Introdução
A natureza, vermelha nos dentes e nas garras, está repleta de organismos que comem seus vizinhos para progredir. Mas nos sistemas estudados pelo ecologista teórico Holly Moeller, professor assistente de ecologia, evolução e biologia marinha na Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, o consumido se torna parte do consumidor de maneiras surpreendentes.
Moeller estuda principalmente protistas, uma ampla categoria de microorganismos unicelulares como amebas e paramécios que não se encaixam nas categorias macroscópicas familiares de animais, plantas e fungos. O que mais a fascina é a capacidade de alguns protistas de cooptar partes das células que atacam. Armados com esses pedaços ainda funcionais de suas presas, os protistas podem se expandir para novos habitats e sobreviver onde antes não podiam.
Observá-los dá a Moeller uma visão distinta da estrutura subjacente dos ecossistemas atuais e das forças evolutivas que os criaram. O furto de organelas pelos protistas pode parecer bizarro, mas as mitocôndrias em nossas próprias células nos marcam como produtos de um tipo relacionado de aquisição metabólica por nossos ancestrais.
“No sentido mais amplo, essas são questões sobre quando e como os organismos se especializam e como eles podem quebrar essa especialização ao obter acesso a algo novo”, disse ela. “Para mim, este trabalho aborda questões sobre como os organismos expandem seu nicho ecológico, como essas aquisições podem ser permanentes e o que isso significa sobre como o metabolismo pula nas pontas dos galhos das árvores da vida.”
Quanta conversou com Moeller por telefone sobre sua carreira, sua pesquisa sobre metabolismo adquirido e ecologia teórica. A entrevista foi condensada e editada para maior clareza.
Você se tornou bem conhecido nos círculos de ecologia e evolução por seu trabalho sobre “metabolismo adquirido”. Foi um termo que você inventou?
Não intencionalmente. É o que quero dizer com partes do seu metabolismo que não estão codificadas em seu próprio genoma. Você ganha acesso a eles de alguma forma associando-se a outras espécies.
Isso engloba algumas formas de simbiose, mas é mais do que isso. Também inclui coisas como a aquisição de cloroplastos, as organelas eucarióticas para a fotossíntese, de presas ingeridas e até mesmo a transferência horizontal de genes, onde um único gene ou um pacote completo de genes metabólicos é retirado de um organismo por outro.
Sou treinado como ecologista comunitário, então estou muito interessado nos papéis que os organismos desempenham nos ecossistemas e como esses nichos se expandem e se contraem durante suas vidas. O estudo do metabolismo adquirido parecia um ajuste natural para isso, porque é muito sobre como os organismos podem expandir seus nichos.
O que os humanos têm com nossas bactérias intestinais é metabolismo adquirido?
Acho que é um ótimo exemplo. Grande parte da nossa capacidade de comer diversas fontes de alimentos e metabolizá-los se resume a essas bactérias. Algumas das importantes vitaminas e cofatores de que necessitamos, como a vitamina K, são produzidas por micróbios que vivem dentro de nosso intestino. Contamos muito com essas parcerias.
O que o levou a essa linha de pesquisa?
Você sabe, as bactérias muitas vezes se movem através de um processo chamado “caindo e correndo”. Eles seguem alguma sugestão química em direção a um recurso, mas quando o sinal se esgota, eles param, giram e partem em uma direção aleatória. Acho que isso também é verdade para muitos cientistas, inclusive para mim. Muitas vezes estamos seguindo nosso nariz e perseguindo coisas que nos entusiasmam. E às vezes nos leva a lugares inesperados.
Introdução
Eu tive sorte. Meus pais se formaram como cientistas e, embora nenhum deles tenha trabalhado como um enquanto eu crescia, eu sabia que a pesquisa era uma opção de carreira. Também tive muita sorte em minha graduação na Rutgers University, pois tive professores que se interessaram e me colocaram em contato com um membro do corpo docente que fazia pesquisas sobre micróbios marinhos. O cientista com quem trabalhei pela primeira vez, Paulo Falkowski, tem interesses ecléticos. Mas uma das coisas que ele estava estudando na época era como os cloroplastos se espalhavam pela árvore da vida.
