Uma teoria simbiótica heterodoxa sobre a origem das características definidoras dos eucariotos pode em breve ser posta à prova.
Por mais diferentes que possam ser as células de animais, plantas, fungos e protozoários, todas compartilham uma característica proeminente: um núcleo. Eles têm outras organelas também, como as mitocôndrias produtoras de energia, mas a presença de um núcleo – uma bolsa porosa bem definida e cheia de material genético – foi o que inspirou o biólogo Édouard Chatton em 1925 a cunhar o termo eucariotos, que se referia a coisas vivas com um “núcleo verdadeiro”. Todo o resto ele rotulou de procariotos, para a vida “antes do kernel”. Essa dicotomia entre vida nucleada e não nucleada tornou-se fundamental para a biologia.
Ninguém sabe exatamente como o núcleo evoluiu e criou essa divisão. Evidências crescentes persuadiram alguns pesquisadores, no entanto, de que o núcleo pode ter surgido por meio de uma parceria simbiótica muito parecida com a que se acredita ter produzido mitocôndrias. Uma diferença crucial, porém, é que o parceiro responsável pelo núcleo pode não ter sido uma célula, mas um vírus.
“O que nós [eucariotos] somos é um caso clássico do que eles chamam de complexidade emergente”, explicou Philip Bell, chefe de pesquisa da empresa de biotecnologia de levedura MicroBioGen. Bell propôs uma origem viral para o núcleo eucariótico em 2001 e atualizou a teoria em setembro. “São três organismos que se juntaram para formar uma nova comunidade, que acabou se integrando a tal ponto que se tornou, efetivamente, uma nova forma de vida.”
Ele e outros pesquisadores confiam em descobertas como a demonstração de que vírus gigantes constroem “fábricas virais” dentro de células procarióticas – compartimentos que, assim como o núcleo, desacoplam os processos de transcrição (leitura de genes) e tradução (construção de proteínas). “Acho que agora é o modelo mais forte”, disse ele.
A maioria dos pesquisadores que estudam as origens dos eucariotos pode não concordar com ele; alguns ainda o descrevem como uma ideia marginal. Mas os defensores de uma origem viral apontam que várias descobertas recentes se alinham convenientemente com um modelo viral – e eles acreditam que evidências conclusivas a seu favor estão finalmente ao nosso alcance.
Um presente viral ou grift
Os cientistas geralmente pensam que os eucariotos entraram em cena entre 2,5 bilhões e 1,5 bilhões de anos atrás, quando evidências sugerem que uma bactéria fixou residência em um tipo diferente de procarioto, um archaeon, e se tornou sua mitocôndria. Mas um mistério mais profundo envolve o surgimento do núcleo; ninguém mesmo sabe se aquele antigo archaeon já era uma espécie de proto-eucariota com um núcleo, ou se o núcleo veio depois.
Qualquer história de origem do núcleo eucariótico precisa explicar várias de suas características. Existe a natureza da estrutura, para começar: suas membranas internas e externas aninhadas e os poros que conectam seu interior ao resto da célula. Há também a forma curiosa de compartimentalizar a expressão de genes dentro de si, mas deixa a construção de proteínas de fora. E uma história de origem verdadeiramente persuasiva também deve explicar por que o núcleo existe – que pressões evolutivas empurraram essas células antigas para bloquear seus genomas.
Durante a maior parte do século passado e mais, as conjecturas sobre a origem do núcleo não conseguiram responder a pelo menos uma dessas questões. Mas, por volta da virada do século 21, dois pesquisadores surgiram, independentemente, com a ideia de que os vírus eram os responsáveis pelo núcleo.
No Japão, Masaharu Takemura (então pesquisador associado da Universidade de Nagoya) estava estudando a bioquímica das DNA polimerases – enzimas que as células usam para copiar o DNA – quando se interessou por sua evolução. “Realizei uma análise filogenética de DNA polimerases incluindo eucarióticas, bacterianas, arqueadas e virais”, lembrou Takemura, agora biólogo molecular e virologista da Universidade de Ciência de Tóquio, em um e-mail. Sua análise revelou que um grupo de vírus (os poxvírus) tinha DNA polimerases que eram surpreendentemente semelhantes a uma das principais classes de polimerases de eucariotos. Ele levantou a hipótese de que a enzima eucariótica se originou como uma contribuição de algum poxvírus antigo.
