À medida que os cientistas aprendem mais sobre arquéias enigmáticas, eles encontram pistas sobre a evolução das células complexas que constituem as pessoas, plantas e muito mais.
O biólogo evolucionário David Baum ficou emocionado ao folhear uma pré-impressão em agosto de 2019 e ficar cara a cara – bem, cara a célula – com um primo distante. Baum, que trabalha na Universidade de Wisconsin-Madison, estava olhando para um archaeon: um tipo de microorganismo mais conhecido por viver em ambientes extremos, como aberturas oceânicas profundas e lagos ácidos. Archaea pode parecer semelhante a uma bactéria, mas tem tanto em comum com ela quanto com uma banana. Aquela na pré-impressão do bioRxiv tinha projeções semelhantes a tentáculos, fazendo com que as células parecessem almôndegas com alguns fios de espaguete presos.
Baum havia passado muito tempo imaginando como seriam os ancestrais longínquos dos humanos, e este micróbio era um doppelgänger perfeito.
Archaea são mais do que apenas formas de vida excêntricas que prosperam em lugares incomuns – elas acabam sendo bastante difundidas. Além disso, eles podem ser a chave para entender como a vida complexa evoluiu na Terra. Muitos cientistas suspeitam que um antigo archaeon deu origem ao grupo de organismos conhecidos como eucariotos, que incluem amebas, cogumelos, plantas e pessoas – embora também seja possível que os eucariotos e as arquéias tenham surgido de algum ancestral comum mais distante.
As células eucarióticas são estruturas palacianas com características internas complexas, incluindo um núcleo para abrigar material genético e compartimentos separados para gerar energia e construir proteínas. Uma teoria popular sobre sua evolução sugere que eles descendem de um archaeon que, em algum lugar ao longo do caminho, se funde com outro micróbio.
Mas os pesquisadores tiveram problemas para explorar essa ideia, em parte porque archaea pode ser difícil de cultivar e estudar em laboratório. Os micróbios têm recebido tão pouca atenção que mesmo os princípios básicos de seu estilo de vida – como eles se desenvolvem e se dividem, por exemplo – permanecem em grande parte misteriosos.
Agora, os pesquisadores podem estar mais perto do que nunca de respostas evolutivas plausíveis. Graças a um aumento no interesse por esses micróbios frequentemente negligenciados e à invenção contínua de métodos para cuidar de arqueas no laboratório, os biólogos celulares estão vendo-os com mais detalhes do que era possível anteriormente. As publicações sobre esse grupo enigmático de micróbios quase dobraram na última década, e o estudo nascente de sua biologia é imensamente empolgante, diz o microbiologista molecular Iain Duggin, da University of Technology Sydney, na Austrália. “Podemos fazer alguns experimentos fundamentais interessantes e fazer algumas descobertas importantes de primeira etapa”, diz ele. “Podemos ter uma visão muito mais clara de como os primeiros eucariotos evoluíram.”
As imagens que impressionaram Baum, publicadas posteriormente na Nature, ofereciam tal visão. Eles foram o resultado de 12 anos de cultura meticulosa de um archaeon que se pensava estar intimamente relacionado àquele que gerou os eucariotos. Microbiologistas de todo o mundo ficaram entusiasmados com os retratos, mas para Baum, eles eram uma teoria de estimação trazida à vida.
Cinco anos antes, ele e seu primo, o biólogo celular Buzz Baum, do Laboratório de Biologia Molecular (LMB) do Conselho de Pesquisa Médica (MRC) em Cambridge, Reino Unido, publicaram uma hipótese sobre a origem dos eucariotos. Eles previram que a avó de todos eles poderia ter brotado protuberâncias, muito parecidas com as do archaeon no papel. Eles raciocinaram que essas saliências passaram a envolver bactérias próximas, que então se transformaram em uma característica definidora das células eucarióticas: os produtores de energia em forma de losango conhecidos como mitocôndrias.
Enquanto David Baum olhava para os fios de espaguete, ele se lembra de ter pensado: “Meu Deus, estávamos certos”.
