O plâncton é o motor invisível da vida na Terra. Esses organismos microscópicos constituem uma grande parte do oxigênio do planeta e formam a base da cadeia alimentar dos oceanos. São incrivelmente diversos, com milhares de espécies já identificadas e muitas mais aguardando serem descobertas. Entre eles, os protistas – organismos minúsculos e unicelulares – são particularmente notáveis pelo seu significado evolutivo. Durante anos, os cientistas só puderam estudá-los através de dados genéticos porque as técnicas de imagem existentes não conseguiram revelar as suas complexas estruturas internas.
Uma epidemia estimula a descoberta colaborativa
Durante a pandemia de COVID-19, o líder do grupo EMBL, Gautam De, recebeu uma ligação Zoom da colega Omaya Dudin, que então liderava um grupo de pesquisa na EPFL. Dudin conseguiu adaptar um novo método de imagem para visualizar sua organização interna Ictiosporia (um protista marinho intimamente relacionado com animais e fungos). Este progresso superou um obstáculo de longa data: as resistentes paredes celulares da espécie.
Esta técnica, conhecida como microscopia de expansão, foi originalmente desenvolvida no MIT e posteriormente refinada em microscopia de expansão ultraestrutural (U-XM) por Paul Guichard e Virginie Hamel da Universidade de Genebra. Suas melhorias tornaram as paredes celulares do protista permeáveis, permitindo aos cientistas observar claramente sua arquitetura interna pela primeira vez.
Inspirados por este sucesso, Dudin, Dey, Guichard e Hamel iniciaram uma colaboração de longo prazo. Três anos mais tarde, a sua parceria produziu um corpo de conhecimento sem precedentes sobre centenas de espécies protistas e lançou as bases para um “atlas planetário” de plâncton.
A expedição Traversing European Coastline (TREC) liderada pelo EMBL proporcionou uma oportunidade ideal para explorar ainda mais estes organismos marinhos. Publicado recentemente célulaAs descobertas da equipa fornecem informações detalhadas sobre a estrutura celular de mais de 200 espécies de plâncton, particularmente eucariotas (animais cujas células têm um núcleo ligado à membrana). Esta pesquisa marca o início do PlanExM, um projeto TREC projetado para mapear a diversidade estrutural oculta do plâncton usando microscopia de expansão.
Explore organismos marinhos com detalhes sem precedentes
Em Roscoff, França – um dos locais de amostragem da primeira expedição TREC – a Station Biologic mantém uma das coleções mais abrangentes de microrganismos marinhos da Europa. Esperando apenas algumas dezenas de amostras, a equipe pediu ao gerente Ian Probert material para testar sua técnica. Em vez disso, têm acesso a mais de 200 espécies.
“Passamos três dias e três noites apenas consertando essas amostras. Era um tesouro que não podíamos abandonar”, disse o coautor Felix Mikus, que completou seu doutorado no grupo de Day e agora é pós-doutorado no laboratório de Dudin na Universidade de Genebra.
Como funciona a microscopia de expansão
A microscopia de expansão, que completa 10 anos este ano, amplia fisicamente amostras biológicas. Uma amostra – constituída por células, tecidos ou organismos unicelulares – é incorporada num gel transparente que absorve e expande a água. Notavelmente, a estrutura interna da célula permanece intacta e se expande proporcionalmente, permitindo aos pesquisadores ampliar a amostra em até 16 vezes sem usar lentes de alta potência.
“Quando combinada com métodos regulares de microscopia de luz, a microscopia de expansão permite que os cientistas contornem as barreiras de comprimento de onda padrão que limitam o modo como pequenas estruturas podem ser resolvidas usando a microscopia de luz”, disseram Guichard e Hamel.
Mapeando o esqueleto celular da vida
Utilizando a amostra de Roscoff e uma segunda recolha em Bilbao, Espanha, a equipa conduziu um dos estudos mais abrangentes de sempre sobre o citoesqueleto – a rede de filamentos que sustentam e organizam as células eucarióticas. Eles se concentraram nos microtúbulos (filamentos ocos que ajudam a manter a forma, a divisão e o movimento das células) e nas centrinas (proteínas envolvidas na organização dos micróbios).
“Conseguimos mapear características da organização dos microtúbulos e centrinas em diferentes grupos eucarióticos”, explicou Heeral Shah, pós-doutorado do EIPOD no grupo EMBL’s Day e Schwab e co-primeiro autor do estudo. “A escala do estudo, as muitas espécies caracterizadas em cada grupo, abre a possibilidade de previsões evolutivas. Por exemplo, os dinoflagelados, um dos grupos mais diversos encontrados nos oceanos de todo o planeta, estão bem representados em nosso estudo.
Revelando padrões evolutivos através da microscopia
“O U-ExM está mudando a forma como exploramos a ultraestrutura protista”, disse o coautor Armando Rubio Ramos, pós-doutorado na Universidade de Genebra. “Ao combinar esta técnica com imagens de alto rendimento e análises comparativas, podemos começar a explicar como a arquitetura celular variou ao longo da evolução. É uma ponte entre os dados moleculares e a organização física da vida em escala microscópica.”
As descobertas não apenas esclarecem como as células eucarióticas são organizadas, mas também fornecem pistas sobre o desenvolvimento evolutivo de suas estruturas internas. A pesquisa destaca o poder da microscopia de expansão como ferramenta para estudar até mesmo amostras ambientais complexas coletadas diretamente do oceano.
Rumo a um Atlas Planetário da Vida Microscópica
“Nossas aventuras com a microscopia de expansão estão apenas começando”, diz Day. “Esta é talvez a primeira técnica de microscopia de alta resolução que corresponde à escala e à ambição de grandes projetos de genômica de biodiversidade, permitindo-nos vincular novos dados multiômicos com a fisiologia celular em toda a árvore da vida em um futuro próximo.”
Juntando-se à colaboração de Thomas Richards na Universidade de Oxford, Day e Dudin receberam uma doação da Fundação Moore de CHF 2 milhões para continuar expandindo suas pesquisas.
“O próximo passo é examinar mais profundamente espécies específicas dentro desta ampla coleção para responder a questões específicas, como a compreensão de como a mitose e a multicelularidade evoluíram e a variação fenotípica que está subjacente às principais transições evolutivas”.