Takemura também sabia que os poxvírus criam e se replicam dentro de compartimentos dentro das células que infectam. Essa combinação de fatos o levou a teorizar que o núcleo da célula eucariótica era derivado de um desses compartimentos ancestrais do poxvírus – uma proposta que ele publicou no Journal of Molecular Evolution em maio de 2001.
Enquanto isso, na Austrália, Bell chegou a uma conclusão semelhante por diferentes razões. Como aluno de pós-graduação no início dos anos 1990, ele se interessou por teorias sobre a origem do núcleo, especialmente a ideia de que, como as mitocôndrias, ele poderia ter começado como um endossimbionte. “Cinco minutos olhando e eu digo, ‘Jesus, se é um endossimbionte, não é bacteriano'”, lembrou ele. Havia muitas diferenças entre os genomas bacterianos e eucarióticos, ele sentiu, como o fato de que os eucariotos têm cromossomos lineares, enquanto as bactérias tendem a ter cromossomos circulares.
Mas quando ele olhou para os genomas virais, ele encontrou semelhanças impressionantes entre a estrutura do genoma de poxvírus e eucariotos. “Levei nove anos para publicar a primeira versão do modelo”, observou. Em seguida, levou 18 meses de idas e vindas para que o artigo fosse publicado no Journal of Molecular Evolution … quatro edições após o artigo de Takemura.
Agora, quase 20 anos depois, Takemura e Bell atualizaram independentemente suas hipóteses. A revisão de Takemura foi publicada online na Frontiers in Microbiology em 3 de setembro, Bell na Virus Research em 20 de setembro. “Ele fez isso comigo de novo”, disse Bell, rindo.
Ambos os cientistas citaram recentes descobertas envolvendo um grupo extraordinário de “vírus gigantes” como uma das principais razões para as atualizações. Esses vírus eram totalmente desconhecidos quando Takemura e Bell publicaram suas hipóteses iniciais. Seus genomas, que têm mais de 1 milhão de pares de bases, rivalizam com os de pequenas bactérias de vida livre em tamanho e carregam versões virais de genes para proteínas envolvidas em processos essenciais nas células. (Há algumas evidências de que as versões eucarióticas de várias dessas proteínas vieram desses vírus.)
Mas o mais importante, esses vírus gigantes se replicam dentro de compartimentos complexos e autoconstruídos no citoplasma de uma célula hospedeira, razão pela qual esses vírus, como os poxvírus, são classificados como vírus de DNA grandes nucleocitoplasmáticos (NCLDVs). Para esses vírus gigantes, os compartimentos que eles fazem são “fábricas virais do tamanho de um núcleo eucariótico”, disse Patrick Forterre, biólogo evolucionário do Instituto Pasteur em Paris.
Notavelmente, as fábricas virais feitas por NCLDVs que infectam eucariotos também têm membranas internas e externas como o núcleo. Os vírus gigantes são o que Forterre, Takemura e Bell dizem ser os responsáveis pela origem do núcleo.
Existem duas maneiras possíveis de o núcleo ter vindo de vírus gigantes, de acordo com Forterre. “Ou as fábricas virais se tornaram o núcleo, ou as células proto-eucarióticas … aprenderam com o vírus para se tornarem uma espécie de fábrica viral para proteger os cromossomos”, disse ele.
Takemura acha que o último é mais provável: que um vírus era mais um contribuinte não intencional para células eucarióticas, tanto como estímulo para a construção de uma barreira genética por um arqueão quanto a fonte de alguns dos genes necessários para construí-la.
De acordo com sua hipótese, há muito tempo um vírus gigante construiu uma fábrica viral, encerrando seu genoma, mas também o de seu hospedeiro arqueon. Mas, ao contrário da maioria das células infectadas, este hospedeiro conseguiu roubar o truque de construção de barreira do vírus e construiu seu próprio compartimento – um que defendia seu genoma contra o vírus. Com o tempo, essa barreira semipermanente evoluiu para o núcleo como o conhecemos.
