O plâncton é a força motriz invisível da vida na Terra. Esses microrganismos produzem a maior parte do oxigênio da Terra e formam a base da cadeia alimentar dos oceanos. São também surpreendentemente diversos, com dezenas de milhares de espécies já identificadas e muitas mais à espera de serem descobertas. Entre eles, os protistas – pequenos organismos unicelulares – são particularmente notáveis pelo seu significado evolutivo. Durante anos, os cientistas só puderam estudá-los através de dados genéticos porque as técnicas de imagem existentes não conseguiam revelar as suas complexas estruturas internas.
Colaboração epidémica inspira descoberta
Durante a pandemia de COVID-19, o líder do grupo EMBL, Gautam Dey, recebeu uma ligação Zoom da colaboradora Omaya Dudin, que liderava um grupo de pesquisa na EPFL. Dudin acaba de usar com sucesso um novo método de imagem para visualizar o tecido interno Ictiospermia (Protistas marinhos intimamente relacionados com animais e fungos). A descoberta supera um obstáculo de longa data: as resistentes paredes celulares da espécie.
A técnica, conhecida como microscopia de expansão, foi originalmente desenvolvida no MIT e posteriormente refinada em microscopia de expansão ultraestrutural (U-ExM) por Paul Guichard e Virginie Hamel na Universidade de Genebra. Suas melhorias tornaram as paredes celulares dos protistas permeáveis, permitindo aos cientistas observar claramente suas estruturas internas pela primeira vez.
Inspirados por este sucesso, Dudin, Dey, Guichard e Hamel iniciaram uma colaboração de longo prazo. Três anos mais tarde, a sua colaboração produziu um corpo de conhecimento sem precedentes sobre centenas de espécies protistas e lançou as bases para um “atlas planetário” de plâncton.
A expedição Trans-European Coastline (TREC) liderada pelo EMBL oferece uma oportunidade ideal para explorar ainda mais estas criaturas marinhas. Publicado recentemente em célulaas descobertas da equipa fornecem uma compreensão detalhada da estrutura celular de mais de 200 espécies de plâncton, particularmente eucariotas (organismos cujas células contêm núcleos ligados à membrana). Esta pesquisa marca o início do PlanExM, um projeto TREC que visa usar a microscopia de expansão para mapear a diversidade estrutural oculta do plâncton.
Explore micróbios marinhos com detalhes sem precedentes
Roscoff, França, foi um dos primeiros locais de amostragem da expedição TREC, e a estação Biologique abriga uma das coleções mais abrangentes de microrganismos marinhos da Europa. Antecipando apenas algumas dezenas de amostras, a equipe pediu ao gerente Ian Probert materiais para testar sua tecnologia. Em vez disso, entraram em contacto com mais de 200 espécies.
“Passamos três dias e três noites consertando essas amostras. Este era um tesouro que não podíamos abandonar”, disse o coautor Felix Mikus, que completou seu doutorado no Grupo Dey e agora é pós-doutorado no laboratório de Dudin na Universidade de Genebra.
Como funciona a microscopia de expansão
Os microscópios de expansão, que comemoram seu décimo aniversário este ano, ampliam fisicamente amostras biológicas. Amostras contendo células, tecidos ou organismos unicelulares são incorporadas em um gel transparente, que absorve água e incha. Notavelmente, a estrutura interna da célula permaneceu intacta e esticada proporcionalmente, permitindo aos pesquisadores ampliar a amostra em até 16 vezes sem usar lentes de alta potência.
“Quando combinada com métodos convencionais de microscopia de luz, a microscopia de expansão permite que os cientistas contornem as barreiras de comprimento de onda padrão que limitam o tamanho das estruturas que podem ser resolvidas usando microscopia de luz”, disseram Guichard e Hamel.
Mapeando o citoesqueleto da vida
Utilizando amostras de Roscoff e uma segunda amostra de Bilbau, Espanha, a equipa conduziu um dos estudos mais abrangentes de sempre sobre o citoesqueleto – a rede de filamentos que sustenta e organiza as células eucarióticas. Eles se concentraram nos microtúbulos (filamentos ocos que ajudam as células a manter a forma, se dividirem e se moverem) e na centrina (proteínas envolvidas na organização dos microtúbulos).
“Conseguimos caracterizar a organização dos microtúbulos e centrinas em muitos grupos eucarióticos diferentes”, explica Hiral Shah, pesquisador de pós-doutorado do EIPOD nos grupos de Dey e Schwab no EMBL e co-primeiro autor do estudo. “A grande escala deste estudo, com cada grupo sendo caracterizado por muitas espécies, abre a possibilidade de fazer previsões evolutivas. Por exemplo, os dinoflagelados são um dos grupos mais diversos encontrados nos oceanos do mundo e estão bem representados no nosso estudo.
Revelando padrões evolutivos através de microscópios
“O U-ExM está mudando a forma como exploramos a ultraestrutura dos protistas”, disse o coautor Armando Rubio Ramos, pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Genebra. “Ao combinar esta tecnologia com imagens de alto rendimento e análises comparativas, podemos começar a decodificar como as estruturas celulares se diversificaram durante a evolução. Ela serve como uma ponte entre os dados moleculares e a organização física da vida em escala microscópica.”
Os resultados não apenas esclarecem como as células eucarióticas são organizadas, mas também fornecem pistas sobre o desenvolvimento evolutivo de suas estruturas internas. O estudo destaca o poder da microscopia de expansão como ferramenta para estudar amostras ambientais complexas coletadas diretamente do oceano.
Um atlas planetário em direção à vida microscópica
“Nossa aventura na microscopia de expansão apenas começou”, disse Dey. “Esta pode ser a primeira técnica de microscopia de alta resolução que tem o potencial de corresponder à escala e à ambição de grandes projetos de genômica de biodiversidade, permitindo-nos vincular novos dados multiômicos à fisiologia celular em toda a árvore da vida em um futuro próximo.”
Dey e Dudin receberam uma doação de CHF 2 milhões da Fundação Moore para continuar expandindo suas pesquisas, com Thomas Richards, da Universidade de Oxford, juntando-se à colaboração.
“O próximo passo é aprofundar-se seletivamente em certas espécies dentro desta ampla coleção para responder a questões específicas, como a compreensão de como a mitose e a multicelularidade evoluíram e a diversidade fenotípica subjacente às principais transições evolutivas”, disse Dudin.
