Células primitivas de Asgard mostram vida à beira da complexidade

Um carvalho. O fungo simbiótico se entrelaçou com suas raízes. Um cardeal cantando em um de seus galhos. Nossa melhor pista até agora para seu ancestral comum pode ter chegado em imagens de microscópio eletrônico que foram reveladas em dezembro.

"Olhar!" disse o microbiologista Christa Schleper, sorrindo enquanto segurava uma imagem impressa em alta resolução na frente de sua webcam na Universidade de Viena. “Não é lindo?” As células na micrografia eram esferas de 500 nanômetros de largura cercadas por um halo de tentáculos semelhante ao da Medusa. Sua equipe não apenas isolou e cultivou o organismo pela primeira vez, mas também mostrou que seus filamentos agitados eram feitos de actina, a proteína que forma um andaime esquelético em quase todas as células complexas, ou eucariontes.

Mas esta não era uma célula complexa. Parecia mais ancestral, primordial. O organismo, primeiro publicado em Natureza, é apenas o segundo representante de um grupo de micróbios chamado Asgard archaea a ser cultivado e estudado em detalhes. Induzi-lo a crescer a partir de uma pequena colher de lodo do fundo do mar, o que levou seis anos, foi como preparar um camarim para uma celebridade temperamental. O organismo não pode ser centrifugado, mexido, exposto ao oxigênio, separado de alguns outros micróbios com quem convive, ou apressado para crescer mais rápido do que um ritmo glacial.

Durante meses, nem cresceu. “Eu também me preocupava com meu próprio futuro na ciência”, disse Thiago Rodrigues-Oliveira, que liderou o esforço de cultivar a nova espécie como pós-doutorando no laboratório de Schleper, apostando sua própria carreira nos caprichos de um organismo único e recalcitrante.

Por mais terrivelmente difíceis que sejam de lidar, as archaea de Asgard estão agora entre os organismos mais cobiçados da ciência, e por boas razões. Para muitos biólogos evolucionários, sua descoberta e estudos subsequentes justificam a revisão das imagens dos livros didáticos da árvore da vida para nos situar – e todas as outras criaturas construídas a partir de células eucarióticas – como meros desdobramentos do grupo Asgard.

Estudos dos genomas de Asgard, entretanto, trouxeram dados extremamente necessários para a questão de como os eucariontes evoluíram, um evento marcante na história da Terra que inspira debates contenciosos. A maioria dos estudos até o momento dependeu de sondas genéticas indiretas do grupo Asgard, que não oferecem as mesmas oportunidades que incitar micróbios vivos em um laboratório, o padrão-ouro em microbiologia desde os dias de Louis Pasteur.

Agora, uma corrida de alto risco em câmera lenta está em andamento, enquanto laboratórios de todo o mundo tentam cultivar suas próprias culturas Asgard. As amostras não são compartilhadas; estratégias de crescimento são segredos bem guardados. “Ficamos sinceramente chocados” quando os resultados da equipe de Schleper foram divulgados, escreveu Hiroyuki Imachi, o microbiologista da Agência Japonesa de Ciência e Tecnologia Marinha-Terra que, após um esforço exaustivo de 12 anos, isolou a primeira e atualmente única outra amostra de arqueia de Asgard.

Eles não são os únicos. Thijs Ettema, um microbiologista evolutivo da Universidade de Wageningen, na Holanda, deu a entender que seu laboratório também progrediu no enriquecimento das culturas de Asgard, e imaginou que pelo menos 10 outros laboratórios tinham projetos semelhantes em andamento. “Eles não estariam me contando,” ele disse.

Montando um Organismo

A trilha que levou a Asgard archaea esquentou pela primeira vez há uma década. Foi quando uma equipe incluindo Ettema, Schleper e Anja Spang, que agora é um microbiologista evolutivo na Universidade de Amsterdã, partiu para encontrar o que eles esperavam ser um elo perdido evolutivo.