Mistérios fundamentais
Se um eucarioto é realmente um archaeon aprimorado, os cientistas precisam entender as archaea para descobrir como as células mais complexas surgiram. Enquanto os cientistas que estudam eucariotos e bactérias vêm se aprofundando em processos como a divisão e o crescimento celular há décadas, o funcionamento interno das arquéias ainda é bastante obscuro. “Archaea, sempre, faz as coisas de maneira diferente”, diz Sonja Albers, microbiologista molecular da Universidade de Freiburg, na Alemanha. Por exemplo, proteínas relacionadas podem desempenhar funções diferentes em organismos diferentes. Isso torna as arquéias fascinantes de estudar, diz Duggin, mas também é importante, porque os pesquisadores podem comparar os grupos, procurando pistas sobre a origem do núcleo e outras inovações importantes.
Dos solos aos mares, uma coisa que todas as células têm em comum é que se dividem para fazer mais de si mesmas. Aconteceu no ancestral comum de todas as formas de vida baseadas em células na Terra, mas o processo começou a parecer diferente à medida que os organismos se adaptavam a seus nichos.
Os pesquisadores podem explorar a evolução observando essa divergência. Quaisquer mecanismos que todas as formas de vida celular tenham em comum apontam para a biologia herdada das células mais primitivas. Em contraste, os sistemas compartilhados apenas entre arquéias e eucariotos, ou apenas bactérias e eucariotos, indicam qual pai forneceu os vários ingredientes da biologia dos eucariotos. Por exemplo, a membrana flexível que separa as células eucarióticas do ambiente externo é semelhante à das bactérias.
Duggin estuda a divisão celular do archaeon Haloferax volcanii. É um amante das condições salgadas, como as do Mar Morto, e não dos vulcões, como o apelido da espécie sugere. (Recebeu o nome em homenagem ao microbiologista Benjamin Elazari Volcani.) Para um extremófilo, H. volcanii é muito simples de crescer em um caldo salgado, e suas células grandes e achatadas são fáceis de ver se dividindo sob o microscópio.
Apesar das enormes diferenças entre bactérias, eucariotos e arquéias, os grupos compartilham alguns sistemas de divisão celular. Nas bactérias, uma proteína chamada FtsZ forma um anel no futuro local de divisão celular. Duggin e seus colaboradores observaram o mesmo em H. volcanii. FtsZ, então, parece ter raízes na própria base da árvore evolutiva.
As Archaea também ajudaram a revelar outras proteínas antigas. Uma é SepF, uma proteína que o grupo de Albers descobriu ser essencial para a divisão de H. volcanii. Junto com o FtsZ, poderia fazer parte de um “sistema mínimo” primordial de divisão celular, de acordo com Nika Pende, bióloga evolucionista do Instituto Pasteur de Paris. Pende analisou a distribuição dos genes que codificam FtsZ e SepF em uma variedade de micróbios e rastreou-os até o último ancestral comum universal de todas as células vivas.
No entanto, em algum ponto da evolução, algumas arquéias atribuíram a tarefa de divisão celular a um conjunto diferente de proteínas. É aqui que entra o trabalho mais recente de Buzz Baum. Seu grupo tem estudado o arqueão Sulfolobus acidocaldarius. Nesse caso, o nome se encaixa: adora ácido e calor. Os membros do laboratório usam luvas de jardinagem para se proteger do líquido ácido em que vive e construíram uma câmara especial para que pudessem observar a divisão sob o microscópio sem pontos frios ou evaporação.
A equipe de Baum viu um grupo completamente diferente de proteínas gerenciando o anel de divisão. Nos eucariotos, onde foram descobertos pela primeira vez, essas proteínas não estão apenas envolvidas com a divisão. Eles têm um papel muito mais amplo, separando as membranas por toda a célula para criar pacotes envolvidos por membrana chamados vesículas e outros pequenos recipientes. As proteínas são conhecidas como ESCRTs (complexos de classificação endossômica necessários para o transporte). Em S. acidocaldarius, a equipe viu proteínas arquea relacionadas a essas pinças multifacetadas que gerenciam o anel de divisão, sugerindo que as primeiras versões de ESCRTs evoluíram no ancestral arquea de eucariotos.
FtsZ, entretanto, evoluiu para tubulina eucariótica, que dá estrutura às nossas células. Essas descobertas sugerem que o ancestral arquea dos eucariotos provavelmente tinha um kit para moldar e dividir células que a seleção natural adaptou às necessidades das células descendentes mais complexas.
