Estranho micróbio com tentáculos pode se assemelhar ao ancestral da vida complexa
Imagens internas detalhadas do segundo micróbio Asgard revelam componentes semelhantes às células vegetais e animais
Ao cultivar um micróbio com tentáculos incomum no laboratório, os microbiologistas podem ter dado um grande passo para resolver os primeiros ramos da árvore da vida e desvendar um de seus grandes mistérios: como as células complexas que compõem o corpo humano - e todas as plantas, animais e muitos organismos unicelulares - surgiram primeiro. Esses micróbios, chamados Asgard archaea, já foram cultivados - uma vez -, mas o avanço relatado hoje na Nature marca a primeira vez que eles foram cultivados em concentrações altas o suficiente para estudar suas entranhas em detalhes .
As imagens de microscopia eletrônica resultantes revelam estruturas internas complexas sugestivas daquelas em nossas próprias células, acrescentando suporte à ideia ainda controversa de que micróbios antigos semelhantes a Asgard podem ter sido os principais ancestrais de células complexas. O micróbio, da lama de 15 centímetros de profundidade em um canal em um estuário na Eslovênia, possui um citoesqueleto complexo feito da proteína actina, sugerindo que essa estrutura surgiu em archaea antes de se tornar parte integrante de células vegetais e animais. Essas descobertas se somam a trabalhos recentes mostrando que as arqueas de Asgard possuem genes que antes se pensava existirem apenas em organismos mais complexos – outra indicação de que eles podem ser um importante precursor evolutivo.
"Este papel é lindo", diz Buzz Baum, biólogo celular evolutivo do Laboratório de Biologia Molecular do Conselho de Pesquisa Médica. “As imagens são impressionantes.” Baum suspeita que muitos pesquisadores vão querer estudar os micróbios recém-cultivados.
Considerado um terceiro domínio da vida pela maioria dos cientistas, os archaea são distintos das bactérias e dos eucariotos, o ramo evolutivo que inclui os humanos. Ainda assim, archaea e bactéria apresentam algumas semelhanças importantes – normalmente nenhuma delas possui características eucarióticas essenciais, como mitocôndrias, centrais de força internas das células ou DNA encapsulado dentro de um núcleo, por exemplo. Embora muitos pesquisadores pensem que as primeiras células eucarióticas surgiram depois que um archaeon engolfou uma bactéria que se tornou a mitocôndria, eles lutaram para descobrir como outras características dos eucariotos, como suas muitas membranas e organelas internas, evoluíram. “Até recentemente, a jornada da vida em direção à complexidade era um borrão”, diz Masaru Nobu, microbiologista do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada.
Genes reveladores
A ideia de que archaeas semelhantes a Asgard podem ser os ancestrais dos eucariotos surgiu em 2015, quando Thijs Ettema, um microbiologista ambiental da Universidade de Wageningen, descobriu genes semelhantes a eucarióticos em arqueas estranhas a partir de amostras de sedimentos coletadas por Christa Schleper, agora microbiologista ambiental da Universidade de Vienna, e seu aluno, Steffen Jørgensen. Em 2017, Ettema havia encontrado genes semelhantes em vários outros grupos de archaea, que compõem coletivamente os Asgards.
Na época, no entanto, Ettema tinha apenas genomas grosseiramente montados a partir do DNA ambiental (eDNA), que normalmente inclui material genético de muitos organismos em uma amostra de solo ou água - e os céticos argumentaram que ele não poderia ter certeza de que os genes eucarióticos realmente pertenciam para arqueia. Mas em 2019, a equipe de Nobu cultivou o primeiro micróbio Asgard, isolado da lama do oceano no Japão, e relatou que seu genoma também tinha genes eucarióticos.
Evidências adicionais surgiram no início deste ano, quando Victoria Orphan, geobióloga do Instituto de Tecnologia da Califórnia e seus colegas isolaram o suficiente de duas outras espécies de Asgard – de rochas coletadas de uma fonte hidrotermais no Golfo da Califórnia – para sequenciar seus genomas completos. Os genes nesses genomas reforçaram o caso de que esses genes realmente surgiram em archaea. Além disso, os genomas continham pedaços móveis de DNA que continham genes bacterianos envolvidos no metabolismo, sugerindo que esses elementos desempenharam um papel na transferência de genes entre os principais ramos da vida , relataram Orphan e seus colegas em 13 de janeiro na Nature Microbiology .
Ao comparar as proteínas codificadas por arqueas e eucariotos de Asgard, pesquisadores como Ettema, Baum e Mohan Balasubramanian, um microbiologista celular da Universidade de Warwick, conectaram recentemente os dois domínios de outra maneira. Eles se concentraram nos complexos de proteínas interativas que as células eucarióticas usam para dobrar, cortar e costurar suas membranas para ligar os compartimentos internos. Até aquele momento, apenas dois desses complexos de proteínas haviam sido encontrados em archaea. Mas os genomas de Asgard contêm instruções para fazer quatro deles , informou a equipe em 13 de junho na Nature Communications .
Depois de prever as estruturas das proteínas, o grupo sintetizou algumas das moléculas em laboratório e mostrou que elas funcionam de maneira semelhante às versões eucarióticas. Para os cientistas, isso sugere que essa maquinaria de manipulação de membrana é anterior à evolução dos eucariotos.