Foi aí que meu interesse pelo metabolismo adquirido começou. Achei totalmente fascinante essa ideia de que algo que aprendi nos livros didáticos como uma característica das plantas era na verdade algo que eles obtiveram alguns bilhões de anos atrás ao ingerir uma bactéria. E que isso já aconteceu várias vezes. Comecei a trabalhar com Paul e Matt johnson, que era seu pós-doutorando na época, sobre organismos que roubam cloroplastos hoje e o que eles podem nos dizer sobre esse processo evolutivo.
Adoro a ideia de que um organismo pode começar a vida sem um cloroplasto e depois simplesmente pegar um.
Direita? Imagine se tivéssemos uma salada no almoço e, de repente, nossos braços ficassem verdes! Eu moro no sul da Califórnia agora - eu poderia dar um passeio entre as aulas e obter toda a energia de que precisava. Embora eu goste de almoçar, não tenho certeza se realmente gostaria disso.
Em muitos casos, esses organismos que obtêm cloroplastos tornam-se bastante vinculados à fotossíntese. Algumas das espécies com as quais trabalhamos morreriam se não pudessem fazer a fotossíntese, então elas não sobreviveriam se não encontrassem presas para roubar cloroplastos. É uma curiosidade evolutiva para mim que eles tenham se encurralado neste canto.
Essas espécies precisam continuar roubando cloroplastos porque eventualmente se decompõem?
Geralmente, sim. No entanto, essas linhagens que roubam cloroplastos variam em quão boas são em manter o cloroplasto. Neste grupo de ciliados marinhos que trabalhamos chamado Mesodínio, algumas linhagens não roubam cloroplastos. Alguns os roubam e os jogam no chão muito rápido. E outros os roubam, mas também roubam núcleos funcionais de suas presas, o que significa que podem produzir mais cloroplastos.
A metáfora que eu amo é que aqueles que não roubam cloroplastos são como a criança bem-comportada que nunca roubou um carro. Outros roubam o carro para um passeio, batem em uma árvore e o abandonam. Mas há quem roube o carro mas também o manual do proprietário, e constroem uma oficina mecânica para cuidar bem dos bens roubados.
Existe todo esse espectro e, por serem parentes próximos, podemos perguntar: quais são as diferenças evolutivas entre esses organismos que facilitaram as transições?
Eles herdam cloroplastos de suas células-mãe? Se as células se dividem para se reproduzir, os cloroplastos também não são transmitidos?
Alguns deles sim. Em algumas linhagens, quando as células se dividem, elas dividem o lote de cloroplasto entre elas. Para refrescar e reabastecer seus cloroplastos, eles precisam roubá-los comendo.
Mas as células que guardam o núcleo roubado – o manual de instruções roubado – podem fazer com que os cloroplastos se dividam junto com o resto da célula. Os núcleos parecem ser o que eles ainda precisam comer. Quando eles pegam uma célula de presa, eles se agarram aos seus cloroplastos, porque não? Mas parece que realmente o que é crítico é que eles peguem novos núcleos.
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Como é possível que os ciliados obtenham energia do maquinário celular de outra pessoa?
Essa é uma pergunta muito interessante. Quando alguns dos Mesodínio os ciliados comem, eles arrancam a maior parte da célula da presa. A microscopia eletrônica mostrou que os cloroplastos estão bastante intactos, mas ainda estão dentro da membrana celular relíquia da presa. E então o ciliado tem uma membrana própria ao redor de tudo isso, porque o ciliado prendeu a célula da presa em um vacúolo [vesícula de membrana] quando a ingeriu.
Nós realmente não sabemos como as moléculas estão se movendo através deste sistema de múltiplas membranas. Isso é algo que estamos tentando aprofundar agora, seguindo para onde as proteínas estão indo.
A que pergunta evolutiva este trabalho está ajudando você a responder?
Quando ensinamos fotossíntese na escola, focamos principalmente nas plantas terrestres, cujos ancestrais adquiriram cloroplastos há 2 bilhões de anos, quando domesticaram cianobactérias de vida livre como endossimbiontes.
