Talvez seja aconselhável limitar o número de alunos a cerca de
12. Se cada aluno trouxer 1-2 lanternas, talvez seja difícil recolher 67 lanternas.
Nesse caso podem-se utilizar menos lanternas. Será então necessário modificar
o número de lanternas necessárias para cada gene, Mas é preciso ter atenção
para não modificar a regulação (activação = up regulation e repressão= down
regulation). Por exemplo, os genes maurice wilkins, rosalind franklin e francis
crick têm o mesmo número de lanternas vermelhas e verdes. Pode mudar o
número de lanternas mas terá de conservar um número idêntico de vermelhas e
verdes. No caso de genes que são activados (up-regulated), haverá mais
lanternas vermelhas do que verdes; também pode alterar o número, desde que
tenha mais vermelhas do que verdes. E assim sucessivamente.
Uma precaução! Embora possa alterar o número de lanternas, tente evitar ter
genes exactamente com o mesmo número de lanternas. Por exemplo, tente
evitar ter apenas uma lanterna verde e uma vermelha para o Cluster 1
maurice wilkins, francis crick, rosalind franklin and james Watson. Assim, quando
os alunos fizerem o clusterring (agrupamento) dos genes, vão perceber mais
fácilmente que os genes estão no mesmo grupo por terem um comportamento
semelhante (uma regulação semelhante) não por terem o mesmo número de
lanternas.
Outro aspecto a considerar relativamente `as lanternas: as lanternas que nós
usamos são planas e são colocadas de modo a que a luz seja emitida para cima
na direcção do tecto. No entanto, a maior parte das lanternas são cilíndricas.
Assim, se os alunos trouxerem as suas lanternas é melhor pedir que tragam
também um suporte: uma caneca, um copo etc. Talvez seja útil recolher as
lanternas todas um dia antes, de modo a lidar melhor com eventuais problemas.
Marcação das lanternas e hibridação:
Para este passo experimental divida a sua classe em dois grupos: o grupo controlo
e o grupo canceroso. Dê a cada grupo uma caixa contendo todas as lanternas
desse tipo (controlo ou canceroso). Se houver tempo suficiente peça a cada equipa
para marcar as lanternas com a cor respectiva: verde para o controlo e vermelho
para as células cancerosas. Dependendo do tipo de papel autocolante transparente
que utilizar, pode ser necessário colar mais de uma camada de papel transparente
para tornar a cor mais intensa. Também pode optar por colorir directamente as
lanternas, usando canetas próprias para colorir plástico/ transparências. Finalmente
peça aos estudantes para colocarem as lanternas na posição correcta, no tapete.
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Se não tiver conseguido obter um número suficiente de lanternas, pode jogar
o jogo só com 10 lanternas, uma por gene. Em vez de usar as cores para cada
molécula de mARN, pode usar as cores para ilustrar a “cor final” de cada spot.
Por exemplo, no caso dos genes maurice wilkins, rosalind franklin, frances crick
e james watson, que apresentam iguais quantidades de mARN em ambas as
amostras, pode optar por utilizar um papel autocolante transparente AMARELO
para marcar cada lanterna. Do mesmo modo, no caso dos genes alexander
fleming, thomas morgan, barbara mcclintock (genes activados, “up regulated
genes”) utilizará o papel autocolante transparente vermelho, e no caso dos
genes leo szilárd, jacques monod e john kendrew a cor será verde. Convém estar
preparado para explicar aos estudantes que a cor amarela no microarray é
artificial e resulta da sobreposição/combinação das cores verde e vermelha.
Scanning/análise do microarray:
No processo de análise/scanning acenda todas as lanternas e desligue a luz
da sala. Encoraje os seus alunos a discutir sobre o comportamento dos vários
genes. Evite dar-lhes logo toda a informação acerca do comportamento dos
diferentes genes e tente antes guiá-los para que eles próprios cheguem às
conclusões!!!
6. Clustering /Análise dos microarrays
Durante o processo de análise/clustering é importante que os alunos percebam que
o critério para agrupar os genes em clusters reflecte o seu “comportamento” no
microarray
(Ver guia do Professor para os exercícios de clustering [PDF], Exercícios de
clustering para a sala de aula [PDF])
Discutir as várias maneiras de agrupar os genes, não esquecer de mencionar que
não há uma única maneira “correcta” de agrupar os genes: diferentes critérios de
formação dos clusters conduzirão a conclusões relativamente diferentes.
Mostre-lhes o clustering que foi feito na secção anterior e leve-os a questionar-se
sobre “o tipo de comportamento que os genes desse cluster partilham”.
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7. Exercícios dos Microarrays
Se tiver tempo suficiente, pode tentar que os alunos façam os exercícios na salade-aula. Se não, podem fazê-los como trabalho de casa para discutir na aula
seguinte.
(Ver guia do Professor para os exercícios dos microarrays [PDF], Exercícios de
Microarray para a sala de aula [PDF])
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Agradecimentos
Gostaríamos de agradecer a todos os que contribuíram para a elaboração desta
actividade:
- Ao Udo Ringeisen e a toda a equipa do Departamento de Fotografia do EMBL (EMBL
Photolab), pela impressão dos tapetes do “microarray” em tecido, (para demonstração
em cursos ou festivais de ciência) e pela produção da versão em plástico, (para
utilização na sala de aula);
- Ao Thomas Sandmann, na altura estudante de doutoramento no EMBL-Heidelberg,
por várias discussões e sugestões muito úteis e também por nos ter chamado a
atenção para o excelente material sobre “microarrays” intitulado ‚Snapshots of Science
and Medicine‘, produzido pelo “NIH Office of Science Education”, em conjunto com o
“Office of Research on Women‘s Health”;
- Ao Russ Hodge, na altura, no Departamento de Comunicação e Relações Públicas
do EMBL-Heidelberg (“Office of Information and Public Affairs” [OIPA]), bem como a
toda equipa do “European Learning Laboratory for the Life Sciences” [ELLS], por muitas
discussões, sugestões e apoio;
- A Giovanni Frazzetto, Mehrnoosh Rayner e Vassiliki Koumandou por terem lido a
primeira versão desta actividade e por terem contribuído para melhorá-la com as suas
ideias e comentários.
- A vários amigos e colegas do EMBL-Heidelberg com quem partilhámos ideias,
entusiasmo e dúvidas;
- “Os Exercícios para a sala de aula” foram adaptados do material sobre “microarrays”
intitulado “Snapshots of Science and Medicine”, produzido pelo “NIH Office of Science
Education”. Pode ser encontrado no seguinte website:
science-education.nih.gov/snapshots;
Imagem de capa por André-Pierre Olivier;
Traduzido por Alexandra Manaia;
Editado por Corinne Kox e Sonia Furtado.
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