As bactérias fotossintéticas desempenharam um papel importante na formação da Terra como a conhecemos. Entre elas, as cianobactérias se destacam por produzirem oxigênio, que preencheu nossa atmosfera e permitiu o surgimento de vida complexa. Agora, cientistas do Instituto Austríaco de Ciência e Tecnologia (ISTA) descobriram uma reviravolta surpreendente na forma como estes organismos funcionam. Um sistema biológico que antes se pensava dividir o DNA evoluiu para controlar a forma das células cianobacterianas. Resultados publicados em Ciênciaoferece novos insights sobre como os sistemas proteicos mudam ao longo do tempo e como a vida multicelular evoluiu nessas bactérias ecologicamente importantes.
“As cianobactérias são essencialmente as pioneiras da fotossíntese oxigenada”, diz Benjamin Springstein, pós-doutorado no grupo Loose do Instituto Austríaco de Ciência e Tecnologia (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 e tornou possível a vida aeróbica. Sem eles, é seguro dizer que nenhum de nós estaria aqui hoje.”
Ainda hoje, as cianobactérias continuam importantes para a vida na Terra. Contribuem significativamente para a biomassa global e desempenham um papel central nos ciclos do carbono e do azoto. Esses organismos estão bem adaptados, vivendo em ambientes extremos, desde fontes termais até o Ártico, bem como em superfícies como telhados e paredes das cidades. Uma espécie em particular, Anabaena sp. PCC 7120 (ou simplesmente Anabaena) é estudado há mais de três décadas e serve de modelo para a compreensão de cianobactérias multicelulares.
A evolução transforma o sistema de DNA na estrutura que forma a célula
Springstein trabalhou com o grupo do professor Martin Luz junto com funcionários do ISTA, do Institut Pasteur Montevideo (Uruguai), da Universidade de Kiel (Alemanha) e da Universidade de Zurique (Suíça). Juntos, eles descobriram que Anabaena, e provavelmente outras cianobactérias multicelulares, passaram por uma grande mudança evolutiva. Um antigo sistema usado para separar o DNA durante a divisão celular foi reaproveitado em uma estrutura semelhante ao citoesqueleto que ajuda a determinar a forma da célula.
Explicando o DNA em bactérias
Como todas as bactérias, a Anabaena se reproduz dividindo-se em novas células. Este processo depende da cópia e distribuição precisas do DNA para que cada nova célula receba a informação genética necessária para sobreviver. O DNA está firmemente compactado nos cromossomos, como um fio enrolado em um carretel, e geralmente está presente em múltiplas cópias que devem ser transmitidas de maneira confiável durante a divisão.
O DNA bacteriano vem em duas formas básicas. Os cromossomos contêm genes essenciais necessários para a sobrevivência, enquanto os plasmídeos carregam genes adicionais que muitas vezes não são essenciais. Os plasmídeos podem mover-se entre bactérias, permitindo que as características se espalhem rapidamente e permitindo uma rápida adaptação.
Um sistema de segregação de DNA com uma nova função
Springstein estuda Anabaena desde 2014, pesquisando sua biologia e evolução. Durante a pandemia da COVID-19, quando os trabalhos laboratoriais foram suspensos, ele passou um tempo revisando a literatura científica e percebeu algo inesperado.
“Fiz uma observação aleatória”, lembra ele.
Ele descobriu que Anabaena e algumas cianobactérias relacionadas contêm um sistema conhecido como ParMR codificado em seus cromossomos. Tradicionalmente, este sistema tem sido associado à segregação de plasmídeos e só foi encontrado em plasmídeos, que são elementos genéticos móveis. Esse arranjo incomum o levou a suspeitar que o sistema poderia ter se adaptado à separação dos cromossomos.
Depois de ingressar no ISTA como IST-Bridge Fellow, Springstein decidiu testar a ideia. Seus experimentos revelaram algo completamente diferente. Um componente, ParR, não se liga mais ao DNA. Em vez disso, liga-se às membranas lipídicas, especialmente à membrana celular interna. Enquanto isso, ParM não forma estruturas no citoplasma para mover o DNA. Em vez disso, cria redes de filamentos logo abaixo da membrana interna, formando uma camada de polímeros proteicos que se assemelha a um córtex celular.
Em vez de atuar como um sistema típico de segregação de DNA que forma estruturas fusiformes no interior da célula, esse sistema opera no nível da membrana e parece organizar a estrutura da célula.
Filamentos que se comportam como um esqueleto celular
Para entender melhor como funciona esse sistema, os pesquisadores o recriaram fora das células vivas usando componentes purificados. Nestes experimentos de recuperação in vitro, observaram que os filamentos apresentavam instabilidade dinâmica. Eles crescem e depois entram em colapso rapidamente, um comportamento semelhante ao dos microtúbulos em células mais complexas.
Para investigar mais, a equipe colaborou com o professor Florian Schur da ISTA e seu pós-doutorado, Manjunath Javaur. Usando microscopia crioeletrônica, que permite aos cientistas ver estruturas moleculares em grande detalhe, eles estudaram como esses filamentos são construídos. Eles descobriram que, ao contrário dos filamentos polares produzidos por sistemas semelhantes em outras bactérias, os filamentos da Anabaena são bipolares, o que significa que podem crescer e contrair-se em ambas as extremidades.
A perda do sistema altera a forma da célula
A verdadeira função deste sistema tornou-se clara quando foi removido das células vivas.
“As células sem o sistema perderam sua forma retangular normal e, em vez disso, tornaram-se redondas e inchadas”, explica Springstein.
Tais mudanças são geralmente observadas quando os genes responsáveis pela manutenção da forma da célula são interrompidos em outras bactérias. Isto sugere fortemente que o papel principal do sistema é controlar a estrutura celular e não direcionar a distribuição do DNA.
Dada a sua nova função e localização na célula, os pesquisadores renomearam o sistema como “CorMR”.
Como a evolução adaptou um sistema antigo
As cianobactérias multicelulares evoluíram gradualmente a partir de ancestrais unicelulares, ganhando complexidade com o tempo. Uma análise bioinformática realizada pela colaboradora Daniela Megrian, do Instituto Pasteur de Montevidéu, Uruguai, ajudou a esclarecer como surgiu o sistema CorMR.
A transformação não aconteceu imediatamente. Em vez disso, provavelmente aconteceu através de uma sequência de mudanças. Primeiro, o sistema passou de um plasmídeo para um cromossomo. Além disso, seus componentes mudaram em tamanho e estrutura. Em seguida, desenvolveu a capacidade de se ligar às membranas celulares. Finalmente, ficou sob o controle do sistema proteico acessório.
Juntos, estes passos transformaram um antigo mecanismo de segregação de ADN num sistema que molda a própria célula, oferecendo um exemplo impressionante de como a evolução pode dar a antigas ferramentas biológicas propósitos inteiramente novos.