Avó de relance
Mas que tipo de célula era aquele arqueon ancestral? E como ele conheceu e se fundiu com seus parceiros bacterianos?
A bióloga Lynn Margulis foi a primeira a propor, em 1967, que os eucariotos surgiam quando uma célula engolia outras. A maioria dos pesquisadores concorda que ocorreu algum envolvimento, mas eles têm ideias diferentes sobre quando isso aconteceu e como surgiram os compartimentos internos nos eucariotos. “Várias dezenas de modelos testados morreram ao longo do caminho porque não são mais plausíveis”, diz Sven Gould, biólogo celular evolutivo da Universidade Heinrich Heine em Düsseldorf, Alemanha. Outras teorias podem subir ou cair à medida que os biólogos celulares aumentam sua compreensão das archaea.
Muitos modelos presumem que as células que eventualmente se tornaram eucarióticas já eram bastante complexas, com membranas flexíveis e compartimentos internos, antes mesmo de encontrarem a bactéria que se tornaria a mitocôndria. Essas teorias exigem que as células tenham desenvolvido uma maneira de engolir material externo, conhecido como fagocitose, para que pudessem abocanhar a bactéria que passava em uma mordida fatídica (consulte “Duas maneiras de fazer células complexas”). Em contraste, Gould e outros pensam que as mitocôndrias foram adquiridas cedo e que ajudaram a alimentar uma célula maior e mais complexa.
O modelo de Baums é um dos poucos a explicar como as mitocôndrias podem surgir sem fagocitose. David Baum teve a ideia pela primeira vez como um estudante de graduação na Universidade de Oxford, no Reino Unido, em 1984. Seu processo começa com arquéias e bactérias saindo, compartilhando recursos. O archaeon pode começar a esticar e inchar suas membranas externas para aumentar a área de superfície para a troca de nutrientes. Com o tempo, essas protuberâncias podem se espalhar e crescer ao redor da bactéria até que ela esteja, mais ou menos, dentro do archaeon. Ao mesmo tempo, a membrana externa original do arqueão, agora diminuída pelos longos tentáculos que o cercam, evoluiria para a fronteira do novo núcleo, enquanto a nova membrana externa da célula se formaria quando alguns tentáculos particularmente longos crescessem bem ao redor da borda, muito ampliando a célula em comparação com seu precursor arquea. Esse processo difere da fagocitose, pois começa com uma comunidade de organismos e ocorre em longas escalas de tempo, e não em uma única mordida.
O tutor de David Baum disse a ele que a ideia era criativa, mas carecia de evidências. Ele o deixou de lado. Mas ele já havia compartilhado seu entusiasmo pelas ciências da vida com seu primo Buzz, então uma criança, em jantares familiares regulares em Oxford. “Em parte, é por isso que entrei para a biologia”, lembra Buzz.
Em 2013, David decidiu escrever sua teoria. Ele enviou uma nota para Buzz, que agora dirigia seu próprio laboratório, que ajudou a desenvolver ainda mais a teoria. A dupla definiu vários aspectos da biologia que sustentam sua ideia, como o fato de que archaea e bactérias foram encontradas vivendo lado a lado e trocando nutrientes. Os Baums tiveram dificuldade para publicar sua proposta, mas finalmente encontraram um lar na BMC Biology2 em 2014.
A ideia recebeu uma resposta entusiástica, lembra Buzz, especialmente de biólogos celulares. Mas em 2014, David ainda achava que eles tinham apenas 50-50 chances de estarem certos.
E então, cinco anos depois, as imagens de espaguete e almôndega apareceram. Os dois Baums ficaram emocionados.
A espécie foi a primeira a ser cultivada em um grupo denominado archaea Asgard. Esses organismos, descritos em 2015, possuem genes que codificam proteínas que muitos cientistas consideram notavelmente semelhantes aos dos eucariotos. Os pesquisadores rapidamente começaram a suspeitar que o ancestral arquea dos eucariotos era algo semelhante a um archaeon Asgard. Ao apontar para uma avó em potencial, a descoberta apoiou a hipótese dos Baums.
