‘Os organismos não seguem nossas definições’: conheça a célula tão minúscula que desafia o conceito de vida

A estrutura fundamental da vida é a célula e, portanto, as principais funções de uma célula — processar biomoléculas, crescer, replicar seu material genético e produzir um novo corpo — são consideradas características marcantes da vida. Mas, no início deste ano, os cientistas descobriram uma célula tão desprovida de funções essenciais que desafia as definições dos biólogos sobre o que é considerado um ser vivo.

Os componentes genéticos necessários para se reproduzir permanecem, constituindo mais da metade do seu genoma.

“O metabolismo é um dos componentes-chave de como costumamos definir a vida”, diz Takuro Nakayama, microbiologista evolucionista da Universidade de Tsukuba, no Japão, que liderou a equipe.

A descoberta da célula “desafia isso ao sugerir que uma célula pode existir quase inteiramente sem o seu próprio metabolismo”, afirma Nakayama. ”Isso demonstra que a diversidade da vida celular é muito maior do que sabíamos e que os organismos nem sempre seguem nossas definições.”

Embora essa forma de vida seja nova para a ciência, é possível que organismos como esse sejam comuns. Uma grande parte da biodiversidade microbiana pode estar escondida nas inter-relações recursivas entre micróbios parasitas e hospedeiros, diz Puri López-García, ecologista microbiana do Centro Nacional de Pesquisa Científica da França, em Paris, que não participou do estudo.

“A diversidade de arqueas e bactérias que parecem pertencer a esses supergrupos de organismos parasitas é muito, muito grande”, diz ela. No caso das bactérias, pode ser entre 25% e 50% da participação total do grupo em termos de espécies, sugere.

A descoberta amplia os limites do nosso conhecimento sobre o quão pequena e simples a vida celular pode se tornar, à medida que evolui até mesmo para formas que mal estão vivas.

Nakayama construiu uma carreira científica observando mais de perto do que outros pesquisadores normalmente fazem. Ele considera uma célula já minúscula e se pergunta: existem células ainda menores que vivem nela?

“A diferença (de tamanho entre as células parasitas e hospedeiras) às vezes pode ser como a diferença entre um ser humano e o Godzilla”, diz Nakayama. Ele é fascinado pela quantidade potencialmente vasta de biodiversidade ainda não descoberta que essas relações podem conter, e seu laboratório busca essas relações na água do mar.

O oceano é um ambiente pobre em nutrientes que incentiva as células a formarem parcerias comerciais. Às vezes, elas flutuam juntas, vagamente ligadas, trocando nutrientes raros e energia. Outras vezes, seus arranjos são mais organizados.

De volta ao laboratório em Tsukuba, depois que os pesquisadores confirmaram que tinham C. regius, eles sequenciaram todos os genomas associados a essa única célula. Como esperado, eles encontraram DNA de suas cianobactérias simbióticas, mas também encontraram outra coisa: sequências que pertencem a uma arquea, um membro do domínio da vida que se acredita ter dado origem a eucariotos como nós.

No início, Nakayama e seus colegas pensaram que tinham cometido um erro. O genoma da arqueia é minúsculo: apenas 238.000 pares de bases de ponta a ponta. Em comparação, os seres humanos têm alguns bilhões de pares de bases, e até mesmo a bactéria E. coli funciona com vários milhões. (As cianobactérias simbióticas da C. regius têm 1,9 milhão de pares de bases.) Anteriormente, o menor genoma arqueano conhecido era o da Nanoarchaeum equitans — com 490.000 pares de bases, ele tem mais do que o dobro do tamanho do novo genoma encontrado pelos pesquisadores. Inicialmente, eles imaginaram que esse minúsculo genoma — grande demais para ser apenas um ruído estatístico — fosse um fragmento abreviado de um genoma muito maior, compilado erroneamente por seu software.

