As bactérias fotossintéticas desempenharam um papel importante na formação da Terra como a conhecemos. Entre elas, as cianobactérias se destacam pelo oxigênio que produzem, que preenche nossa atmosfera e permitiu 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. Os sistemas biológicos que antes se pensava serem capazes de isolar o DNA evoluíram para controlar a forma das células cianobacterianas. Os resultados da pesquisa foram publicados em ciênciafornecem novos insights sobre como os sistemas proteicos mudam ao longo do tempo e como a vida multicelular se desenvolve nessas bactérias ecologicamente importantes.
“As cianobactérias são essencialmente os precursores da fotossíntese oxigenada”, diz Benjamin Springstein, pós-doutorado no grupo de Loose no 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 se acumulou na atmosfera, tornando possível a vida aeróbica. Sem eles, é seguro dizer que nenhum de nós estaria aqui hoje.”
Ainda hoje, as cianobactérias permanecem vitais para a vida na Terra. Contribuem significativamente para a biomassa global e desempenham um papel central nos ciclos do carbono e do azoto. Estas criaturas são altamente adaptáveis, vivendo em condições extremas, desde fontes termais até ao Ártico, e em superfícies como telhados e paredes urbanas. Uma espécie em particular é Anabaena. PCC 7120 (ou Anabaena, abreviadamente) é estudado há mais de três décadas e serve como modelo para a compreensão de cianobactérias multicelulares.
A evolução transforma sistemas de DNA em estruturas que moldam células
Springstein trabalha em conjunto com a equipe do professor Martin Loose e colaboradores do ISTA, do Instituto Pasteur de Montevidéu (Uruguai), da Universidade de Kiel (Alemanha) e da Universidade de Zurique (Suíça). Juntos, eles descobriram que Anabaena e possivelmente outras cianobactérias multicelulares passaram por grandes transições evolutivas. Um antigo sistema usado para separar o DNA durante a divisão celular foi reinventado como uma estrutura semelhante ao citoesqueleto que ajuda a determinar a forma da célula.
DNA bacteriano
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 é compactado em cromossomos, semelhante a fios enrolados em um carretel, e geralmente existe em múltiplas cópias que devem ser transmitidas de maneira 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 extras que geralmente não são essenciais. Os plasmídeos podem se mover entre bactérias, permitindo que as características se espalhem rapidamente e permitam uma rápida adaptação.
Sistema de isolamento de DNA com novas funções
Springstein estuda Anabaena desde 2014, explorando sua biologia e evolução. Durante a pandemia da COVID-19, quando o trabalho de laboratório estava suspenso, ele passou algum tempo revisando a literatura científica e percebeu algo inesperado.
“Me deparei com um fenômeno”, lembrou ele.
Ele descobriu que os cromossomos de Anabaena e de algumas cianobactérias relacionadas contêm um sistema chamado ParMR. Tradicionalmente, este sistema tem sido associado ao isolamento de plasmídeos e é encontrado apenas em plasmídeos, que são elementos genéticos móveis. Esta posição invulgar levou-o a suspeitar que o sistema poderia ter-se adaptado a cromossomas separados.
Depois de ingressar no ISTA como bolsista do IST-Bridge, Springstein começou a 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 às membranas internas das células. Ao mesmo tempo, o ParM não forma estruturas que movam o DNA no citoplasma. Em vez disso, forma uma rede de filamentos abaixo da membrana interna, formando uma camada de polímeros proteicos que se assemelha a um córtex celular.
Em vez de formar uma estrutura fusiforme dentro da célula, como os sistemas típicos de isolamento de DNA, o sistema opera no nível da membrana e parece organizar a estrutura celular.
Filamentos finos que se comportam como um citoesqueleto
Para entender melhor como funciona o sistema, os pesquisadores o recriaram fora das células vivas usando componentes purificados. Nestes experimentos de reconstituição in vitro, observaram que os filamentos exibiam instabilidade dinâmica. Eles crescem e depois entram em colapso rapidamente, um comportamento semelhante ao dos microtúbulos em células mais complexas.
Para continuar a sua investigação, a equipa colaborou com o professor Florian Schur da ISTA e o seu aluno de doutoramento Manjunath Javoor. Usando microscopia crioeletrônica, que permite aos cientistas observar estruturas moleculares em detalhes, eles estudaram como esses filamentos são construídos. 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 ambas as extremidades.
A perda do sistema altera a forma da célula
Quando o sistema foi removido das células vivas, sua verdadeira função ficou clara.
“As células que não possuem esse sistema perdem sua forma retangular normal e, em vez disso, tornam-se arredondadas e inchadas”, explica Springstein.
Essas alterações são normalmente observadas em outras bactérias quando os genes responsáveis pela manutenção da forma celular são interrompidos. Isto sugere fortemente que o papel principal deste sistema é controlar a estrutura celular, em vez de gerir a distribuição do ADN.
Tendo em vista sua nova função e localização na célula, os pesquisadores renomearam o sistema como “CorMR”.
Como a evolução mudou o propósito dos sistemas antigos
As cianobactérias multicelulares evoluíram gradualmente a partir de ancestrais unicelulares e tornaram-se cada vez mais complexas ao longo do tempo. A análise bioinformática da colaboradora Daniela Megrian, do Instituto Pasteur de Montevidéu, Uruguai, ajudou a elucidar a formação do sistema CorMR.
Essa transformação não aconteceu de uma só vez. Em vez disso, provavelmente ocorreu por meio de uma série de mudanças. Primeiro, o sistema é transferido do plasmídeo para o cromossomo. Em seguida, o tamanho e a estrutura dos seus componentes mudaram. Em seguida, desenvolve a capacidade de se ligar às membranas celulares. Finalmente, é controlado por outro sistema proteico.
Tomados em conjunto, estes passos transformam um antigo mecanismo de separação de ADN num sistema que molda a própria célula, fornecendo um exemplo convincente de como a evolução pode dar novas utilizações a velhas ferramentas biológicas.
