Os cientistas geralmente acreditam que a vida complexa surgiu depois que dois microrganismos distintos formaram uma parceria estreita. Essa fusão acabou dando origem a plantas, animais e fungos, conhecidos coletivamente como eucariotos. No entanto, uma questão-chave persiste há anos. Se um necessita de oxigénio para sobreviver e se pensa que o outro só cresce num ambiente livre de oxigénio, como é que estes dois organismos se conheceram?
Pesquisadores da Universidade do Texas em Austin agora relatam evidências que podem resolver esse quebra-cabeça. escrever no diário naturezaa equipe se concentrou em um grupo de microrganismos chamados Asgardianos Archaea, que se acredita serem parentes próximos dos ancestrais da vida complexa. Embora a maioria dos Asgardianos conhecidos vivam nas profundezas do mar ou em outros ambientes privados de oxigênio, novas pesquisas sugerem que alguns membros do grupo podem tolerar e até usar oxigênio. A descoberta reforça teorias de longa data de que a vida complexa provavelmente evoluiu conforme previsto num ambiente aeróbico.
“A maioria dos organismos Asgardianos hoje são encontrados em ambientes sem oxigênio”, explica Brett Baker, professor associado de ciências marinhas e biologia integrativa na Universidade do Texas. “Mas acontece que os organismos mais intimamente relacionados com os eucariotas vivem em locais onde o oxigénio está disponível, como em sedimentos marinhos pouco profundos e flutuando na coluna de água, e têm muitas vias metabólicas que utilizam oxigénio. Isto sugere que os nossos antepassados eucarióticos provavelmente também tiveram estes processos.”
O Grande Evento de Oxidação e os Primeiros Eucariontes
A equipe de Baker estudou os genomas das arquéias Asgardianas para identificar novos ramos do grupo e entender melhor como esses micróbios produzem energia. Suas últimas descobertas são consistentes com as reconstruções feitas por geólogos e paleontólogos da atmosfera primitiva da Terra.
Há mais de 1,7 mil milhões de anos, o teor de oxigénio na atmosfera era extremamente baixo. Então, durante o que os cientistas chamam de “Grande Evento de Oxidação”, as concentrações de oxigênio aumentaram dramaticamente, aproximando-se eventualmente dos níveis atuais. Algumas centenas de milhares de anos após esse aumento dramático, os primeiros microfósseis eucarióticos conhecidos aparecem no registro fóssil. Este momento próximo sugere que o oxigénio pode ter desempenhado um papel crucial no surgimento de vida complexa.
“O fato de alguns Asgardianos, nossos ancestrais, serem capazes de usar oxigênio se encaixa muito bem com isso”, disse Baker. “O oxigênio apareceu no ambiente, e os Asgardianos se adaptaram a isso. Eles descobriram as vantagens energéticas do uso do oxigênio e então evoluíram para eucariotos.”
Simbiose e o nascimento das mitocôndrias
O modelo predominante sustenta que os eucariontes surgiram quando Asgardiana Archaea formou uma relação simbiótica com Alphaproteobacteria. Com o tempo, os dois organismos se integraram em uma única célula. As alfaproteobactérias eventualmente evoluíram para mitocôndrias, estruturas produtoras de energia dentro das células eucarióticas.
Neste estudo, os pesquisadores expandiram significativamente a diversidade genética conhecida das archaea Asgardianas. Eles identificaram alguns grupos específicos, incluindo Heimdallarchaeia, que estão particularmente relacionados com os eucariontes, mas são relativamente incomuns hoje.
“Essas archaea Asgardianas são frequentemente ignoradas pelo sequenciamento de baixa cobertura”, disse a coautora Kathryn Appler, pesquisadora de pós-doutorado no Instituto Pasteur em Paris, França. “O enorme esforço de sequenciamento e a estratificação de abordagens sequenciais e estruturais nos permitiram ver padrões que não eram visíveis antes da expansão do genoma.”
Esforços de sequenciamento do genoma em larga escala
O trabalho começou com o doutorado de Appler. Em 2019, ela conduziu um estudo no Instituto de Ciências Marinhas da Universidade do Texas no qual extraiu DNA de sedimentos oceânicos. A equipe e os colaboradores do UT reuniram mais de 13.000 novos genomas microbianos. O projeto combinou amostras de múltiplas expedições oceânicas e exigiu a análise de aproximadamente 15 terabytes de DNA ambiental.
A partir deste extenso conjunto de dados, os investigadores recuperaram centenas de novos genomas Asgardianos, quase duplicando a diversidade genómica conhecida do grupo. Ao comparar semelhanças e diferenças genéticas, eles construíram uma árvore da vida arcaica Asgardiana expandida. O genoma recentemente identificado também revela um grupo de proteínas até então desconhecido, duplicando o número de classes de enzimas identificáveis nestes microrganismos.
Análise de inteligência artificial de proteínas do metabolismo do oxigênio
A equipe examinou então Heimdallarchaeia mais de perto, comparando suas proteínas com proteínas em eucariotos envolvidos na produção de energia e no metabolismo do oxigênio. Para fazer isso, eles usaram um sistema de inteligência artificial chamado AlphaFold2 para prever a forma tridimensional das proteínas. Como a estrutura de uma proteína determina a sua função, esta análise fornece pistas importantes.
Os resultados mostram que várias proteínas Heimdallarchaeia são muito semelhantes às proteínas utilizadas pelas células eucarióticas para o metabolismo de poupança de energia baseado em oxigénio. Esta semelhança estrutural fornece apoio adicional à ideia de que os antepassados da vida complexa foram adaptados para utilizar oxigénio.
Outros colaboradores do estudo incluem os ex-investigadores da UT Xianzhe Kong (agora na Universidade de Shandong, na China), Pedro Leão (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, e Kassiani Panagiotou e Thijs Ettema, da Universidade de Wageningen, na Holanda, também participaram da pesquisa.
O financiamento parcial foi fornecido pela Fundação Gordon, Betty Moore e Simmons, pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China e pelo Conselho Nacional de Saúde e Pesquisa Médica da Austrália.
