Simbiose: Parceiros inseparáveis
Associação simbiótica entre protozoário e bactéria ajuda a entender a origem de organelas celulares
MARIA GUIMARÃES |
ED. 236 | OUTUBRO 2015
Os protozoários tripanossomatídeos são famosos por atacar seres
humanos, além de plantas e animais de interesse econômico. Destacam-se
os parasitas
Trypanosoma cruzi, responsável pela doença de Chagas,
T. brucei, da doença do sono na África, e os do gênero
Leishmania,
que causam as leishmanioses. Mas para a parasitologista Cristina Motta,
do Instituto de Biofísica Carlos Chagas Filho da Universidade Federal
do Rio de Janeiro (UFRJ), esse não é o aspecto mais interessante desses
seres unicelulares. Alguns tripanossomatídeos albergam em seu interior
uma bactéria sem a qual são incapazes de viver na natureza.
E
vice-versa: a bactéria também não sobrevive sozinha. Essa relação de
endossimbiose pode ajudar a entender a origem dos eucariotos (organismos
com material genético compartimentalizado no núcleo da célula), cujas
organelas – como a mitocôndria e o cloroplasto – resultam de associações
com bactérias.
O que se observa nesses organismos é um passo intermediário na
evolução das organelas. “São dois seres diferentes que se encontraram,
viveram em harmonia e agora formam um só ser, já que um não existe sem o
outro”, diz Cristina. Intrigante é o fato de cada protozoário conter
apenas uma bactéria: elas se dividem mais depressa que o tempo de
geração do hospedeiro, de seis horas, e poderiam ser numerosas dentro da
célula.
“Mas isso não ocorre, o que indica fortemente que o protozoário
controla a proliferação do endossimbionte.” Esse controle rigoroso é
importante porque, sem ele, a bactéria pode tornar-se um parasita e
dominar, ou até matar, o hospedeiro. Cristina e seus colegas vêm
estudando esse controle, como mostram os resultados com as espécies
Strigomonas culicis e
Angomonas deanei, publicados em junho deste ano na revista
Frontiers in Microbiology
como parte da tese de doutorado defendida este ano por Carolina
Catta-Preta. Usando compostos que inibem o ciclo celular do hospedeiro,
mas normalmente não afetam bactérias, os pesquisadores mostraram que a
divisão do endossimbionte também é impedida. É mais um indício de que a
bactéria perdeu o controle da maquinaria que causa a sua fissão, agora a
cargo do hospedeiro. Com o bloqueio feito em pontos diversos do ciclo
celular do protozoário, em alguns casos o endossimbionte começa o
processo de replicação do seu material genético, sem conseguir fazer a
divisão final, formando assim um longo filamento que contém várias
cópias do material genético bacteriano.
Normalmente, quando as bactérias se dividem, primeiro duplicam todo o
seu conteúdo, inclusive o DNA. Depois se formam o septo e um anel que,
por constrição, promovem a formação de duas células-filhas. No caso do
simbionte estudado, essas estruturas típicas da divisão bacteriana não
se formam. Com sua especialidade em microscopia, anos atrás Cristina já
observara a ação coordenada da replicação de
Angomonas deanei e
da bactéria que vive dentro dele.
O primeiro DNA a se replicar no
organismo composto é o do endossimbionte, que se alonga apoiado no
núcleo do protozoário até dividir-se em dois. Segundo Cristina, o núcleo
funciona como referência topológica e a bactéria precisa estar bem
posicionada para se dividir e garantir que cada novo protozoário
carregue um simbionte. Em seguida se divide o cinetoplasto, região
especializada da mitocôndria que contém o DNA e está associada à
estrutura locomotora do protozoário conhecida como flagelo. Quando o
núcleo enfim se divide, o protozoário está pronto para se separar em
dois com uma bactéria em cada um, conforme descrito em artigo de 2010 na
PLoS One. Falta agora esmiuçar os mecanismos moleculares
envolvidos nessa divisão sincronizada de estruturas. Cristina conta com o
avanço tecnológico e dos conhecimentos científicos, que proporcionam o
desenvolvimento de projetos com genomas, transcriptomas e mesmo com
redes metabólicas. “É uma visão mais integrada, que nos permitirá
entender mais profundamente essa relação simbiótica”, diz Cristina.
