À primeira vista, as águas ligeiramente turvas no tubo parecem uma colher de água da chuva, completa com folhas, detritos e fios ainda mais leves na mistura. Mas na placa de Petri, os finos fios semelhantes a vermicelli flutuando delicadamente acima dos restos de folhas são revelados como células bacterianas únicas, visíveis a olho nu.
O tamanho incomum é notável porque as bactérias geralmente não são visíveis sem a ajuda de um microscópio. “É 5.000 vezes maior que a maioria das bactérias. Para contextualizar, seria como um humano encontrando outro humano tão alto quanto o Monte Everest”, disse Jean-Marie Volland, cientista com nomeações conjuntas no Departamento de Energia dos EUA (DOE ) Joint Genome Institute (JGI), uma instalação do DOE Office of Science User Facility localizada no Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e o Laboratory for Research in Complex Systems (LRC) em Menlo Park, Califórnia. Na edição de 24 de junho de 2022 da revista Science, Volland e colegas, incluindo pesquisadores do JGI e Berkeley Lab, LRC, e da Université des Antilles em Guadalupe, descreveram as características morfológicas e genômicas dessa bactéria filamentosa gigante, juntamente com seu ciclo de vida.
Para a maioria das bactérias, seu DNA flutua livremente no citoplasma de suas células. Essa espécie de bactéria recém-descoberta mantém seu DNA mais organizado. “A grande surpresa do projeto foi perceber que essas cópias do genoma que estão espalhadas por toda a célula estão, na verdade, contidas em uma estrutura que possui uma membrana”, disse Volland. “E isso é muito inesperado para uma bactéria.”
Encontros estranhos nos manguezais
A própria bactéria foi descoberta por Olivier Gros, professor de biologia marinha da Université des Antilles, em Guadalupe, em 2009. A pesquisa de Gros se concentra em sistemas de manguezais marinhos, e ele procurava simbiontes oxidantes de enxofre em sedimentos de mangue ricos em enxofre não muito distantes de seu laboratório quando ele encontrou a bactéria pela primeira vez. “Quando os vi, pensei: ‘Estranho'”, disse ele. “No começo eu pensei que era apenas algo curioso, alguns filamentos brancos que precisavam ser presos a algo no sedimento como uma folha.” O laboratório realizou alguns estudos de microscopia nos próximos dois anos e percebeu que era um procarionte oxidante de enxofre.
Silvina Gonzalez-Rizzo, professora associada de biologia molecular da Université des Antilles e co-primeira autora do estudo, realizou o sequenciamento do gene 16S rRNA para identificar e classificar o procarioto. “Pensei que fossem eucariotos; não pensei que fossem bactérias porque eram tão grandes com aparentemente muitos filamentos”, ela lembrou de sua primeira impressão. “Percebemos que eles eram únicos porque pareciam uma única célula. O fato de serem um micróbio ‘macro’ era fascinante!”
“Ela entendeu que era uma bactéria pertencente ao gênero Thiomargarita”, observou Gros. “Ela o chamou de Ca. Thiomargarita magnifica.”
“Magnifica porque magnus em latim significa grande e acho lindo como a palavra francesa magnifique”, explicou Gonzalez-Rizzo. “Esse tipo de descoberta abre novas questões sobre morfotipos bacterianos que nunca foram estudados antes”.
Caracterizando a bactéria gigante
Volland se envolveu com a bactéria gigante Thiomargarita quando voltou ao laboratório de Gros como pós-doutorando. Quando ele se candidatou ao cargo baseado em descobertas no LRC que o veria trabalhando no JGI, Gros permitiu que ele continuasse a pesquisa sobre o projeto.
No JGI, Volland começou a estudar Ca. T. magnifica no Grupo de Células Únicas de Tanja Woyke para entender melhor o que essa bactéria oxidante de enxofre e fixadora de carbono estava fazendo nos manguezais. “Os manguezais e seus microbiomas são ecossistemas importantes para o ciclo de carbono. Se você observar o espaço que eles ocupam em escala global, é menos de 1% da área costeira do mundo. que eles contribuem com 10-15% do carbono armazenado em sedimentos costeiros”, disse Woyke, que também lidera o Programa Microbiano do JGI e é um dos principais autores do artigo. A equipe também foi obrigada a estudar essas grandes bactérias à luz de suas potenciais interações com outros microrganismos. “Iniciamos este projeto sob o impulso estratégico do JGI de interações inter-organismos, porque grandes bactérias sulfurosas demonstraram ser pontos quentes para simbiontes”, disse Woyke. “No entanto, o projeto nos levou a uma direção muito diferente”, acrescentou.