Mas quando olhamos para o fitoplâncton no oceano e nos sistemas de água doce, o quadro é muito mais complicado. Muitas vezes estamos olhando para organismos que têm o que é chamado de cloroplasto secundário, o que significa que em algum momento de sua história evolutiva, eles obtiveram um cloroplasto de outra coisa. Às vezes você até vê evidências de cloroplastos terciários, onde os organismos estão obtendo cloroplastos que foram retirados de alguma terceira célula. Esses eventos de endossimbiose secundária e terciária ocorreram, pensamos, pelo menos meia dúzia de vezes. E isso deu origem à enorme diversidade do fitoplâncton eucariótico.
Como é passar de algo heterotrófico para algo altamente fotossintético? Que mudanças você tem que fazer em sua fisiologia? Onde você pode sobreviver? Quais gradientes de seleção natural devem estar em vigor? O estudo de Mesodínio nos dá uma ideia de como foi essa transição.
O metabolismo adquirido ajuda os organismos a avançar?
No artigo que publicamos no início deste ano, analisamos um organismo que está se tornando fotossintético hospedando algas endossimbióticas. É um metabolismo adquirido e uma simbiose. Você poderia abrir esses ciliados de água doce chamados Bolsa paramécio e isolar as algas, e as algas viveriam alegremente e cresceriam sozinhas.
Esses paramécios são como pequenas bolhas verdes felpudas que giram na placa de Petri. Começamos a observar como as habilidades competitivas desses organismos dependiam da disponibilidade de luz. Se eles estão obtendo energia da luz solar, quanto mais luz solar houver, mais energia eles devem obter para crescer. Achamos que isso se estenderia à sua capacidade de competir com outras espécies.
Eu tinha um estudante de graduação incrivelmente talentoso, Verônica Hsu, que testou essa ideia. Tínhamos essa incubadora com bancos de luzes e pequenos frascos de culturas crescendo em diferentes níveis de luz. A cada dois dias, Veronica colheu amostras das culturas e colocou pequenas gotas em placas de Petri. Então ela contou o número de diferentes tipos de ciliados em cada gota.
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Mas mesmo sem fazer uma contagem exata, você pode ver em apenas algumas semanas que todos os ciliados não fotossintéticos translúcidos brancos estavam desaparecendo, enquanto todos os paramécios verdes brilhantes estavam aumentando. Você pode ver a competição acontecer diante de seus olhos.
Veronica mostrou que, à medida que a luz aumentava, também aumentava a capacidade competitiva do organismo que adquirira a fotossíntese hospedando as algas. E então contar as células nos permitiu entender os dados por trás desse fenômeno.
Então obter essas contagens de células e construir um modelo matemático do que estava acontecendo foi uma parte importante disso?
Sim, quando fazemos esses experimentos, há muita contagem. Meu colega Caroline Tucker disse quando estávamos juntos na pós-graduação: “Sabe, a ecologia é apenas a ciência da contagem”. Na época, fiquei meio ressentido com a declaração dela, mas ela não estava errada.
Há uma parte de mim que sempre pensará que não há substituto para sentar com seu organismo de estudo e se apaixonar um pouco por ele no laboratório ou no campo. Sentado em uma sala escura, olhando através de um microscópio, você sente que sente as personalidades dessas diferentes espécies. Alguns desses paramécios são meio brancos prateados e em forma de lágrima e muito translúcidos porque não possuem algas fotossintéticas. Quando estão em um frasco novinho em folha com muitos recursos bacterianos, eles meio que se movem lentamente, mas à medida que o experimento avança, é como se você pudesse vê-los ficar com fome diante de seus olhos e começarem a nadar muito rápido. E você pode fazer observações que levam a descobertas adicionais.
Ser capaz de combinar experimentos de laboratório com modelos matemáticos me obriga a ser realmente honesto e explícito sobre o que penso que está acontecendo. O que queremos dizer com “aquisição” do metabolismo? Que recursos a célula está obtendo ao hospedar a fotossíntese? Como exatamente isso afeta suas habilidades competitivas?