Um reino “bastante misterioso”

Quando a equipe consultou bancos de dados de genes conhecidos para analisar a arquea, descobriu que seu tamanho reduzido era resultado de uma série de ausências.

O Sukunaarchaeum codifica o mínimo necessário de proteínas para sua própria replicação, e isso é tudo. O mais estranho é que seu genoma não apresenta nenhum indício dos genes necessários para processar e construir moléculas, além daqueles necessários para a reprodução. Sem esses componentes metabólicos, o organismo precisa terceirizar os processos de crescimento e manutenção para outra célula, um hospedeiro do qual o micróbio é totalmente dependente.

Outros micróbios simbióticos descartaram grande parte de seus genomas, incluindo os parentes evolutivos do Sukunaarchaeum. A análise dos pesquisadores sugeriu que o micróbio faz parte das arqueas DPANN, às vezes chamadas de nanoarqueas ou arqueas ultrapequenas, que são caracterizadas por seu tamanho pequeno e genomas pequenos.

As arqueas DPANN são geralmente consideradas simbiontes que se agarram à parte externa de micróbios procarióticos maiores, e muitas delas reduziram substancialmente seus genomas para se adequar a esse estilo de vida. Mas, até agora, nenhuma das espécies DPANN tinha genomas tão reduzidos. E o Sukunaarchaeum se ramificou da linhagem DPANN precocemente, sugerindo que ele seguiu sua própria jornada evolutiva.

“Este reino das arqueas é bastante misterioso em geral”, disse Brett Baker, ecologista microbiano da Universidade do Texas, em Austin, que não participou do trabalho. “(As arqueas DPANN são) obviamente limitadas em suas capacidades metabólicas.”

Embora o Sukunaarchaeum possa proporcionar algum benefício indeterminado para seu hospedeiro — que poderia ser o C. regius, a cianobactéria simbiótica ou outra célula totalmente diferente —, ele provavelmente é um parasita egocêntrico. “A redução do seu genoma é motivada por razões totalmente egoístas, consistentes com um estilo de vida parasitário”, diz Tim Williams, microbiologista da Universidade de Tecnologia de Sydney que não participou do estudo. Ele não pode contribuir com produtos metabólicos, então a relação entre o Sukunaarchaeum e qualquer outra célula provavelmente seria unilateral.

Outros micróbios evoluíram de forma igualmente extrema e simplificada. Por exemplo, a bactéria Carsonella ruddii, que vive como simbionte no intestino de insetos que se alimentam de seiva, tem um genoma ainda menor que o do Sukunaarchaeum, com cerca de 159.000 pares de bases. No entanto, essas e outras bactérias superpequenas têm genes metabólicos para produzir nutrientes, como aminoácidos e vitaminas, para seus hospedeiros. Em vez disso, seu genoma descartou grande parte de sua capacidade de se reproduzir por conta própria.

“Elas estão a caminho de se tornarem organelas. Acredita-se que foi assim que as mitocôndrias e os cloroplastos evoluíram”, disse Williams. “Mas o Sukunaarchaeum seguiu na direção oposta: o genoma mantém os genes necessários para sua própria propagação, mas perdeu a maioria, senão todos, os seus genes metabólicos.”

Logo após a equipe de Nakayama publicar seus resultados online, eles receberam uma grande resposta. “Quando vimos o preprint, ficamos realmente empolgados no laboratório”, diz Thijs Ettema, microbiologista evolucionista e especialista em genômica arqueana da Wageningen University & Research, na Holanda, que não participou do trabalho. “Esses tipos de organismos (com genomas reduzidos) já foram encontrados antes, mas não tão extremos quanto este.”

Algumas artigos chegaram a sugerir que o Sukunaarchaeum está evoluindo para se tornar um vírus. No entanto, embora tanto o Sukunaarchaeum quanto os vírus dependam de uma célula hospedeira para funções biológicas muito básicas, os vírus não podem se reproduzir sozinhos.