Volland aceitou o desafio de visualizar essas células gigantes em três dimensões e com ampliação relativamente alta. Usando várias técnicas de microscopia, como a tomografia de raios X rígidos, por exemplo, ele visualizou filamentos inteiros de até 9,66 mm de comprimento e confirmou que eram de fato células únicas gigantes em vez de filamentos multicelulares, como é comum em outras grandes bactérias sulfurosas. Ele também foi capaz de usar as instalações de imagem disponíveis no Berkeley Lab, como microscopia confocal de varredura a laser e microscopia eletrônica de transmissão (TEM) para visualizar os filamentos e as membranas celulares com mais detalhes. Essas técnicas permitiram que ele observasse novos compartimentos ligados a membranas que contêm aglomerados de DNA. Ele apelidou essas organelas de “pepinos”, em homenagem às pequenas sementes das frutas. Aglomerados de DNA eram abundantes nas células individuais.
A equipe aprendeu sobre a complexidade genômica da célula. Como Volland observou, “as bactérias contêm três vezes mais genes do que a maioria das bactérias e centenas de milhares de cópias do genoma (poliploidia) que estão espalhadas por toda a célula”. A equipe do JGI então usou genômica de célula única para analisar cinco das células bacterianas no nível molecular. Eles amplificaram, sequenciaram e montaram os genomas. Paralelamente, o laboratório de Gros também usou uma técnica de rotulagem conhecida como BONCAT para identificar áreas envolvidas nas atividades de produção de proteínas, que confirmou que todas as células bacterianas estavam ativas.
“Este projeto foi uma boa oportunidade para demonstrar como a complexidade evoluiu em alguns dos organismos mais simples”, disse Shailesh Date, fundador e CEO da LRC e um dos principais autores do artigo. “Uma das coisas que argumentamos é que há necessidade de olhar e estudar a complexidade biológica com muito mais detalhes do que o que está sendo feito atualmente. Portanto, organismos que pensamos serem muito, muito simples podem ter algumas surpresas.”
O LRC forneceu financiamento para Volland por meio de doações da Fundação John Templeton e da Fundação Gordon e Betty Moore. “Esta descoberta inovadora destaca a importância de apoiar projetos de pesquisa fundamentais e criativos para avançar nossa compreensão do mundo natural”, acrescentou Sara Bender, da Fundação Gordon and Betty Moore. “Estamos ansiosos para aprender como a caracterização de Ca. Thiomargarita magnifica desafia o paradigma atual do que constitui uma célula bacteriana e avança a pesquisa microbiana”.
Uma bactéria gigante, várias questões de pesquisa
Para a equipe, caracterizando Ca. Thiomargarita magnifica abriu caminho para várias novas questões de pesquisa. Entre eles, está o papel da bactéria no ecossistema de mangue. “Sabemos que está crescendo e prosperando em cima do sedimento do ecossistema de mangue no Caribe”, disse Volland. “Em termos de metabolismo, faz quimiossíntese, que é um processo análogo à fotossíntese das plantas.” Outra questão pendente é se as novas organelas denominadas pepins desempenharam um papel na evolução do tamanho extremo de Thiomargarita magnifica, e se pepins estão ou não presentes em outras espécies bacterianas. A formação precisa de pepinas e como os processos moleculares dentro e fora dessas estruturas ocorrem e são regulados também continuam sendo estudados.
Gonzalez-Rizzo e Woyke veem o cultivo bem-sucedido das bactérias no laboratório como uma maneira de obter algumas das respostas. “Se pudermos manter essas bactérias em um ambiente de laboratório, podemos usar técnicas que não são viáveis no momento”, disse Woyke. Gros quer olhar para outras bactérias grandes. “Você pode encontrar algumas fotos de TEM e ver o que parecem pepins, então talvez as pessoas as tenham visto, mas não tenham entendido o que eram. Isso será muito interessante de verificar, se os pepins já estiverem presentes em todos os lugares.”
Pesquisadores do Museu Nacional de História Natural (França), da Universidade Sorbonne (França) e da Universidade Cornell também estiveram envolvidos neste trabalho.
Publicado em 28/06/2022 15h13
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