O sistema imunológico natural dos animais vertebrados tem como principal função o combate a micro-organismos invasores. Seus mecanismos de combate têm a capacidade de
realizar uma resposta rápida e efetiva contra agentes patógenos. A Figura 4.2 apresenta a arquitetura das camadas de defesa do sistema imunológico natural (SILVA e ZUBEN, 2002).
A pele funciona como uma primeira barreira contra infecções. Uma segunda barreira é de natureza bioquímica, onde condições de temperatura e pH são impróprias para a sobrevivência de organismos estranhos. Uma vez que os agentes patogênicos são fortes o suficiente para ultrapassarem as duas primeiras barreiras e entrarem no corpo, eles são combatidos pelo sistema imunológico inato e pelo sistema imunológico adaptativo. O sistema imune inato responde sempre da mesma forma à entrada de invasores, denominados antígenos, sendo imediatamente disponível. Sua constituição se resume basicamente a células capazes de digerir certos tipos de materiais, eliminando do organismo, por exemplo, agentes patogênicos desativados. O sistema imune adaptativo, por sua vez, tem uma estrutura mais complexa sendo capaz de produzir anticorpos para um antígeno específico. Por ter uma estrutura mais elaborada e a capacidade de se adaptar às características dos antígenos, o sistema imune adaptativo é o que é utilizado como inspiração para o desenvolvimento da meta-heurística SIA.
Figura 4.2 - Camadas de defesa do sistema imunológico natural
Fonte: SILVA e ZUBEN (2002)
A resposta imune inata é capaz de prevenir e controlar muitas infecções. No entanto, a maioria dos micro-organismos patogênicos possuem a capacidade de evoluírem e superarem as defesas iniciais. Portanto, a proteção contra essas infecções requer os mecanismos mais especializados e poderosos da imunidade adaptativa. Os principais e mais relevantes
mecanismos do sistema imune adaptativo que são especialmente importantes para a técnica SIA são: i) produção de células ou linfócitos B na medula óssea, emissores de anticorpos; ii) seleção clonal; iii) hipermutação somática; iv) edição de receptores; v) seleção negativa.
A produção de linfócitos B na medula óssea é realizada de forma aleatória. O material genético é armazenado em conjuntos e, através de recombinação genética, segmentos destes conjuntos são aleatoriamente selecionados para formar uma nova célula B, produtora de anticorpos, também denominados de receptores. Neste processo, cada célula só pode reconhecer um único tipo antigênico específico e o grau de reconhecimento é denominado de complementaridade ou afinidade de ligação entre a célula e o antígeno. Quando esta afinidade é superior a um valor limiar, ocorre a ativação da célula B e a maturação da afinidade, onde os processos de seleção clonal e hipermutação somática possibilitam ao organismo produzir variedades de células com alta afinidade ao antígeno, conforme ilustrado na Figura 4.3. O anticorpo e o linfócito B que o produz têm a mesma especificidade, ou seja, a mesma afinidade para um antígeno específico e, por isto, seus conceitos se confundem na fundamentação da técnica SIA.
A seleção clonal consiste na seleção para clonagem dos linfócitos B, ou anticorpos, ativados devido ao reconhecimento a um antígeno. A taxa de clonagem de um anticorpo é proporcional a sua afinidade. Na sequência, a hipermutação somática permite introduzir variações no repertório de anticorpos, através de mutações, e as novas células são ativadas ou não de acordo com a afinidade de ligação ao antígeno. Ou seja, este processo de evolução permite priorizar a produção de células e anticorpos com maior afinidade ou aptidão, resultando no aumento da afinidade do repertório como um todo.
A atuação conjunta dos mecanismos de seleção clonal e hipermutação somática possibilitam a exploração local do espaço de soluções possíveis, que no sistema natural significam os tipos de células e anticorpos. Em um sistema artificial, faz-se uma analogia do anticorpo com uma possível solução para um problema específico e a região factível envolve as soluções viáveis para este problema. Ou seja, enquanto no sistema imune natural o processo evolutivo promove o aumento de afinidade do repertório, no SIA ocorre a aproximação ao ponto ótimo de solução para o problema em questão.
Figura 4.3 - Processo de maturação da afinidade
Fonte: SILVA e ZUBEN (2002)
O mecanismo de edição de receptores efetua uma variação mais efetiva no repertório com uma taxa reduzida. Em outras palavras, este processo promove a edição de um número limitado de células e anticorpos com maior aleatoriedade em relação à hipermutação somática e que, portanto, podem se diferenciar mais das demais células do repertório. A finalidade deste mecanismo é introduzir maior diversidade no repertório para evitar a estagnação do processo evolutivo em regiões de ótimos locais, o que pode ser estendido para o SIA. Assim, os processos de hipermutação somática (busca local) e edição de receptores (busca global) executam funções complementares para a maturação de afinidade, como ilustrado na Figura 4.4 (SILVA, 2001). Esta figura representa a evolução da solução 8ú para 8ú∗ na mesma região, através dos mecanismos de seleção clonal e hipermutação somática, e a evolução de 8ú∗ para outras regiões, 8ú e 8ú¶, através de edições de receptores.
Os mecanismos descritos até agora podem apresentar um grande problema, que consiste na geração aleatórias de anticorpos que reconhecem e, portanto, combatem células do próprio organismo. Este processo é denominado de resposta auto-imune e representa um ataque ao próprio organismo. Tais anticorpos devem, portanto, ser eliminados, ou sujeitos ao mecanismo de edição de receptores para a alteração de seu padrão. O mecanismo que identifica e elimina as células responsáveis pela resposta auto-imune denomina-se seleção negativa.
Figura 4.4 - Representação esquemática da maturação de afinidade
Fonte: SILVA (2001)