© CAROLINA CATTA-PRETA/UFRJ
O simbionte (verde) lidera o processo de divisão junto ao núcleo (azul). O cinetoplasto (vermelho), se divide em seguida. Estruturas aparecem em reconstrução tridimensional…
Parcerias
A amplitude do trabalho exige a reunião de especialidades diferentes. No
Rio de Janeiro, Cristina conta com colegas da UFRJ e do Instituto
Oswaldo Cruz. Mas ela também ampliou os horizontes geográficos e
mergulhou nos aspectos celulares e genéticos com a ajuda, em parte, de
colaboradores de São Paulo, onde encontrou interlocutores interessados
na questão evolutiva. Um deles é o parasitologista Erney Plessmann de
Camargo, da Universidade de São Paulo (USP). Renomado por suas pesquisas
com
T. cruzi (
ver entrevista em Pesquisa FAPESP
nº 204),
desde os anos 1980 ele se interessa pelo estudo da endossimbiose em
tripanossomatídeos e mais recentemente empreendeu o sequenciamento de
cinco espécies que contêm bactéria simbiótica em parceria com o
Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC), em Petrópolis, na
serra carioca. Em estudo publicado em 2013 na
PLoS One,
Cristina fez análises dos genomas de duas dessas espécies e mostrou
perda de genes nas bactérias. “É um genoma reduzido, mas bastante
funcional, capaz de completar vias biossintéticas essenciais do
protozoário hospedeiro”, comenta, comparando a uma árvore
bonsai.
Esses resultados ajudam a explicar algo que chamou a atenção de
Cristina quando tinha 18 anos e começava um estágio no Instituto de
Biofísica Carlos Chagas Filho: a baixíssima exigência nutricional de um
parasita de insetos quando comparada à de outros tripanossomatídeos. Já
naquela época, o microscópio eletrônico ajudou a flagrar a bactéria
simbiótica. Mais tarde, o genoma de protozoários e respectivos
endossimbiontes corroborou dados obtidos em estudos nutricionais e
bioquímicos, indicando uma intensa troca metabólica entre os dois
organismos.
Graças à bactéria, o protozoário consegue produzir praticamente todos
os aminoácidos necessários, enquanto os tripanossomatídeos sem
simbionte precisam ter o meio de cultura suplementado. O mesmo vale para
o heme, composto à base de ferro, que faz parte de proteínas como a
hemoglobina do sangue. “As bactérias sintetizam heme, que acaba sendo
importante para o crescimento do protozoário”, conta o biólogo Sergio
Schenkman, da Universidade Federal de São Paulo (Unifesp), coautor do
artigo. “Os protozoários que causam doenças não fabricam heme, por isso
precisam ser parasitas.” Para o pesquisador, essa lacuna cria neles um
ponto fraco que pode ser usado como arma contra a doença ou para
entendê-la.
A autossuficiência em relação aos nutrientes pode ser essencial nas
sete espécies caracterizadas pela endossimbiose. Elas infectam apenas
insetos, de nutrição inconstante. “Protozoários que parasitam
vertebrados encontram um ambiente nutricional, no sangue ou no interior
das células, mais rico”, compara Cristina. Sua associação com o grupo de
Schenkman e o da bióloga Carolina Elias, do Instituto Butantan, tem
cerca de uma década e busca elucidar aspectos do ciclo celular do
protozoário e entender como a bactéria pode coevoluir com a célula
hospedeira. “O ciclo celular só era conhecido em
T. brucei, que
não tem endossimbionte”, lembra o pesquisador da Unifesp. Em sua visão,
só é possível compreender um organismo quando se detalha o seu processo
de divisão celular para reprodução, a mitose, e quais moléculas o
regulam. No caso dos protozoários e seus endossimbiontes, eles ainda não
chegaram lá. “Não sabemos como o hospedeiro controla a formação do anel
que provoca a divisão das bactérias.”
O objetivo é refinar cada vez mais a compreensão desse sistema
integrado. Um enfoque na parceria com Schenkman, parte do trabalho de
Carolina Catta-Preta, é usar o sistema de interferência de RNA, o RNAi,
para influir no ciclo celular de
A. deanei. É uma ferramenta
mais precisa para manipular pontos exatos do controle da divisão
celular, uma vez que sejam identificadas as sequências-alvo no
organismo. Resultados ainda não publicados mostram que esse é um caminho
promissor para corroborar e aprofundar o que já foi descrito com a
ajuda de drogas que bloqueiam a divisão das bactérias, entre outros
aspectos.
