Avanços na reconstrução do genoma antigo e na biotecnologia estão agora revelando os ricos segredos moleculares dos microorganismos paleolíticos. Em um novo estudo publicado na Science, uma equipe transdisciplinar de pesquisadores liderada pelo Instituto Leibniz de Pesquisa de Produtos Naturais e Biologia de Infecções, o Instituto Max Planck de Antropologia Evolutiva e a Universidade de Harvard reconstruíram genomas bacterianos de bactérias anteriormente desconhecidas datadas do Pleistoceno. Usando seus projetos genéticos, eles construíram uma plataforma de biotecnologia para reviver os produtos naturais de antigas bactérias.
Os micróbios são os maiores químicos da natureza, e entre suas criações estão um grande número de antibióticos e outras drogas terapêuticas do mundo. A produção desses complicados produtos químicos naturais não é simples e, para isso, as bactérias dependem de tipos especializados de genes que codificam o maquinário enzimático capaz de fabricar esses produtos químicos.
Atualmente, o estudo científico de produtos naturais microbianos é amplamente limitado a bactérias vivas, mas, como as bactérias habitam a Terra há mais de 3 bilhões de anos, existe uma enorme diversidade de produtos naturais do passado com potencial terapêutico que permanecem desconhecidos para nós – até agora.
“Neste estudo, alcançamos um marco importante ao revelar a vasta diversidade genética e química de nosso passado microbiano”, diz a co-autora Christina Warinner, professora associada de antropologia na Universidade de Harvard, líder do grupo no Instituto Max Planck para evolução evolutiva. Antropologia (MPI-EVA) e Líder do Grupo de Afiliados no Instituto Leibniz de Pesquisa de Produtos Naturais e Biologia de Infecções (Leibniz-HKI).
“Nosso objetivo é traçar um caminho para a descoberta de produtos naturais antigos e informar suas possíveis aplicações futuras”, acrescenta o co-autor sênior Pierre Stallforth, professor de química bioorgânica e paleobiotecnologia na Friedrich Schiller University Jena e chefe do departamento de paleobiotecnologia. no Leibniz-HKI.
Um quebra-cabeça de bilhões de peças
Quando um organismo morre, seu DNA se degrada rapidamente e se fragmenta em uma infinidade de pequenos pedaços. Os cientistas podem identificar alguns desses fragmentos de DNA combinando-os com bancos de dados, mas por anos os arqueólogos microbianos têm lutado com o fato de que a maioria do DNA antigo não pode ser comparado a nada conhecido hoje.
Esse problema há muito incomoda os cientistas, mas os avanços recentes na computação agora estão tornando possível reajustar os fragmentos de DNA – como as peças de um quebra-cabeça – para reconstruir genes e genomas desconhecidos. O único problema é que ele não funciona muito bem em DNA antigo altamente degradado e extremamente curto do Pleistoceno.
“Tivemos que repensar completamente nossa abordagem”, diz Alexander Hübner, pesquisador de pós-doutorado no MPI-EVA e coautor principal do estudo. Três anos de testes e otimização depois, Hübner diz que eles alcançaram um avanço, alcançando trechos de DNA reconstruído com mais de 100.000 pares de bases de comprimento e a recuperação de uma ampla gama de genes e genomas antigos. “Agora podemos começar com bilhões de fragmentos de DNA antigos desconhecidos e ordená-los sistematicamente em genomas bacterianos há muito perdidos da Idade do Gelo”.
Explorando o Paleolítico microbiano
A equipe se concentrou na reconstrução de genomas bacterianos envoltos em cálculos dentários, também conhecidos como tártaro dentário, de 12 neandertais datados de cerca de 102.000 a 40.000 anos atrás, 34 humanos arqueológicos datados de cerca de 30.000 a 150 anos atrás e 18 humanos atuais. O tártaro dentário é a única parte do corpo que rotineiramente fossiliza durante a vida, transformando a placa bacteriana viva em um cemitério de bactérias mineralizadas.
Os pesquisadores reconstruíram numerosas espécies bacterianas orais, bem como outras espécies mais exóticas cujos genomas não haviam sido descritos antes. Entre eles estava um membro desconhecido do Chlorobium, cujo DNA altamente danificado mostrava as marcas da idade avançada, e que foi encontrado no cálculo dentário de sete humanos paleolíticos e neandertais. Verificou-se que todos os sete genomas de Chlorobium continham um agrupamento de genes biossintéticos de função desconhecida.
“O cálculo dentário da Red Lady de El Mirón, Espanha, de 19.000 anos, produziu um genoma de Chlorobium particularmente bem preservado”, diz Anan Ibrahim, pesquisador de pós-doutorado no Leibniz-HKI e co-autor principal do estudo. “Tendo descoberto esses enigmáticos genes antigos, queríamos levá-los ao laboratório para descobrir o que eles fazem.”
Química da era do gelo
A equipe usou as ferramentas da biotecnologia molecular sintética para permitir que as bactérias vivas produzissem as substâncias químicas codificadas pelos genes antigos. Esta foi a primeira vez que essa abordagem foi aplicada com sucesso a bactérias antigas e resultou na descoberta de uma nova família de produtos naturais microbianos que os pesquisadores chamaram de “paleofuranos”.
“Este é o primeiro passo para acessar a diversidade química oculta dos micróbios do passado da Terra e adiciona uma nova e empolgante dimensão de tempo à descoberta de produtos naturais”, diz Martin Klapper, pesquisador de pós-doutorado no Leibniz-HKI e coautor principal do estudo.
Uma nova colaboração para fundar um novo campo
O sucesso do estudo é o resultado direto de uma colaboração ambiciosa entre arqueólogos, bioinformáticos, biólogos moleculares e químicos para superar barreiras tecnológicas e disciplinares e abrir novos caminhos científicos.
“[Nós] nos propusemos construindo pontes entre as humanidades e as ciências naturais”, diz Pierre Stallforth. “Ao trabalhar de forma colaborativa, fomos capazes de desenvolver as tecnologias necessárias para recriar moléculas produzidas há cem mil anos”, diz Christina Warinner. Olhando para o futuro, a equipe espera usar a técnica para encontrar novos antibióticos.
Publicado em 10/05/2023 08h51
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