Laboratório Ratcliff, Georgia Tech
Pesquisadores descobriram que ambientes que favorecem o crescimento desordenado são tudo o que é necessário para transformar rapidamente leveduras unicelulares em organismos multicelulares complexos.
Para os olhos humanos, a forma de vida dominante na Terra é multicelular. Essas catedrais de carne, celulose ou quitina geralmente tomam forma seguindo um programa de desenvolvimento sofisticado e infinitamente iterado: uma única célula microscópica se divide, depois se divide de novo e de novo e de novo, com cada célula tomando seu lugar nos tecidos emergentes, até que haja é um elefante ou uma sequóia onde não havia antes.
Pelo menos 20 vezes na história da vida – e possivelmente várias vezes mais – organismos unicelulares deram o salto para a multicelularidade, evoluindo para fazer formas maiores do que as de seus ancestrais. Em alguns desses casos, a multicelularidade entrou em ação, produzindo os elaborados organismos conhecidos como plantas, animais, fungos e algumas formas de algas. Nessas formas de vida, as células se moldaram em tecidos com diferentes funções – células do músculo cardíaco e células da corrente sanguínea, células que sustentam o caule de uma planta de trigo, células que fotossintetizam. Algumas células passam seus genes para a próxima geração, as células germinativas como óvulos e espermatozóides, e depois há todo o resto, as células somáticas que sustentam a linha germinativa em sua busca para se propagar.
Mas em comparação com a simplicidade altamente bem-sucedida da vida unicelular, com seu mantra de “comer, dividir, repetir”, a multicelularidade parece complicada e cheia de compromissos perigosos. Questões sobre quais circunstâncias poderiam ter atraído os organismos a tomar essa bifurcação na estrada milhões de anos atrás na Terra – não uma, mas muitas vezes – atormentam cientistas de teóricos de jogos e paleontólogos a biólogos que cuidam de organismos unicelulares no laboratório.
Agora, o biólogo William Ratcliff do Instituto de Tecnologia da Geórgia e seus colegas relatam que ao longo de quase dois anos de evolução, eles induziram leveduras unicelulares a crescer em aglomerados multicelulares de tamanho imenso, indo de estruturas microscópicas a ramificadas visíveis ao olho nu. As descobertas ilustram como essa transição pode acontecer e implicam em experimentos futuros intrigantes para ver se essas estruturas desenvolvem diferenciação – se as células começam a desempenhar papéis especializados no drama da vida vivida em conjunto.
Incentivos para ser flocos de neve
Quase uma década atrás, os cientistas que estudam a multicelularidade ficaram alvoroçados por um experimento realizado por Ratcliff, Michael Travisano e seus colegas da Universidade de Minnesota. Ratcliff, que estava fazendo sua tese de doutorado sobre cooperação e simbiose em leveduras, estava conversando com Travisano sobre multicelularidade, e eles se perguntavam se seria possível evoluir a levedura para algo multicelular. Por capricho, eles pegaram tubos de levedura crescendo em cultura, sacudiram-nos e selecionaram aqueles que se estabeleceram mais rapidamente para semear uma nova cultura, repetidamente por 60 dias.
Laboratório Ratcliff, Georgia Tech
Esse procedimento simples, como eles descreveram mais tarde nos Proceedings of the National Academy of Sciences, rapidamente causou a evolução de minúsculos aglomerados – leveduras que evoluíram para permanecer ligadas umas às outras, para melhor sobreviver à pressão de seleção exercida pelos cientistas. Os pesquisadores determinaram posteriormente que, por causa de uma única mutação no ACE2, um fator de transcrição, as células não se desfaziam depois de se dividirem, o que as tornava mais pesadas e capazes de afundar mais rapidamente.
Essa mudança nas células surgiu rápida e repetidamente. Em menos de 30 transferências, um dos tubos apresentou esta aglomeração; dentro de 60 transferências, todos os tubos estavam fazendo isso. Os pesquisadores apelidaram as células de levedura de floco de neve, em homenagem às formas ramificadas que viram ao microscópio.
A levedura de flocos de neve começou como um projeto paralelo, mas parecia uma avenida promissora a ser explorada. “Essa tem sido minha vida por 10 anos desde então”, disse Ratcliff. O trabalho lhe rendeu colaboradores como Eric Libby, biólogo matemático da Universidade Umeå, na Suécia, e Matthew Herron, pesquisador da Georgia Tech, onde Ratcliff é agora professor. Ele se juntou ao variado ecossistema de pesquisadores tentando entender como a vida multicelular surgiu.
