As bactérias fotossintéticas desempenharam um papel importante na formação da Terra como a conhecemos. Entre elas, as cianobactérias se destacam por produzirem o oxigênio que preenche nossa atmosfera e permite o surgimento de vidas complexas. Agora, cientistas do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA) descobriram uma reviravolta surpreendente na forma como estes organismos funcionam. Um sistema biológico que antes se acreditava segregar o DNA evoluiu para controlar o formato das células cianobacterianas. Resultados, publicados ciênciaIsto fornece novos insights sobre como os sistemas proteicos mudam ao longo do tempo e como a vida multicelular evoluiu nessas bactérias ecologicamente importantes.
“As cianobactérias são essencialmente as pioneiras da fotossíntese oxigenada”, diz Benjamin Springstein, pós-doutorado no grupo Luz do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA).
“Eles são responsáveis pelo Grande Evento de Oxigenação há cerca de 2,5 mil milhões de anos, quando o oxigénio acumulado na atmosfera e a vida aeróbica se tornaram possíveis. Sem eles, é seguro dizer que nenhum de nós estaria aqui hoje.”
Ainda hoje, as cianobactérias são essenciais para a vida na Terra. Contribuem enormemente para a biomassa global e desempenham um papel central nos ciclos do carbono e do azoto. Esses organismos são altamente adaptáveis, vivendo em condições extremas, desde fontes termais até o Ártico, bem como em superfícies como telhados e paredes de cidades. Uma espécie em particular, Anabaena sp. PCC 7120 (ou simplesmente Anabaena), é estudado há mais de três décadas e serve de modelo para a compreensão de cianobactérias multicelulares.
A evolução transforma sistemas de DNA em estruturas em forma de células
Springsteen trabalhou com colegas do ISTA, do Instituto Pasteur de Montevidéu (Uruguai), da Universidade de Kiel (Alemanha) e da Universidade de Zurique (Suíça), bem como com o grupo do Prof. Juntos, eles descobriram que Anabaena, e possivelmente outras cianobactérias multicelulares, passaram por uma grande mudança evolutiva. Um antigo sistema usado para separar o DNA durante a divisão celular foi reaproveitado em uma estrutura semelhante ao citoesqueleto que ajuda a determinar a forma da célula.
Explique o DNA em bactérias
Como todas as bactérias, Anabaena se reproduz dividindo-se em novas células. Este processo depende da cópia e distribuição precisa do DNA para que cada nova célula receba a informação genética necessária para sobreviver. O DNA está firmemente compactado nos cromossomos, como fios enrolados em um carretel, e geralmente está presente em múltiplas cópias que devem ser passadas de forma confiável durante a divisão.
O DNA bacteriano vem em duas formas principais. Os cromossomos contêm genes essenciais necessários para a sobrevivência, enquanto os plasmídeos carregam genes adicionais que muitas vezes não são essenciais. Os plasmídeos podem ser transferidos entre bactérias, permitindo que as características se espalhem rapidamente e permitindo uma rápida adaptação.
Um sistema de segregação de DNA com uma nova função
Springsteen estuda Anabaena desde 2014, explorando sua biologia e evolução. Durante a pandemia da COVID-19, quando o trabalho de laboratório foi interrompido, ele passou algum tempo revisando a literatura científica e percebeu algo inesperado.
“Fiz uma observação boba”, lembra ele.
Ele descobriu que Anabaena e algumas cianobactérias relacionadas possuem um sistema conhecido como ParMR em seus cromossomos. Tradicionalmente, este sistema tem sido associado à segregação de plasmídeos e só foi encontrado em plasmídeos, que são material genético móvel. Esta posição invulgar levou-o a suspeitar que o sistema se tinha adaptado a cromossomas separados.
Depois de ingressar no ISTA como IST-Bridge Fellow, Springsteen decidiu testar a ideia. Seus experimentos revelaram algo muito diferente. Um componente, ParR, não se liga mais ao DNA. Em vez disso, liga-se às membranas lipídicas, especialmente à membrana celular interna. Enquanto isso, ParM não forma estruturas no citoplasma para mover o DNA. Em vez disso, forma redes de filamentos logo abaixo da membrana interna, formando uma camada de polímeros proteicos que se assemelha a um córtex celular.
Em vez de agir como um simples sistema de fragmentação de DNA que cria estruturas fusiformes dentro da célula, esse sistema parece operar no nível da membrana e orquestrar a estrutura celular.
Filamentos que se comportam como esqueletos celulares
Para entender melhor como funciona esse sistema, os pesquisadores o recriaram fora das células vivas usando material purificado. Neste experimento de reconstituição in vitro, observaram que os filamentos apresentavam instabilidade dinâmica. Eles crescem e depois entram em colapso rapidamente, um comportamento semelhante ao dos microtúbulos em células mais complexas.
Para investigar mais, a equipe colaborou com o professor Florian Schur da ISTA e seu aluno de doutorado Manjunath Zavoor. Usando microscopia crioeletrônica, que permite aos cientistas ver estruturas moleculares em grande detalhe, eles examinaram como esses filamentos se formam. Eles descobriram que, ao contrário dos filamentos polares formados por sistemas semelhantes em outras bactérias, os filamentos de Anabaena são bipolares, o que significa que podem crescer e encolher em qualquer uma das extremidades.
Danos ao sistema alteram a forma da célula
A verdadeira função deste sistema torna-se aparente quando ele é removido das células vivas.
“As células sem o sistema perdem sua forma retangular normal e, em vez disso, tornam-se redondas e inchadas”, explica Springsteen.
Tais alterações são comumente observadas quando os genes responsáveis pela manutenção da forma celular são interrompidos em outras bactérias. Isto sugere fortemente que o papel principal do sistema é regular a estrutura celular e não direcionar a distribuição do DNA.
Dada a sua nova função e localização na célula, os pesquisadores batizaram o sistema de “CorMR”.
Como a evolução remodelou um sistema antigo
As cianobactérias multicelulares evoluíram lentamente a partir de ancestrais unicelulares, ganhando complexidade com o tempo. A análise de dados biológicos por Daniela Megrian, associada do Instituto Pasteur de Montevidéu, Uruguai, ajudou a esclarecer como surgiu o sistema CorMR.
A transformação não aconteceu da noite para o dia. Em vez disso, provavelmente ocorreu através de uma sequência de mudanças. Primeiro, o sistema é transferido do plasmídeo para o cromossomo. Depois disso, seus componentes mudaram de tamanho e composição. Então, desenvolve a capacidade de se ligar à membrana celular. Finalmente, ele fica sob o controle de um sistema proteico adicional.
Juntos, estes passos transformaram um antigo processo de segregação de ADN num sistema que molda a própria célula, fornecendo um exemplo fascinante de como a evolução pode dar propósitos inteiramente novos a antigas ferramentas biológicas.