“Há uma diferença fundamental entre o Sukunaarchaeum e os vírus”, disse Nakayama. “O Sukunaarchaeum mantém seu próprio mecanismo central para a expressão gênica, incluindo ribossomos, embora de forma simplificada. Isso contrasta fortemente com os vírus, que não possuem ribossomos e precisam sequestrar os sistemas celulares do hospedeiro para se replicar.”

As descobertas se encaixam em uma discussão mais ampla sobre como definimos a vida, disse Ettema, já que a natureza rotineiramente desenvolve exceções que desafiam uma categorização simples. “Provavelmente, ele não pode viver de forma independente”, disse ele. “Pode-se dizer o mesmo dos simbiontes bacterianos. E como chamamos organelas como mitocôndrias e plastídios? Em que ponto devemos considerar as coisas vivas?”

Um estilo de vida minimalista

Muitas questões sobre o Sukunaarchaeum permanecem sem resposta. Por um lado, grande parte do seu genoma é composto por genes que não correspondem a nenhuma sequência conhecida. Eles parecem codificar proteínas grandes, o que é incomum em organismos tão radicalmente reduzidos.

Nakayama e seus colegas acreditam que essas grandes proteínas são empregadas na membrana celular e, de alguma forma, auxiliam nas interações entre a arquea e seu hospedeiro. Isso se encaixaria no estilo de vida de outras arqueas DPANN estudadas, diz Ettema, que geralmente são consideradas ectossimbiontes, aderindo à parte externa de hospedeiros comparativamente imensos.

Embora o Sukunaarchaeum tenha sido encontrado associado ao dinoflagelado C. regius, a identidade de seu verdadeiro hospedeiro é desconhecida. O C. regius é um eucarioto, mas as arqueas DPANN geralmente se associam a outras arqueas. Também está em debate: ele está se fixando na parte externa de uma célula hospedeira, como outras arqueas DPANN, ou está vivendo internamente — ou ambos? Responder a essas perguntas exigiria observar a arquea pela primeira vez; neste momento, ela é conhecida apenas por uma curiosa sequência de dados genéticos.

Há também uma pequena possibilidade de que esses genes sejam, afinal, os genes metabólicos “perdidos”, diz López-García, se eles evoluíram tanto a partir de suas sequências originais a ponto de se tornarem irreconhecíveis. “Como o genoma evolui tão rapidamente, talvez algumas dessas funções correspondam a funções metabólicas, mas a divergência é tanta que não conseguimos identificar o homólogo (do gene) (no banco de dados)”, afirma.

Pode haver estilos de vida minimalistas ainda mais estranhos ou genomas ainda mais reduzidos, mas os pesquisadores podem não percebê-los, disse Ettema. As abordagens analíticas tradicionais para pesquisar os genomas de amostras microbianas podem sinalizar seus minúsculos genomas como incompletos ou de baixa qualidade e descartá-los, ou ignorá-los completamente, disse ele. “(O DNA) pode ter estado presente nas amostras, mas foi removido após o sequenciamento e, portanto, ignorado.”

Quando Nakayama e seus colegas pesquisaram um banco de dados de sequências ambientais marinhas dos oceanos do mundo para ver se o novo micróbio aparecia em algum outro lugar, não encontraram nenhuma correspondência. Mas detectaram muitas sequências muito semelhantes do que provavelmente são parentes próximos. O Sukunaarchaeum pode ser a ponta de um iceberg microbiano muito grande, flutuando em um vasto oceano de diversidade microbiana: micróbios minúsculos agarrados a micróbios um pouco menos minúsculos, talvez dentro de outros micróbios, com as histórias de suas relações antigas apenas começando a ser reveladas.

História original republicada com permissão da Quanta Magazine, uma publicação editorialmente independente apoiada pela Simons Foundation. Leia o conteúdo original em A Cell So Minimal That It Challenges Definitions of Life.

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