É fácil para nós, como as vastas arquiteturas de células que somos, dar como certo que a multicelularidade é uma vantagem absoluta. Mas até onde podemos dizer pelos fósseis, a vida parece ter sido alegremente unicelular em seus primeiros bilhões de anos. E ainda hoje, existem muito mais organismos unicelulares do que multicelulares no planeta. Ficar junto tem sérias desvantagens: o destino de uma célula fica ligado ao das células ao seu redor, então, se elas morrerem, ela também pode morrer. E se uma célula se tornar parte de um coletivo multicelular, pode acabar como uma célula somática em vez de uma célula germinativa, o que significa que sacrifica a oportunidade de transmitir seus genes diretamente através da reprodução.
Há também questões de concorrência. “As células da mesma espécie tendem a competir por recursos”, disse Guy Cooper, teórico da Universidade de Oxford. “Quando você junta vários deles, essa competição por recursos se torna ainda mais forte. Esse é um grande custo… então você precisa de um benefício que seja igual ou maior do outro lado para que a multicelularidade evolua.”
Laboratório Ratcliff, Georgia Tech
Um incentivo pode ser que grupos maiores de células podem ser mais difíceis para os predadores comerem. Trabalhos independentes de Roberta Fisher na VU University Amsterdam em 2015 e Stefania Kapsetaki em Oxford em 2019 mostraram que algas e bactérias responderam a predadores microscópicos formando grupos. Herron e seus colegas mostraram em 2019 que essa multicelularidade adaptativa em algas não dependia do reaparecimento de algum traço ancestral enterrado: era uma adaptação totalmente original e evoluída.
Outro possível incentivo para a multicelularidade pode ser que os organismos se movam melhor ou forrageiam melhor como um grupo sob certas condições. Se for esse o caso, explicou Cooper, “isso leva a uma troca de viabilidade e fecundidade, no sentido de que você aumenta sua sobrevivência ao custo de ser menos reprodutivo, porque está competindo pelos recursos”.
Algumas algas podem alternar entre grupos multicelulares e células únicas quando seus ambientes mudam. Os coanoflagelados, os parentes unicelulares mais próximos dos animais, também podem optar por realizar ações que os fazem parecer curiosamente multicelulares. Thibaut Brunet, biólogo evolucionário do Instituto Pasteur, lembra de um workshop em Curaçao onde ele e seus colegas coletaram água perto da costa para verificar a presença de coanoflagelados e notaram tarde da noite, após o jantar, que havia algo se movendo em sua amostra. Era uma nova espécie de coanoflagelado que se uniu para formar uma forma de xícara, que estava se virando do avesso para se mover. “Foi fascinante ver essa coisa se deformar. – Tinha esse comportamento coletivo complexo que o tornava quase animal”, disse Brunet. “Você quase podia sentir essa transição do mundo microbiano para o mundo animal.”
Samuel Velasco/Revista Quanta; fonte: Herron et al.
Mas para as células da maioria das criaturas multicelulares, não há escolha – é multicelularidade ou morte. “De alguma forma, torna-se uma estrada de mão única”, disse Cooper. “E prevê-se que a divisão do trabalho seja um grande ator nessa transição.” Uma vez que algumas células começam a desempenhar um novo papel, abrindo mão de seu próprio sucesso reprodutivo para aumentar o de suas vizinhas, os modelos computacionais sugerem que viver em grupo deve proporcionar benefícios de eficiência para que o estilo de vida tenha chance de sobreviver. Os parâmetros necessários para o sucesso devem ter sido atendidos no passado, mas como exatamente?
Quando Ratcliff começou seu trabalho de evolução experimental de longo prazo, ele combinou o interesse de um teórico em uma miríade de cenários possíveis com a curiosidade de um biólogo sobre o que um organismo vivo real faria quando pressionado ao limite. Ele também estava pensando em um dos experimentos de evolução mais famosos, iniciados por Richard Lenski há mais de 30 anos: 12 colônias de E. coli no laboratório de Lenski foram mantidas desde 1988. Elas se transformaram ao longo dos anos de maneiras surpreendentes: por exemplo , em 2003, Lenski e seus colegas descobriram que uma população havia desenvolvido a capacidade de digerir citrato, algo que E. coli nunca havia feito antes.
Ratcliff se perguntou o que aconteceria com o fermento de floco de neve cultivado por tanto tempo – eles eventualmente atingiriam tamanho grande? Isso levaria à diferenciação?