Um novo Asgard
Para definir essas questões, os cientistas precisam de células Asgard para trabalhar, mas levou 12 anos de tentativa e erro para cultivar o primeiro Asgard, e o segundo descrito hoje não foi muito mais fácil. “Eu não sabia o quão difícil seria”, diz Schleper, que liderou o projeto de 7 anos.
Com seus longos tentáculos, as células Asgard são frágeis, por isso foi um desafio concentrá-las transferindo-as de um frasco de crescimento para outro ou estudá-las colorando-as antes de colocá-las sob um microscópio. Finalmente, o pós-doutorado de Schleper, Thiago Rodrigues-Oliveira, desenvolveu uma maneira de cultivá-los em concentrações altas o suficiente para criar amostras para tomografia crioeletrônica (crio-ET), uma técnica em que espécimes congelados são inclinados e vistos em vários ângulos por um microscópio eletrônico para desenvolver uma imagem composta. Mas os estudos de imagem da equipe foram complicados pelo fato de que as amostras cultivadas também continham dois outros micróbios. Uma descoberta de 2020 os ajudou a chegar em Asgard no final.
Dois anos atrás, a geomicrobiologista Jennifer Glass, do Instituto de Tecnologia da Geórgia, notou algo incomum sobre os ribossomos, as estruturas celulares que traduzem informações genéticas em proteínas, em Asgards de sedimentos do fundo do mar. Os genes para uma parte fundamental dessas estruturas eram muito mais longos e, portanto, os ribossomos resultantes eram muito maiores do que os de outros procariotos e até mesmo de muitos eucariotos. Assim, os colaboradores de Schleper, Martin Pilhofer e Florian Wollweber, da ETH Zürich, conseguiram identificar as células Asgard procurando por grandes ribossomos. Mesmo assim, Wollweber levou 36 horas para identificar apenas 17 dos micróbios nas imagens crio-ET.
O novo Asgard, que é diferente geneticamente do isolado pela equipe de Nobu e dos estudados por Orphan para ser colocado em um gênero separado com o nome provisório de Lokiarchaeum ossiferum , também tem tentáculos, mas há espessamentos e pequenas bolhas saindo ao longo dos tentáculos. Sua parede celular também é complexa, com minúsculas estruturas de pirulito se projetando, como se fosse uma amostra do ambiente. “No geral, as estruturas celulares [dessas células] parecem vir de outro planeta”, diz Ettema.
Seu genoma é maior e tem mais genes eucarióticos do que o outro Asgard cultivado, e seu DNA inclui quatro genes para a proteína actina, um componente chave do esqueleto interno de uma célula eucariótica, relata a equipe de Schleper. Esse esqueleto se estende por toda a célula e nos tentáculos, e varia de célula para célula, sugerindo que é capaz de ser reorganizado. “Mostramos que o citoesqueleto 'eucariótico' – que é crucial para os eucariontes – foi uma invenção dentro das archaea, o que significa que evoluiu antes do surgimento das primeiras células eucarióticas”, explica Schleper.
“Este estudo reforça ainda mais que nosso ancestral é archaea”, concorda o colaborador de Nobu, Hiroyuki Imachi, microbiologista da Agência Japonesa de Ciência e Tecnologia Marinha-Terra.
Alguns cientistas agora acreditam que o cenário mais provável para o surgimento de eucariotos, cerca de 2 bilhões de anos após o surgimento de bactérias e archaea, é que um micróbio semelhante a Asgard envolveu uma bactéria que usa oxigênio, transformando-a em um produtor extra de energia para seu hospedeiro. A archaea também pode ter adquirido outras bactérias para fazer a célula combinada que compreende os eucariotos.
Mas nem todos concordam. Alguns biólogos evolutivos, incluindo Patrick Forterre, do Instituto Pasteur, argumentaram que as árvores genealógicas construídas com base na comparação de certos genes de Asgard e eucariotos não apóiam o papel predominante de Asgard archaea no nascimento de eucariotos. E no ano passado, Sven Gould, um biólogo celular evolutivo da Heinrich Heine University Düsseldorf calculou que Asgard archaea contribuiu muito pouco para os primeiros eucariotos , apenas 0,3% das famílias de proteínas que se acredita existirem no ancestral comum dos eucariotos.
Gould concorda com a visão generalizada de que uma fusão entre archaea e bactéria deu origem aos primeiros eucariotos, mas acha que o parceiro archaeal não era nada parecido com os micróbios recém-cultivados. Em vez disso, diz ele, a evidência genética aponta para um hospedeiro muito mais simples. Em um artigo de 10 de novembro na eLife , Gould e seus colegas propõem que foi a presença de bactéria dentro dessas células causando novos estresses nos processos celulares da Archaea que estimularam a evolução de características eucarióticas como o núcleo e a rede de membranas e compartimentos internos chamados o aparelho de Golgi, e até mesmo a evolução do sexo.
Ettema, too, thinks the full story has yet to unfold. He notes that based on eDNA sampling by his group and others, the two cultured Asgards represent just a small subset of the group’s diversity. He points out that recent work indicates eukaryotes branched off a specific branch of Asgard archaea. Also, the last common ancestor of Asgard archaea and eukaryotes most likely was very different from the two Asgard archaea characterized so far. So, he and others are trying to culture and characterize other Asgards.
Microbiologists and evolutionary biologists eagerly await results for those efforts. “It will be exciting to see what other Asgard-like archaea are discovered and what they look like,” Baum says.
Sobre o autor
Autor
Liz Pennisi é uma correspondente sênior que cobre muitos aspectos da biologia para a Science .