Os biólogos há muito usam dados genéticos para classificar todos os organismos conhecidos em três compartimentos taxonômicos: bactérias, archaea e eucariotos. Mas eles discordaram veementemente sobre como traçar a árvore genealógica que deveria unir esses grupos.

Carl Woese, o influente microbiologista americano que descobriu archaea no final dos anos 1970, sustentava que os três grupos eram independentes, cada um com dignidade, representando “domínios” distintos da vida. Na visão de Woese e seus aliados, os archaea e os eucariotos eram grupos irmãos descendentes de um progenitor mais antigo. Seus oponentes defenderam uma árvore de “dois domínios” apenas de bactérias e archaea, alegando que os eucariotos evoluíram diretamente de archaea.

Acampamentos formados; as posições se consolidaram. “Qualquer coisa que tenha a ver com nossa origem, independentemente de quão longe você volte no tempo, é algo com o qual os humanos se preocupam profundamente”, disse Spang.

Anos antes de os novos organismos serem isolados, pesquisas microbianas detectaram indícios de um grupo desconhecido de archaea com genomas suspeitosamente próximos aos dos eucariotos em sedimentos marinhos ao redor do mundo. Um estudo, liderado por Steffen Jørgensen, aluno de doutorado de Schleper, mostrou que esses micróbios misteriosos estavam prosperando na lama do fundo do mar escavada perto de uma fonte hidrotermal no Oceano Atlântico em 2008. Trabalhando com 7.5 gramas de lama dessas mesmas amostras, a equipe começou a pescar sequências mais longas de DNA perdido.

Seu objetivo intermediário era usar uma técnica de 20 anos chamada metagenômica para obter sequências genéticas de cada organismo presente. Imagine que você tem uma pilha confusa de peças de milhares de quebra-cabeças, explicou Spang. Primeiro você descobre quais peças pertencem a cada quebra-cabeça. Então você monta cada quebra-cabeça. A metagenômica pode montar genomas dessa maneira, trabalhando apenas com o DNA de micróbios à espreita na lama.

Essa análise, publicado em 2015, desenterrou um genoma particularmente provocativo. O organismo ao qual pertencia parecia ser o archaeon mais parecido com um eucarioto já descoberto, com genes para pelo menos 175 proteínas que se assemelhavam fortemente a proteínas eucarióticas. Os pesquisadores argumentaram que todos os eucariontes podem ter surgido de um parente próximo daquele mesmo archaeon, uma visão que apoia fortemente a versão de dois domínios da árvore da vida.

Ettema chamou o organismo de Lokiarcheota. O nome era uma referência ao Castelo de Loki, a formação hidrotermal perto de onde as amostras foram coletadas. Mas o artigo de 2015 deu um motivo adicional. “Loki foi descrito como 'uma figura incrivelmente complexa, confusa e ambivalente que tem sido o catalisador de inúmeras controvérsias acadêmicas não resolvidas'”, escreveram eles, citando um estudioso da literatura escandinava. A alusão parecia se encaixar na polêmica em torno da eucariogênese, a origem das células complexas.

Sua descoberta logo foi criticada pelos proponentes do modelo de três domínios. Os organismos Loki realmente existiram? Ou Spang havia errado na resolução do quebra-cabeça metagenômico e misturado os genomas de vários micróbios diferentes em uma criatura quimérica e imaginária?

Mas logo Ettema, Spang e muitos outros colaboradores descobriram sequências genéticas semelhantes às do organismo Loki em fontes termais, aquíferos e sedimentos de água salgada e doce em todo o mundo. Os organismos não eram nada raros. Eles simplesmente foram esquecidos.

Os cientistas deram aos grupos emergentes novos nomes que mantiveram o tema da mitologia nórdica – Odin, Thor, Hel, Heimdall – e se referiram a todo o reino como Asgard archaea, em homenagem ao lar dos deuses nórdicos. Os genomas adicionais também pareciam incluir muitas proteínas semelhantes aos eucariotos, que sustentavam ainda mais a versão de dois domínios da árvore da vida na qual nosso ramo eucariótico brotou de um ancestral de Asgard.