A levedura do floco de neve alcançou a multicelularidade prontamente, mas seus aglomerados permaneceram microscópicos, não importa o que Ratcliff tentasse. Durante anos, ele não conseguiu progredir e credita a Ozan Bozdag, um cientista de pesquisa da Georgia Tech que era pós-doutorado no laboratório de Ratcliff, por romper a parede.
Vivendo Grande Sem Oxigênio
O ingrediente crucial acabou sendo o oxigênio. Ou melhor, a falta dela.
O oxigênio pode ser muito útil para os seres vivos, porque as células podem usá-lo para quebrar os açúcares para grandes pagamentos de energia. Quando o oxigênio não está presente, as células devem fermentar açúcares, para um rendimento utilizável menor. O tempo todo, Ratcliff vinha cultivando levedura com oxigênio. Bozdag sugeriu o cultivo de algumas culturas sem ele.
Bozdag começou os experimentos de seleção com três grupos diferentes de leveduras de flocos de neve, dois que podiam usar oxigênio e um que, por causa de uma mutação, não podia. Cada grupo consistia em cinco tubos geneticamente idênticos, e Bozdag os montou em uma máquina de agitação. Durante todo o dia, o fermento foi agitado a 225 rotações por minuto. Uma vez por dia, ele os deixava repousar no balcão por três minutos, depois usava o conteúdo do fundo do tubo para iniciar novas culturas. Então, de volta ao shaker eles foram. Todos os dias de 2020 e início de 2021, mesmo durante o fechamento dos laboratórios da pandemia de COVID-19, Bozdag estava lá, com uma isenção especial concedida pela universidade, exercendo seleção sobre a levedura.
Samuel Velasco/Revista Quanta;
fonte: Ratcliff Lab, Georgia Tech
Durante os primeiros 100 dias, os aglomerados em todos os 15 tubos dobraram de tamanho. Então eles se estabilizaram até por volta do 250º dia, quando os tamanhos em dois dos tubos que não usavam oxigênio começaram a subir novamente. Por volta do dia 350, Bozdag notou algo em um desses tubos. Havia aglomerados que ele podia ver a olho nu. “Como um biólogo evolutivo? você acha que é um evento casual. De alguma forma, eles ficaram grandes, mas vão perder contra os pequenos a longo prazo – esse é o meu pensamento”, disse ele. “Eu realmente não falei sobre isso com Will na época.”
Mas então aglomerados apareceram no segundo tubo. E por volta do dia 400, os outros três tubos de mutantes que não podiam usar oxigênio entraram em ação, e logo todos os cinco tubos tinham estruturas maciças, chegando a cerca de 20.000 vezes seu tamanho inicial. Bozdag começou a tirar fotos dos aglomerados com a câmera de seu telefone. Não havia mais a necessidade de um microscópio.
Por que a dependência do oxigênio parece limitar a expansão dos aglomerados de levedura? O oxigênio se difunde através das células a uma taxa fixa, de modo que, à medida que os aglomerados aumentam, o oxigênio pode alcançar as células no interior apenas lentamente, se é que chega. Embora aglomerados maiores tivessem uma vantagem de sobrevivência nesse experimento, o fascínio do oxigênio era tão atraente para as leveduras que elas limitaram o tamanho de seus aglomerados em vez de abandoná-lo. Para os mutantes independentes de oxigênio que dependiam da fermentação para obter energia, não havia desestímulo para crescer.
Mas o tamanho não foi a única diferença nos clusters. Quando a equipe olhou para os grandes aglomerados sob o microscópio, ficou claro que a levedura havia mudado. As células eram mais alongadas e, enquanto os primeiros aglomerados de levedura de floco de neve se separavam facilmente – eles tinham um centésimo da coesão da gelatina – os grandes aglomerados eram muito mais resistentes. “Eles evoluem de um material realmente frágil para algo que tem as propriedades materiais da madeira”, disse Ratcliff. “Eles ficam pelo menos 10.000 vezes mais difíceis.” Os galhos dos flocos de neve também estavam emaranhados uns nos outros, de modo que, mesmo quando o tremor rompeu os laços, os pedaços permaneceram juntos, enredados na massa maior de seus irmãos. Biofisicamente, isso sugere que um organismo unicelular pode evoluir de forma a manter a integridade física de um tamanho maior.
