Um tipo recém-descoberto de estrutura de DNA transferível com um nome de ficção científica parece desempenhar um papel no equilíbrio do metano atmosférico.
Em Star Trek, os Borg são um coletivo implacável e de mente coletiva que assimila outros seres com a intenção de dominar a galáxia. Aqui no planeta não-ficcional Terra, Borgs são pacotes de DNA que podem ajudar os humanos a combater as mudanças climáticas.
No ano passado, uma equipe de cientistas descobriu estruturas de DNA dentro de um micróbio consumidor de metano chamado Methanoperedens que parecem sobrecarregar a taxa metabólica do organismo. Eles chamaram os elementos genéticos de “Borgs” porque o DNA dentro deles contém genes assimilados de muitos organismos. Em um estudo publicado em 19 de outubro na revista Nature, os pesquisadores, liderados por Jill Banfield, descrevem a curiosa coleção de genes dentro dos Borgs. Eles também começam a investigar o papel que esses pacotes de DNA desempenham em processos ambientais, como o ciclo do carbono.
“Imagine uma única célula que tenha a capacidade de consumir metano. Agora você adiciona elementos genéticos dentro dessa célula que podem consumir metano em paralelo e também adiciona elementos genéticos que dão à célula maior capacidade. Basicamente cria uma condição para o consumo de metano em esteróides, se você quiser.” – Kenneth Williams
Primeiro contato
Os metanoperedens são um tipo de archaea (organismos unicelulares que se assemelham a bactérias, mas representam um ramo distinto da vida) que decompõem o metano (CH4) em solos, águas subterrâneas e na atmosfera para apoiar o metabolismo celular. Embora Methanoperedens e outros micróbios consumidores de metano vivam em diversos ecossistemas ao redor do mundo, acredita-se que sejam menos comuns do que micróbios que usam fotossíntese, oxigênio ou fermentação para obter energia. No entanto, eles desempenham um papel descomunal nos processos do sistema terrestre, removendo o metano – o gás de efeito estufa mais potente – da atmosfera. O metano retém 30 vezes mais calor do que o dióxido de carbono e estima-se que seja responsável por cerca de 30% do aquecimento global causado pelo homem. O gás é emitido naturalmente por processos geológicos e por arqueas geradoras de metano; no entanto, os processos industriais estão liberando metano armazenado de volta à atmosfera em quantidades preocupantes.
Banfield é um cientista do corpo docente do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e professor de Ciências da Terra e Planetárias e Ciência Ambiental, Política e Gestão da Universidade da Califórnia, Berkeley (UC Berkeley). Ela estuda como as atividades microbianas moldam os processos ambientais em larga escala e como, por sua vez, as flutuações ambientais alteram os microbiomas do planeta. Como parte desse trabalho, ela e seus colegas coletam amostras regularmente de micróbios em diferentes habitats para ver quais genes interessantes os micróbios estão usando para sobreviver e como esses genes podem afetar os ciclos globais de elementos-chave, como carbono, nitrogênio e enxofre. A equipe analisa os genomas dentro das células, bem como os pacotes portáteis de DNA conhecidos como elementos extracromossômicos (ECEs) que transferem genes entre bactérias, archaea e vírus. Esses elementos permitem que os micróbios obtenham rapidamente genes benéficos de seus vizinhos, incluindo aqueles que são apenas parentes distantes.
Os cientistas descobriram evidências de um tipo totalmente novo de ECE enquanto estudavam Methanoperedens amostrados do solo de piscinas sazonais de zonas úmidas na Califórnia. Ao contrário das fitas circulares de DNA que compõem a maioria dos plasmídeos, o tipo mais conhecido de elemento extracromossômico, os novos ECEs são lineares e muito longos – até um terço do comprimento de todo o genoma de Methanoperedens. Depois de analisar amostras adicionais de solo subterrâneo, aquíferos e leitos de rios na Califórnia e no Colorado que contêm archaea consumidoras de metano, os pesquisadores descobriram um total de 19 ECEs distintos que apelidaram de Borgs. Usando ferramentas avançadas de análise do genoma, a equipe determinou que muitas das sequências dentro dos Borgs são semelhantes aos genes metabolizadores de metano no genoma real de Methanoperedens. Alguns dos Borgs até codificam toda a maquinaria celular necessária para comer metano por conta própria, desde que estejam dentro de uma célula que possa expressar os genes.