Mesmo assim, resolver onde a eucariogênese aconteceu na árvore genealógica da vida fez pouco para resolver os debates sobre como esse processo se desenrolou. Os biólogos suspeitavam que o estudo de exemplos vivos de Asgard archaea poderia render mais informações do que eles poderiam obter ao observar fragmentos de DNA. Em 2015, logo após a descoberta do grupo Asgard, Schleper começou a tentar cultivar um Loki na Áustria.

Sem o conhecimento de todos eles, porém, um já estava se multiplicando, muito lentamente, no cultivo no Japão.

Um micróbio que se faz de difícil de conseguir

“Meu primeiro nome, Hiro, significa 'tolerante'”, disse Imachi Quanta em uma entrevista de 2020. “Acho que [ser] tolerante e paciente é – como dizer – importante na minha vida.”

Em 2006, na costa do Japão, um submersível tripulado chamado Shinkai 6500 perfurou um núcleo de sedimento negro e sulfuroso do fundo de uma vala sob 2.5 quilômetros de oceano. Mais tarde naquele ano, Imachi colocou alguns desses sedimentos em biorreatores que poderiam simular um ambiente de alto mar; ele havia adaptado os equipamentos dos sistemas de tratamento de esgoto para países em desenvolvimento. Então ele se acomodou para ver o que esse estranho jardim poderia cultivar.

A metagenômica já havia revelado que a totalidade dos organismos cultiváveis ​​conhecidos representava apenas uma fração da verdadeira diversidade microbiana da natureza. Imachi, então com alguns anos de pós-graduação, dedicou sua carreira ao objetivo quixotesco de trazer todos os micróbios para o cultivo. Para cultivar algo como um Loki para estudo de laboratório, no entanto, exigiria a eliminação de vários obstáculos assustadores de uma só vez.

Primeiro, qualquer pequeno pedaço de lama do fundo do mar hospeda centenas de espécies microbianas. Para eliminar as bactérias indesejadas, você pode adicionar antibióticos, que são letais para as bactérias, mas tolerados pelas archaea. Mas os antibióticos também podem matar espécies bacterianas simbióticas sem as quais seu archaeon alvo não pode viver. Portanto, é necessário experimentar vários antibióticos em diferentes concentrações para encontrar um tratamento que seja apenas apropriadamente letal.

Em segundo lugar, você deve encontrar a mistura certa de nutrientes, meio e sedimentos para o seu organismo-alvo prosperar. Finalmente, você deve esperar e esperar que o alvo cresça em concentrações altas o suficiente para encontrar sob um microscópio eletrônico ou experimentar em . Quando está feliz, o organismo que Imachi estava alimentando se divide aproximadamente uma vez a cada duas ou três semanas. Por comparação, Escherichia coli, o burro de carga bacteriano em muitos laboratórios de microbiologia, dobra-se em apenas 20 minutos.

Cinco anos e meio depois que suas amostras foram para o biorreator de Imachi, a equipe japonesa inoculou o que estava crescendo dentro de pequenos tubos de vidro. Após cerca de um ano, eles notaram fracos sinais de vida dentro de um tubo dosado com antibióticos. Em seguida, eles começaram a tentar empurrar seu alvo – que eles viram ter sequências correspondentes às do grupo Lokiarcheota que Spang publicou em 2015 – para concentrações mais altas.

No verão de 2019, pouco antes de enviar seu manuscrito para um servidor de pré-impressão, Imachi enviou a Ettema um rascunho de papel. anunciando seu sucesso. Ettema relembrou seu primeiro vislumbre da criatura que vinha estudando por meio de sequências genéticas há anos. “Parecia um organismo de um planeta diferente”, disse ele. “Nunca vi algo assim.”

As imagens do microscópio eletrônico do grupo japonês encerraram o debate sobre se o organismo Loki era real ou um artefato da metagenômica. Mas o trabalho deles também estabeleceu duas novas descobertas cruciais sobre o Loki archaea: que o organismo se cercou de braços minúsculos e que parecia prosperar em aglomerados codependentes com uma bactéria redutora de sulfato e outra espécie de archaeon que produzia metano.