Isso é intrigante porque o tamanho grande e a diferenciação foram teorizados para andar de mãos dadas, explicou Cooper. Quatorze anos atrás, o biólogo evolucionista J.T. Bonner observou que quanto maior for um organismo multicelular, mais tipos de células ele geralmente tem. Ele levantou a hipótese de que um tamanho maior exige um aumento na complexidade. A ideia é que, à medida que os organismos crescem, eles têm uma variedade maior de necessidades para atender. “Isso pode fornecer um incentivo para dividir o trabalho”, disse Cooper, observando que isso nem sempre pode ser o caso.
Você pode ver, então, como um tamanho maior pode catalisar uma mudança. Imagine um chumaço de levedura de floco de neve, crescendo cada vez mais a cada divisão celular. Os ramos exteriores estão expostos aos nutrientes e perigos do mundo exterior. As ramificações no interior do cluster têm uma experiência diferente; para eles, os nutrientes são mais escassos e os estresses físicos podem ser maiores. E se as células de dentro começassem a se comportar de maneira diferente daquelas do lado de fora? Eles podem alterar seu metabolismo para se contentar com menos. Eles podem crescer paredes celulares mais resistentes para resistir à pressão, como as células nos experimentos do laboratório Ratcliff. Ou eles podem desenvolver canais altamente ramificados que canalizam os nutrientes mais profundamente no aglomerado, um sistema circulatório rudimentar. As diferenças podem se infiltrar nos comportamentos e propriedades das células em regiões distantes de um grande aglomerado.
Laboratório Ratcliff, Georgia Tech
Imagine, então, que toda vez que um novo aglomerado se forma, sua experiência recapitula esse processo, com as mesmas diferenças nos ambientes das células internas e externas conduzindo as mesmas respostas divergentes. Você começa a ver como a história do que já foi uma criatura unicelular pode ser reescrita, seu corpo um palimpsesto do que fez para sobreviver.
Da Multicelularidade à Diferenciação
Até agora, não há casos documentados de um organismo evoluindo tanto a multicelularidade quanto a diferenciação regulada no laboratório. O mais próximo até agora pode ser a levedura floco de neve descrita no artigo de 2012 de Ratcliff e seus colegas, no qual células na junção de dois ramos às vezes provocavam suas próprias mortes. Isso fez com que os ramos ligados à célula morta se quebrassem e iniciassem seus próprios agrupamentos. A equipe acredita que isso pode ser uma forma de diferenciação, pois as células que desistiram de suas vidas podem ter beneficiado a levedura como um grupo. “Pode haver algum benefício da morte celular, se ela quebrar as células antes que elas fiquem com nutrientes limitados”, disse Libby, que trabalhou com Ratcliff na modelagem do fenômeno.
Mas ele também observa que o trabalho de Paul Rainey do Instituto Max Planck de Biologia Evolutiva e seus colegas mostraram que as bactérias Pseudomonas também podem formar grupos multicelulares nos quais as células podem assumir diferentes formas e comportamentos que servem a um fim coletivo. Identificar a verdadeira diferenciação nesses casos pode ser complicado. “Honestamente, essas declarações podem ser discutíveis porque as formas primitivas de complexidade multicelular geralmente parecem um comportamento unicelular típico”, disse Libby. “Isso não é coincidência; tem que evoluir de algum lugar.”
Ainda é altamente especulativo se experimentos futuros mostrarão que leveduras maciças de flocos de neve podem desenvolver diferenças sofisticadas em seus tecidos. Mas à medida que a equipe continua evoluindo o fermento, pode haver muitas oportunidades para que coisas estranhas aconteçam.
Bozdag lembra que, quando disse a Ratcliff que a levedura havia evoluído de tamanho grande, Ratcliff disse: “Cara! Você tem que manter isso por 20, 30 anos!” Após anos de decepção, Ratcliff ficou emocionado ao ver que as leveduras podiam, de fato, fornecer algo como um corpo.
“Eu não tinha certeza se este era um sistema que saturaria em cerca de 1.000 células”, disse Ratcliff. “Temos que continuar desenvolvendo-os e ver o que eles podem fazer. Precisamos ver, se levarmos esses caras o mais longe que pudermos por décadas, por dezenas de milhares de gerações?”
Ele parou, então começou de novo. “Se não fizermos isso, sempre me arrependerei de não ter aproveitado a oportunidade. É uma oportunidade única na vida, tentar empurrar uma criatura multicelular nascente para se tornar mais complexa e ver até onde podemos levá-la.”
Publicado em 29/04/2022 09h42
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