“Imagine uma única célula que tenha a capacidade de consumir metano. Agora você adiciona elementos genéticos dentro dessa célula que podem consumir metano em paralelo e também adiciona elementos genéticos que dão à célula maior capacidade. Basicamente, cria uma condição para o consumo de metano em esteróides, se você preferir”, explicou o coautor Kenneth Williams, cientista sênior e colega de Banfield na Área de Ciências da Terra e Ambientais do Berkeley Lab. Williams liderou a pesquisa no local de Rifle, Colorado, onde o Borg mais bem caracterizado foi recuperado, e também é cientista-chefe de campo de um local de pesquisa no East River, perto de Crested Butte, Colorado, onde ocorrem algumas das amostras atuais de Banfield.
O campo de East River faz parte da Área de Foco Científico da Função de Bacias Hidrográficas do Departamento de Energia, um projeto de pesquisa multidisciplinar liderado pelo Berkeley Lab que visa vincular microbiologia e bioquímica com hidrologia e ciência climática. “Nossa experiência está reunindo o que muitas vezes são considerados e tratados como campos de investigação completamente díspares – uma grande ciência que liga tudo, desde genes até processos divisores de águas e atmosféricos”.
A resistência é inútil uma desvantagem
Banfield e seus colegas pesquisadores do Innovative Genomics Institute da UC Berkeley, incluindo a coautora e colaboradora de longa data Jennifer Doudna, levantam a hipótese de que os Borgs podem ser fragmentos residuais de micróbios inteiros que foram engolidos por Methanoperedens para ajudar no metabolismo, semelhante a como as células vegetais aproveitadas anteriormente livres – micróbios fotossintéticos vivos para ganhar o que agora chamamos de cloroplastos, e como uma antiga célula eucariótica consumiu os ancestrais das mitocôndrias de hoje. Com base nas semelhanças nas sequências, a célula engolida pode ter sido um parente de Methanoperedens, mas a diversidade geral de genes encontrados nos Borgs indica que esses pacotes de DNA foram assimilados de uma ampla gama de organismos.
Não importa a origem, está claro que os Borgs existem ao lado dessas archaea, transportando genes de um lado para o outro, há muito tempo.
Notavelmente, alguns Methanoperedens foram encontrados sem Borgs. E, além de genes reconhecíveis, os Borgs também contêm genes únicos que codificam outras proteínas metabólicas, proteínas de membrana e proteínas extracelulares quase certamente envolvidas na condução de elétrons necessária para geração de energia, bem como outras proteínas que têm efeitos desconhecidos em seus hospedeiros. Até que os cientistas possam cultivar Methanoperedens em um ambiente de laboratório, eles não saberão com certeza quais recursos os diferentes Borgs conferem, por que alguns micróbios os usam e por que outros não.
Uma explicação provável é que os Borgs atuam como um armário de armazenamento para genes metabólicos que são necessários apenas em determinados momentos. A pesquisa contínua de monitoramento de metano mostrou que as concentrações de metano podem variar significativamente ao longo do ano, geralmente atingindo o pico no outono e caindo para os níveis mais baixos no início da primavera. Os Borgs, portanto, fornecem uma vantagem competitiva para micróbios comedores de metano, como Methanoperedens, durante períodos de abundância, quando há mais metano do que sua maquinaria celular nativa pode quebrar.
Sabe-se que os plasmídeos servem a um propósito semelhante, espalhando rapidamente genes de resistência a moléculas tóxicas (como metais pesados e antibióticos) quando as toxinas estão presentes em concentrações altas o suficiente para exercer pressão evolutiva.
“Há evidências de que diferentes tipos de Borgs às vezes coexistem na mesma célula hospedeira de Methanopreredens. Isso abre a possibilidade de que os Borgs possam estar espalhando genes entre linhagens”, disse Banfield.
Explorando corajosamente o universo (microbiano)
Desde que publicou seu artigo como uma pré-impressão no ano passado, a equipe iniciou o trabalho de acompanhamento para entender melhor como os Borgs podem afetar os processos biológicos e geológicos. Alguns pesquisadores estão vasculhando conjuntos de dados de material genético de outros microrganismos, procurando evidências de que Borgs existem em associação com outras espécies.
Enquanto seus colegas estão usando métodos baseados em laboratório, a co-autora Susan Mullen, uma estudante de pós-graduação no laboratório de Banfield, estará se molhando com um trabalho de campo muito pitoresco. Ela recentemente iniciou um projeto para amostrar micróbios das planícies de inundação do East River ao longo do ano para avaliar como as mudanças sazonais na abundância de Borg e outros micróbios conhecidos por estarem envolvidos no ciclo de metano se correlacionam com os fluxos sazonais de metano.
De acordo com os autores, anos depois, micróbios cuidadosamente cultivados repletos de Borgs poderiam ser usados para reduzir o metano e conter o aquecimento global. É tudo para beneficiar o coletivo – a vida na Terra.
Publicado em 24/10/2022 22h43
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