Bell prefere a versão em que uma fábrica viral se torna diretamente o núcleo, já que o processo reflete mais de perto o comportamento conhecido dos vírus que infectam procariotos hoje. “Eles se parecem mais com a Invasão dos Ladrões de Corpos”, disse ele.
Ele acredita que um vírus gigante antigo infectou um archaeon e montou uma fábrica viral, mas não matou sua célula hospedeira. Em vez disso, a estrutura conseguiu se manter. “E então o vírus, que é um ladrão de genes, roubou os genes das arquéias e destruiu completamente seu genoma”, explicou. Esse é um tema comum com vírus, especialmente os gigantes – eles pegam genes de seus hospedeiros, o que os torna menos dependentes de seus hospedeiros. Isso pode até ajudar a explicar por que tantos genes mitocondriais se mudaram para o núcleo: “Com o passar dos anos, ele roubou os genes das mitocôndrias e passou a controlá-las também”.
Então, de certa forma, “o vírus apenas veste a célula do arqueão como uma capa”, disse Bell. E se esse modelo estiver certo, ele apontou, “você poderia dizer que no coração de cada célula humana está um vírus”.
Origens contestadas
Desde as primeiras publicações de Takemura e Bell, várias descobertas se alinharam bem com a ideia de uma origem viral para o núcleo. Ramos inteiros da árvore genealógica do vírus gigante foram descobertos, por exemplo, ampliando nossa compreensão de sua evolução e, em particular, os genes essenciais que trocaram com seus hospedeiros – aqueles que eles roubaram ou, em alguns casos, talvez dados a células.
Além disso, em 2017, os pesquisadores descobriram um vírus que construiu uma fábrica viral dentro de um hospedeiro bacteriano. Até então, as fábricas virais pareciam ser exclusivas dos vírus que infectam os eucariotos, então encontrar um em um procarioto reforçou a ideia de que algo semelhante poderia ter acontecido há muito tempo para iniciar a formação de um núcleo.
No caso desse vírus, “esta estrutura semelhante a um núcleo não é baseada em membrana”, disse Takemura, o que o torna diferente de muitas fábricas virais e núcleos eucarióticos. Ainda assim, ele sente que esta instância de um vírus construindo um “compartimento” protetor em torno de seu genoma dentro de células procarióticas “sugere fortemente que na célula eucariótica ancestral … o mesmo tipo de compartimentalização por vírus [poderia ter] ocorrido.”
Apenas neste ano, os pesquisadores descobriram poros nas fábricas virais de coronavírus ligadas por membrana dupla, que são assustadoramente uma reminiscência dos poros encontrados no núcleo das células. “Se esse resultado se sustentar, e supondo que a proteína formadora de poros não seja derivada de um genoma eucariótico, então ele embota um argumento contra o modelo de vírus”, escreveu David A. Baum, biólogo evolucionário da Universidade de Wisconsin, Madison, em um e-mail.
Ainda assim, Baum não acredita que os vírus tenham algo a ver com a origem do núcleo. Para ele, a ideia só complica as coisas. “Qual problema na eucariogênese requer vírus como solução?” ele escreveu.
Baum, junto com seu primo, Buzz Baum, um biólogo celular da University College London, propôs uma hipótese diferente: que o núcleo é na verdade um remanescente da membrana externa do ancestral archaeon. Essencialmente, eles acham que um ancestral archaeon começou a alcançar o mundo ao seu redor e se associar com bactérias por meio dessas bolhas exploratórias de membrana. Com o tempo, as bolhas cresceram e cresceram, até que se fundiram novamente – gerando uma nova membrana externa e dobras de membrana interna que deram origem a outros compartimentos intracelulares. “Os parentes vivos mais próximos conhecidos de eucariotos têm extensas protuberâncias extracelulares” que interagem com procariontes, observou David Baum, “surpreendentemente semelhantes ao modelo que propusemos”.
