Os cientistas concordam amplamente que a vida complexa surgiu após uma estreita parceria entre dois micróbios completamente diferentes. Essa fusão acabou dando origem a plantas, animais e fungos, conhecidos coletivamente como eucariotos. No entanto, uma questão fundamental persiste há anos. Como é que estes dois organismos se dão bem quando um necessita de oxigénio para sobreviver enquanto se acredita que o outro prospera apenas num ambiente livre de oxigénio?
Pesquisadores da Universidade do Texas em Austin agora relatam evidências que podem resolver esse quebra-cabeça. Redação de diário a naturezaA equipe se concentrou em um grupo de micróbios chamados Asgard archaea, considerados parentes próximos dos ancestrais da vida complexa. Embora a maioria dos Asgards conhecidos vivam em mares profundos ou outros ambientes pobres em oxigênio, novas pesquisas mostram que alguns membros do grupo podem tolerar ou até mesmo usar oxigênio. A descoberta reforça a teoria de longa data de que a vida complexa evoluiu conforme previsto, possivelmente num ambiente onde o oxigénio estava presente.
“A maioria dos Asgard vivos hoje foram encontrados em ambientes livres de oxigênio”, explicou Brett Baker, professor associado de ciências marinhas e biologia integrativa na UT. “Mas acontece que os parentes mais próximos dos eucariotos vivem em locais oxigenados, como sedimentos costeiros rasos e flutuando na coluna de água, e têm muitas vias metabólicas que usam oxigênio. Isso sugere que nossos ancestrais eucarióticos provavelmente também tiveram esses processos.”
O Grande Evento de Oxidação e os Primeiros Eucariontes
A equipe de Baker estudou os genomas de Asgard archaea para identificar novos ramos do grupo e entender melhor como esses micróbios geram energia. As suas últimas descobertas estão alinhadas com o que geólogos e paleontólogos reconstruíram sobre a atmosfera primitiva da Terra.
Há 1,7 mil milhões de anos, os níveis de oxigénio na atmosfera eram extremamente baixos. Depois, as concentrações de oxigénio aumentaram acentuadamente, no que os cientistas chamam de Grande Evento de Oxidação, atingindo eventualmente níveis semelhantes aos de hoje. Algumas centenas de milhares de anos após esse crescimento dramático, os primeiros microfósseis de eucariotos aparecem no registro fóssil. Este momento próximo sugere que o oxigênio desempenhou um papel importante no surgimento da vida complexa.
“Alguns dos Asgards, que foram nossos ancestrais, eram capazes de usar oxigênio, o que se encaixa muito bem”, disse Baker. “O oxigênio apareceu no ambiente e os Asgards se adaptaram a ele. Eles encontraram uma grande vantagem em usar oxigênio e então evoluíram para eucariotos.”
Simbiose e o nascimento das mitocôndrias
O modelo predominante sustenta que os eucariotos surgiram quando um arqueeon Asgard formou uma relação simbiótica com uma Alphaproteobacterium. Com o tempo, os dois organismos se fundem em uma única célula. Alphaproteobacterium eventualmente evoluiu para mitocôndrias, estruturas dentro de células eucarióticas que produzem energia.
Neste estudo, os pesquisadores expandiram significativamente a diversidade genética conhecida de Asgard archaea. Eles identificaram grupos específicos, incluindo os Heimdallarchaeia, que estão particularmente relacionados com os eucariontes, mas atualmente são relativamente incomuns.
“Estas archaea Asgard são muitas vezes ignoradas pelo sequenciamento de baixa cobertura”, disse a coautora Catherine Appler, pesquisadora de pós-doutorado no Institut Pasteur em Paris, França. “Extensos esforços de sequenciamento e camadas de sequências e métodos estruturais nos permitiram ver padrões visíveis antes desta expansão genômica.”
O enorme esforço de sequenciamento do genoma
O trabalho começou com o doutorado da Apple. pesquisa no Instituto de Ciências Marinhas da Universidade do Texas em 2019, quando extraiu DNA de sedimentos marinhos. A equipe e os colaboradores do UT reuniram mais de 13.000 novos genomas microbianos. O projeto combinou amostras de múltiplas expedições marinhas e analisará aproximadamente 15 terabytes de DNA ambiental.
A partir deste extenso conjunto de dados, os investigadores recuperaram centenas de novos genomas de Asgard, quase duplicando a diversidade genómica conhecida do grupo. Ao comparar semelhanças e diferenças genéticas, eles criaram uma extensa árvore da vida Asgard archaea. Os genomas recentemente identificados também revelaram grupos de proteínas anteriormente desconhecidos, duplicando o número de classes enzimáticas reconhecidas nestes micróbios.
Análise de IA de proteínas do metabolismo do oxigênio
A equipe examinou então os Heimdalarchia mais de perto, comparando suas proteínas com proteínas encontradas em eucariotos que estão envolvidas na produção de energia e no metabolismo do oxigênio. Para fazer isso, eles usaram um sistema de inteligência artificial chamado AlphaFold 2 para prever a forma tridimensional das proteínas. Como a estrutura de uma proteína determina como ela funciona, esta análise fornece pistas importantes.
Os resultados mostram que várias proteínas de Heimdalarchia se assemelham a proteínas usadas por células eucarióticas para um metabolismo baseado em oxigênio e com eficiência energética. Esta semelhança estrutural fornece apoio adicional à ideia de que os antepassados da vida complexa já estavam adaptados para utilizar o oxigénio.
Outros colaboradores do estudo incluíram os ex-pesquisadores da UT Jianze Gong (agora na Universidade de Shandong, na China), Pedro Leo (agora na Universidade Radboud, na Holanda), Marguerite Langwig (agora na Universidade de Wisconsin-Madison) e Valerie De Anda (agora na Universidade de Viena). James Lingford e Chris Greening, da Universidade Monash, na Austrália, também participaram do estudo, juntamente com Cassiani Panagiotou e Thijs Ettema, da Universidade de Wageningen, na Holanda.
O financiamento foi fornecido em parte pela Fundação Gordon e Betty Moore e Simmons, pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China e pelo Conselho Nacional de Saúde e Pesquisa Médica da Austrália.