Enquanto isso, no laboratório de Schleper na Áustria, a concessão inicial de seis anos estava diminuindo e nenhum novo financiamento estava à vista. Um pós-doutorando designado para a tarefa de cultivar o organismo acabou deixando a ciência. Outro membro da equipe, um técnico, havia pipetado tanto que precisou de cirurgia para a síndrome do túnel do carpo.

No outono de 2019, no entanto, uma cultura de um organismo Loki iniciada por Rodrigues-Oliveira começou a avançar. Dividiu-se em cerca de metade do tempo que a cepa japonesa e atingiu densidades 50 a 100 vezes maiores. Mesmo assim, trabalhar com ele ainda pode ser como folhear um Onde está Waldo? livro: Em 36 horas de varredura de amostras através de um microscópio eletrônico, disse Schleper, a equipe avistou apenas 17 espécimes individuais.

Em dezembro passado, eles estrearam seus resultados em Natureza. Este Loki também tinha filamentos parecidos com tentáculos que o grupo de Schleper especula que poderiam enredar outros organismos e interagir com eles. Pesquisando a equipe japonesa, eles mostraram que os tentáculos eram feitos de uma proteína, Lokiactin, que se assemelha à actina com a qual as células eucarióticas constroem citoesqueletos de suporte. Portanto, o gene Lokiactin não é apenas como um gene eucariótico, mas também desempenha uma função semelhante a um eucarioto.

O gene Lokiactin também aparece em cada um dos cerca de 172 genomas de Asgard que os cientistas encontraram. Isso implica que o ancestral de todo o grupo – e talvez o ancestral de todos os eucariotos – pode ter tido um protoesqueleto semelhante.

Então, o que o laboratório de Schleper está tentando fazer com o organismo agora? "Tudo!" ela disse, rindo.

Alcançando para formar células complexas

Dentro da imagem agora dominante de dois domínios para a qual as archaea de Asgard estão contribuindo, a grande história da vida neste planeta é mais ou menos assim. Há cerca de 4 bilhões de anos, a vida se dividiu em dois ramos unicelulares, as arqueias e as bactérias.

A evidência genética sugere que os dois ramos se cruzaram novamente 2 bilhões de anos depois, quando um archaeon – provavelmente do grupo Asgard – de alguma forma ingeriu uma bactéria. O processo domesticou o que antes era uma célula distinta e de vida livre e a transformou em organelas chamadas mitocôndrias que persistem dentro das células eucarióticas. Os descendentes dessa fatídica união ramificaram-se em outros organismos unicelulares, como os dinoflagelados, e mais tarde em criaturas multicelulares que atingiram tamanhos macroscópicos, deixaram fósseis para trás e colonizaram o mar e a terra.

Mas mesmo os teóricos que estão por trás dessa narrativa pertencem a campos divididos. Alguns argumentam que ganhar mitocôndrias foi o evento definidor da eucariogênese. Outros insistem que as mitocôndrias chegaram tarde em uma transição em andamento. “Você pode ter arqueas de Asgard que já eram bastante complexas e semelhantes a eucariontes”, disse Tom Williams, microbiologista computacional da Universidade de Bristol. “Então eles adquiriram mitocôndrias, em uma forma extrema dessa visão, como uma espécie de cereja no topo do bolo.”

Até agora, disse ele, a complexidade dos Asgards, apesar de sua falta de mitocôndrias, levou a discussão para a última visão. Mas os dados da pesquisa sobre Asgards também restringiram o debate sobre a eucariogênese de outras maneiras.

Por um lado, ambos os Asgards cultivados até agora provaram ser difíceis de separar de uma comitiva de outros micróbios. Como o Loki japonês, os organismos austríacos parecem preferir – até mesmo depender – de ter uma espécie extra de archaeon e outra bactéria redutora de sulfato em cultura com eles. Estudiosos que trabalham com eucariogênese, como Purificação López-García no Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica, há muito promovem a ideia de que as mitocôndrias foram capturadas pela primeira vez exatamente dentro desse tipo de parceria “sintrópica”, onde várias espécies vivem de forma interdependente.