Quanto à evidência de que os vírus deram aos eucariotos algumas de suas proteínas nucleares mais essenciais, sua principal preocupação é que é muito difícil ter certeza sobre a direcionalidade. “Os vírus são os cleptomaníacos definitivos”, disse ele, então eles estão constantemente tirando genes de seus hospedeiros. “Acho que devemos ter muito cuidado para perguntar se encontramos semelhanças entre vírus e eucariotos. Não sabemos se eles deram aos eucariotos ou se os eucariotos deram a eles.”
Purificación López-García, ecologista microbiana da Universidade Paris-Saclay e diretora de pesquisa do Centro Nacional de Pesquisa Científica da França, também não está convencida de que os eucariotos dependem do que eram originalmente proteínas virais. “Não há nenhuma evidência de que haja qualquer relação homóloga entre vírus e núcleos celulares e eucarióticos”, disse ela.
No entanto, López-García também não concorda com o modelo de bolha dos Baums. Ela e seus colegas não acham que os eucariotos começaram com um archaeon engolfando bactérias que se tornariam mitocôndrias. Em vez disso, na visão deles, o archaeon já vivia dentro de uma bactéria maior, resultado de um evento endossimbiótico anterior. “Então, em nosso modelo, o núcleo derivaria desse archaeon e o citoplasma derivaria de uma bactéria”, e essa dupla pegou a futura mitocôndria, explicou ela.
Mas Takemura diz que essas outras hipóteses são falhas, porque, na melhor das hipóteses, “apenas explicam o fenômeno de que o núcleo surgiu” – falta-lhes a justificativa evolucionária de por que o genoma foi encaixotado e por que as partes produtoras de proteínas foram excluídas. Esse também é um ponto crítico para Bell: ele não vê como qualquer uma das outras hipóteses explica a separação entre transcrição e tradução.
A origem viral faz mais sentido e tem as evidências mais fortes, disse Forterre. “Não acho que sejam realmente sérios”, disse ele sobre as teorias opostas. “Eu diria que os vírus desempenham um papel importante nesta história.”
Aguardando descoberta
Será necessário muito mais evidências para convencer cientistas como os Baums e López-García a aceitar o ponto de vista de Forterre. Mas duas décadas de avanços em tecnologia podem finalmente trazer essa evidência ao alcance.
Apenas neste ano, pesquisadores do Japão anunciaram que, após mais de uma década de tentativas, eles finalmente isolaram e cultivaram Lokiarchaeota – archaea do tipo que se acredita ter feito parte da parceria eucariótica original. Isso poderia abrir a porta para descobrir vírus que infectam nossos parentes distantes e visualizar exatamente como essas infecções realmente se parecem.
“Se você encontrasse uma nova classe de vírus infectando o Lokiarchaeota, que entrasse nas células e se instalasse lá e abrisse poros para facilitar o fluxo rápido de transcrições para o citoplasma – isso seria [mais] uma evidência convincente” que os vírus fornecem subir ao núcleo, disse David Baum.
Bell observou que um tesouro de vírus gigantes foi recentemente sequenciado dos mesmos sedimentos do fundo do mar onde Lokiarchaeota foram descobertos. Ele espera que alguém teste se algum desses vírus pode infectar arqueas e, em caso afirmativo, se eles constroem fábricas de vírus semelhantes às feitas pelos NCLDVs que infectam eucariotos. Demonstrar isso, disse ele, seria “fim de jogo”.
Takemura também tem esperança de que esse vírus exista. “A descoberta de vírus arquea, que constroem estruturas semelhantes a núcleos e com base em membrana em células de arquea, será a evidência mais forte da origem viral do núcleo”, disse ele.
Até que esse tipo de evidência extraordinária esteja disponível, a eucariogênese viral provavelmente permanecerá controversa. Mas mesmo que isso não acabe ganhando a batalha pela aceitação, cada teste da teoria revela pedaços de nosso passado evolutivo – e por causa disso, estamos cada vez mais perto de aprender a verdade sobre de onde viemos .
Publicado em 28/11/2020 20h56
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