Em colaboração com colegas franceses, das universidades de Lyon e de
Bordeaux e do LNCC, Cristina também está detalhando a rede metabólica e o
metabolismo energético desses organismos por meio de análises em
computador das sequências genéticas identificadas.
Origem
Ainda há um longo caminho a trilhar para compreender esses organismos
compostos, mas o olhar de Cristina vai muito além deles. “Usamos a
endossimbionte em tripanossomatídeos para entender como surgiram as
organelas na célula eucariota e também a sua estrutura e funcionamento
otimizados”, conta. “Estabelecer como o protozoário controla a divisão
da bactéria tem relação direta com a origem da mitocôndria na célula
eucariota.”
Os estudos evolutivos mostram que as bactérias simbióticas das
diferentes espécies de tripanossomatídeos têm um único ancestral,
conforme mostra o estudo de 2013 na
BMC Evolutionary Biology,
cujo primeiro autor é o biólogo João Alves, do Instituto de Ciências
Biomédicas (ICB) da USP. O estudo indica ainda a transferência de genes
de bactérias para o núcleo da célula hospedeira – tanto das
endossimbiontes como de outras já perdidas. Algumas dessas
transferências gênicas completam vias de síntese de aminoácidos
essenciais para o protozoário.
A origem única do endossimbionte em tripanossomatídeos é mais um
paralelo com o surgimento das organelas, como a mitocôndria, que deriva
de um único encontro entre microrganismos. A teoria conhecida como
endossimbiótica, que descreve esse acontecimento, se popularizou a
partir dos anos 1970, com a publicação do livro
Origem das células eucariotas,
da evolucionista norte-americana Lynn Margulis, mas é bem mais antiga
que isso. Em 1905, o biólogo russo Konstantin Mereschkowski propôs que
estruturas de células vegetais teriam surgido de uma cianobactéria.
De lá para cá uma infinidade de estudos corrobora essa ideia, mas
investigar e descobrir como esse processo pode ter acontecido é um
privilégio de poucos. Os endossimbiontes dos tripanossomatídeos estão no
meio do caminho evolutivo entre bactérias de vida livre e organelas.
Tendo perdido a maior parte do seu material genético e da sua parede
celular, eles não têm existência autônoma na natureza. Na prática, a
associação já funciona como um organismo único, embora seja possível
“curar” o protozoário por meio de tratamento com antibióticos. Uma cura
útil na pesquisa, mas pouco desejável do ponto de vista do organismo, já
que o condena a uma vida em laboratório, com nutrientes fornecidos
pelos pesquisadores.
“Vejo a endossimbiose em tripanossomatídeos como um caso de amor
eterno e isso sempre me incentivou a estudar essa história”, diz
Cristina, comparando o casamento entre os dois microrganismos ao
interesse que a move.
Mesmo dedicando a maior parte de seu tempo ao microscópio, ao
laboratório e a análises em computador, Cristina afirma que sua
ferramenta principal de trabalho é o pensamento. Por isso, há mais de 10
anos ela também se dedica a cursar especializações em filosofia e até
ministra disciplinas de filosofia para a pós-graduação em biofísica.
Esse olhar multidisciplinar vai além da ciência de bancada e lhe dá uma
visão ampla. “O parasitismo também é uma forma de simbiose, porque o
termo simbiose significa viver junto”, afirma, tornando mais abrangente o
fascínio por seu objeto de estudo. “São dois lados da moeda em um único
ser: o protozoário é ao mesmo tempo parasita do inseto e hospedeiro do
endossimbionte.”
Artigos científicos
CATTA-PRETA, C. M.
et al.
Endosymbiosis in trypanosomatid protozoa: the bacterium division is controlled during the host cell cycle.
Frontiers in Microbiology. v.6, artigo 520. 2 jun. 2015.
ALVES, J. M. P.
et al.
Endosymbiosis
in trypanosomatids: the genomic cooperation between bacterium and host
in the synthesis of essential amino acids is heavily influenced by
multiple horizontal gene transfers.
BMC Evolutionary Biology. v. 13, p. 190. 9 set. 2013.
MOTTA, M. C. M.
et al. Predicting the proteins of Angomonas deanei, Strigomonas culicis and their respective endosymbionts reveals new aspects of the Trypanosomatidae family.
PLoS One. v. 8, n. 4, e60209. 2 jun. 2013.
MOTTA, M. C. M.
et al.
The bacterium endosymbiont of Crithidia deanei undergoes coordinated division with the host cell nucleus.
PLoS One. v. 5, n. 8, e12415. 26 ago. 2010.