O representante Asgard – que ainda não tem um nome finalizado e atualmente é conhecido como Candidatus ‘Prometheoarchaeum syntrophicum’ – cresceu em um biorreator ao lado de um par de suportes microbianos com os quais compartilhava nutrientes. Notavelmente, ele carecia de quaisquer membranas internas complexas ou sinais de que poderia algum dia fagocitar aqueles associados. Tinha três sistemas que podiam ser associados à divisão celular: proteínas equivalentes a FtsZ; ESCRTs; e a proteína de contração muscular actina, que também contribui para a divisão em eucariotos. Os cultivadores ainda não descobriram como ele usa para se dividir, diz o membro da equipe Masaru Nobu, microbiologista do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada em Tóquio.
A grande surpresa veio quando as células pararam de se dividir e surgiram tentáculos. É possível, sugerem os Baums, que estes possam amplificar a troca de nutrientes com os micróbios com os quais o archaeon foi co-cultivado, como seu modelo previu para a célula da avó.
Com base em suas observações, Nobu e seus colegas desenvolveram uma teoria sobre como os eucariotos evoluíram que compartilha muito com a ideia dos Baums. Envolve filamentos de extensão de um micróbio que eventualmente engolfa seu parceiro1. “Gosto da nossa hipótese porque permite que essas complexidades exclusivas dos eucariotos” – núcleos e mitocôndrias – “aconteçam ao mesmo tempo”, diz Nobu.
Cultivando confiança
As fotos do archaeon Asgard realmente ajudaram a sustentar a teoria dos Baums. “É muito emocionante que eles formem essas saliências”, diz a microbióloga evolucionária e co-descobridora de Asgard, Anja Spang, do NIOZ Instituto Real Holandês para Pesquisa Marinha, na ilha de Texel. “Tudo se encaixa, porque se um ancestral pudesse formar tais protuberâncias, poderia tornar um consórcio de arquéias e bactérias muito mais compacto.”
Os Baums agora estimam que há 80% de chance de estarem no caminho certo e não são os únicos a ganhar confiança. Ramanujan Hegde, um bioquímico do LMB que estuda proteínas de membrana, está contribuindo para a próxima sétima edição do livro Molecular Biology of the Cell. Ele e seus colegas decidiram que a hipótese Baum substituirá o modelo baseado em fagocitose na edição atual. Mas ainda não há provas, é claro: Hegde tem o cuidado de usar termos incertos como “poderia ter”.
Na verdade, alguns outros, incluindo Gould, dizem que o modelo dos Baums não explica totalmente como essas saliências da membrana poderiam ter evoluído para lâminas, fechado em torno da célula para criar um limite externo completo ou adquirido as características das membranas bacterianas. Para explicar as membranas semelhantes às bactérias, Gould e seus colegas desenvolveram um modelo baseado no fato de que tanto as bactérias de vida livre quanto as mitocôndrias liberam vesículas regularmente. Eles propuseram em 2016 que o proto-eucarioto adquiriu mitocôndrias pela primeira vez – sua teoria não especifica como – que vazou vesículas para a célula. Essas vesículas forneceram os materiais da membrana que a célula eucariótica em evolução usou para construir sua estrutura interna e borda externa. Isso explicaria por que as membranas dos eucariotos se parecem com as bactérias, diz Gould.
Esses e outros modelos concorrentes podem ser apoiados ou refutados à medida que os pesquisadores continuam a cultivar e estudar arquéias; dezenas de micróbios foram cultivados com sucesso no laboratório. Buzz Baum e seus colaboradores estão investigando a simbiose em arqueas e analisando árvores genealógicas microbianas para testar suas ideias mais detalhadamente. Nobu e seus colegas estão investigando as saliências com mais detalhes e trabalhando em outras arquéias de Asgard.
Pode haver mais evidências esperando para serem encontradas. Por exemplo, os Baums prevêem que pode ser possível descobrir eucariotos nos quais as membranas dos tentáculos ainda não se desconectaram da membrana celular externa, correspondendo a um intermediário em sua teoria. O que parece cada vez mais provável, pelo menos, é que devemos nossa existência a uma espécie de história de amor antiga entre um arqueão e uma bactéria. “Somos parte bactérias, parte archaea, parte novas invenções”, diz Buzz Baum. “É melhor juntos.”
Publicado em 23/05/2021 09h51
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