A descoberta de que Lokis têm tentáculos de actina adiciona plausibilidade a um cenário de eucariogênese chamado o modelo de dentro para fora, disseram Spang e Schleper. Em 2014, o biólogo celular Buzz Baum na University College London e seu primo, o biólogo evolutivo David Baum da Universidade de Wisconsin, Madison, propuseram uma ideia que eles haviam discutido em eventos familiares: que os primeiros eucariotos nasceram depois que uma simples célula ancestral estendeu saliências além de suas paredes celulares. Primeiro, esses braços alcançaram uma bactéria simbiótica. Eventualmente, eles se fecharam em torno desse parceiro, transformando-o em uma protomitocôndria. Tanto a célula arqueal original quanto o simbionte capturado foram envoltos em um esqueleto fornecido pelos braços.

Na época em que as arqueas de Asgard ainda eram conhecidas apenas por fragmentos de DNA ambiental, Baum pediu aos participantes de uma conferência que desenhassem como eles achavam que os organismos seriam. Seu próprio desenho baseado nas ideias de dentro para fora, que previam que eles ostentariam braços salientes, surpreendeu os outros cientistas reunidos. Na época, disse Schleper, parecia “tão estranho que ele fizesse essa sugestão engraçada”.

Uma atmosfera competitiva

Os eventos da eucariogênese foram tão obscurecidos pelo tempo intermediário e pela troca de genes que talvez nunca os conheçamos com certeza.

As duas espécies de Loki atualmente em cultura, por exemplo, são organismos modernos que diferem das arqueias antigas da mesma forma que um cardeal vivo e cantor difere do dinossauro ancestral do qual evoluiu. O grupo Loki não é nem mesmo o subconjunto de arqueas de Asgard que as análises genéticas sugerem estar mais intimamente relacionado aos eucariontes. (Com base em genomas Asgard conhecidos, uma pré-impressão postado por Ettema e seus colegas em março argumentou que o ancestral dos eucariontes era um arqueão de Heimdall.)

Ainda assim, laboratórios de todo o mundo estão apostando que trazer representantes mais diversos do grupo Asgard para o cultivo produzirá uma abundância de novas pistas sobre seu - e nosso - ancestral comum. Schleper está tentando. Etema também. Assim como Baum, que disse que seu laboratório logo receberá um novo colega que trará frascos de archaea de grupos como Heimdall e Odin. Imachi também, que se recusou a falar com Quanta para esta história.

“Se eu fosse entrevistado por você agora, provavelmente falaria sobre novos dados que ainda não foram publicados”, explicou ele em um e-mail, acrescentando que seu grupo aplaudiu os esforços da equipe de Schleper. “É muito competitivo agora (embora eu não goste desse tipo de competição)”, acrescentou.

Outras fontes também lamentaram a atmosfera excessivamente pressurizada. “Seria bom se o campo fosse mais aberto ao compartilhamento”, disse Spang. A pressão pesa mais sobre os jovens cientistas que tendem a assumir os projetos de cultivo de alto risco e alta recompensa. O sucesso pode adicionar um brilho Natureza papel ao seu currículo. Mas desperdiçar anos em um esforço fracassado pode prejudicar suas chances de conseguir um emprego na ciência. “É realmente uma situação injusta”, disse Schleper.

Por enquanto, porém, a corrida continua. Quando os primos Baum publicaram suas ideias sobre eucariogênese em 2014, disse Buzz Baum, eles presumiram que provavelmente nunca saberíamos a verdade. Então, de repente, os Asgards apareceram, oferecendo novos vislumbres dos estágios liminares e de transição que impulsionaram a vida da simplicidade unicelular para a ultrapassagem.

“Antes de destruirmos este lindo planeta, devemos dar uma olhada, porque há coisas legais no planeta Terra sobre as quais não sabemos nada. Talvez existam coisas que são fósseis vivos – estados intermediários”, disse ele. “Talvez esteja na cortina do meu chuveiro.”