Os cientistas concordam em grande parte que a vida complexa surgiu depois que dois micróbios muito diferentes formaram uma parceria estreita. Essa fusão acabou dando origem a plantas, animais e fungos, conhecidos coletivamente como eucariotos. No entanto, uma questão-chave permaneceu ao longo dos anos. Como é que estes dois organismos se encontraram quando um precisa de oxigénio para sobreviver e acredita-se que o outro só prospera em ambientes anóxicos?
Pesquisadores da Universidade do Texas em Austin apresentam agora evidências que podem resolver esse quebra-cabeça. Lançamento de diário Naturezaa equipe se concentrou em um grupo de micróbios chamados archaea Asgardianos, que se acredita serem parentes próximos dos ancestrais da vida complexa. Embora a maioria dos Asgard conhecidos vivam em águas profundas ou em outros ambientes pobres em oxigênio, um novo estudo sugere que alguns membros do grupo podem tolerar ou até usar oxigênio. A descoberta reforça a teoria de longa data de que a vida complexa evoluiu, como previsto, provavelmente num ambiente onde o oxigénio estava presente.
“A maioria dos Asgard que vivem hoje foram encontrados em ambientes anóxicos”, explicou Brett Baker, professor associado de ciências marinhas e biologia integrativa na UT. “Mas acontece que aqueles que estão mais intimamente relacionados com os eucariontes vivem em locais oxigenados, como sedimentos costeiros rasos, e flutuam na coluna de água, e têm muitas vias metabólicas que utilizam oxigénio. Isto sugere que o nosso ancestral eucariótico provavelmente também teve estes processos.”
O Grande Evento de Oxidação e os Primeiros Eucariontes
A equipe de Baker está estudando os genomas das arquéias Asgardianas para identificar novos ramos do grupo e entender melhor como esses micróbios geram energia. As suas últimas descobertas são consistentes com o que geólogos e paleontólogos reconstruíram sobre a atmosfera primitiva da Terra.
Há mais de 1,7 mil milhões de anos, os níveis de oxigénio na atmosfera eram extremamente baixos. A concentração de oxigênio disparou durante o que os cientistas chamam de Grande Evento de Oxidação, eventualmente aproximando-se de níveis semelhantes aos de hoje. Algumas centenas de milhares de anos após este aumento dramático na abundância, os primeiros microfósseis conhecidos de eucariontes 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 dos Asgard, que são nossos ancestrais, terem sido capazes de usar oxigênio se encaixa muito bem nisso”, disse Baker. “O oxigênio apareceu no ambiente e os Asgard se adaptaram a ele. Eles descobriram a vantagem energética do uso do oxigênio e então evoluíram para um eucarioto.”
Simbiose e o nascimento das mitocôndrias
O modelo predominante afirma que os eucariotos surgiram quando o arqueão Asgard formou uma relação simbiótica com uma alfaproteobactéria. Com o tempo, esses dois organismos se fundiram em uma célula. A alfaproteobactéria eventualmente evoluiu para mitocôndrias, a estrutura produtora de energia dentro da célula eucariótica.
Neste estudo, os pesquisadores expandiram enormemente a diversidade genética conhecida das archaea Asgardianas. Eles identificaram certos grupos, incluindo os Heimdallarchaeia, que estão particularmente relacionados com os eucariontes, mas são relativamente raros hoje.
“Essas archaea Asgardianas são muitas vezes ignoradas pelo sequenciamento de baixa cobertura”, disse a coautora Catherine Apler, pós-doutoranda no Institut Pasteur em Paris, França. “O enorme esforço de sequenciamento e a estratificação de técnicas estruturais e de sequência nos permitiram ver padrões que não eram visíveis antes da expansão do genoma.”
Um enorme esforço de sequenciamento do genoma
O trabalho começou com um doutorado. pesquisa no Instituto de Ciências Marinhas da Universidade do Texas em 2019, quando extraiu DNA de sedimentos marinhos. No final das contas, a equipe e os colaboradores do UT reuniram mais de 13.000 novos genomas microbianos. O projeto combinou amostras de diversas expedições marinhas 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 de Asgard, quase duplicando a diversidade genómica conhecida do grupo. Ao comparar semelhanças e diferenças genéticas, eles construíram uma extensa árvore da vida arqueal Asgardiana. Os genomas recentemente identificados também revelaram grupos de proteínas anteriormente desconhecidos, duplicando o número de classes enzimáticas reconhecidas nestes micróbios.
Análise de IA do metabolismo das proteínas e oxigênio
A equipe então examinou mais de perto os Heimdallarchaeia, comparando suas proteínas com as dos 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 as formas tridimensionais das proteínas. Como a estrutura de uma proteína determina como ela funciona, esta análise forneceu pistas importantes.
Os resultados mostraram que várias proteínas Heimdallarchaeia se assemelham muito àquelas usadas pelas células eucarióticas para o metabolismo baseado em oxigênio com eficiência energética. Esta semelhança estrutural oferece mais apoio à ideia de que os antepassados da vida complexa já estavam adaptados para utilizar o oxigénio.
Outros participantes do estudo incluíram os ex-pesquisadores da UT Xianzhe Gong (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 Kasiani Panagioti e Thijs Etema, da Universidade de Wageningen, na Holanda, também participaram do estudo.
O financiamento foi fornecido em parte pelas Fundações Gordon e Betty Moore e Simons, pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China e pelo Conselho Nacional de Saúde e Pesquisa Médica da Austrália.