Agora temos um modelo que sabemos que descreve como o metabolismo adquirido pode alterar a capacidade competitiva. E isso tem implicações não apenas para a fotossíntese adquirida, mas também para outras aquisições do metabolismo. Os detalhes exatos que conectamos ao modelo podem mudar dependendo do sistema. Mas temos uma estrutura para usar.
Falamos sobre as vantagens competitivas que podem advir do metabolismo adquirido. Mas há desvantagens em assumir o controle do metabolismo de outra pessoa?
Com certeza. Existe uma teoria de que nossas mitocôndrias – outra organela metabólica que adquirimos por endossimbiose – são a razão pela qual envelhecemos.
Por causa deles, estamos engajados no metabolismo aeróbico, usando oxigênio para queimar carboidratos e outras moléculas para obter energia. Mas os agentes reativos que as mitocôndrias e os cloroplastos produzem também podem estar oxidando e degradando o DNA do nosso corpo. Estas são coisas perigosas para colocar ao lado de seu material genético.
Uma coisa que às vezes vemos nesses organismos que roubam cloroplastos é que eles têm muitos mecanismos antioxidantes protetores, que os ajudam a lidar com a absorção de um cloroplasto. Ter um cloroplasto pode tornar muito perigoso estar em ambientes com muita luz. Você pode basicamente ficar queimado de sol. Uma coisa legal demonstrada por Suzanne Strom, um cientista do estado de Washington na Western Washington University, é que quando os organismos comem células com cloroplastos, eles tendem a digeri-los mais rapidamente quando há mais luz disponível. Pode ser porque a luz ajuda a quebrar o cloroplasto. Mas também pode ser que esse organismo esteja pensando: “Estou brincando com fogo aqui; Eu tenho que me livrar disso.”
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Portanto, isso levanta questões interessantes sobre os tipos de ambientes em que esses organismos podem ter vivido quando começaram a se agarrar aos cloroplastos. Suspeito que provavelmente era um ambiente com pouca luz porque, se sua digestão depende da luz, a luz mais baixa irá desacelerá-la e também reduzir os danos que os cloroplastos podem causar. Você pode administrá-lo um pouco mais. E Mesodínio é certamente uma espécie de pouca luz. Mas isso é muito anedótico. Precisamos de muito mais evidências. Mas é claro que também existem coisas que retêm cloroplastos que também vivem em ambientes com muita luz.
Percebi no seu Twitter que você está contando muito as raízes das árvores. O que isso tem a ver com esse outro trabalho?
Uma das coisas que adoro em ser um ecologista teórico é que posso me envolver em vários sistemas diferentes.
Esse é outro aspecto do metabolismo adquirido em que trabalhamos. Então falamos sobre roubar a maquinaria metabólica de outro organismo. Mas também existe o mutualismo metabólico – a aquisição do metabolismo por meio dessa parceria realmente íntima entre dois organismos. O negócio das árvores, como todos sabemos, é a fotossíntese. Mas para fotossintetizar, as árvores precisam de nutrientes e água do solo. E acontece que, especialmente em ecossistemas temperados, eles obtêm acesso a esses recursos em parceria com fungos, fungos ectomicorrízicos. São fungos que vivem principalmente no subsolo, embora às vezes coloquem cogumelos realmente deliciosos, e às vezes também tóxicos. Os fungos estão em parceria com as árvores. Os fungos se destacam na coleta de nutrientes do solo, e as árvores fornecem o açúcar da fotossíntese, para que possam sustentar umas às outras.
Esse mutualismo metabólico ajuda as árvores a sobreviver em todos os tipos de condições ambientais diferentes e a expandir seu nicho ecológico. Uma árvore pode fazer parceria com certos fungos que são bons para um ambiente e com diferentes fungos em um ambiente diferente. Acreditamos que isso permite que as árvores ganhem a vida em um conjunto mais diversificado de condições ambientais do que se estivessem sozinhas.
Fala-se tanto sobre o microbioma, mas esquecemos que deve ter sido muito difícil fazer todas essas relações com os micróbios no início.
Sim, totalmente. À medida que obtemos melhores dados ambientais do sequenciamento, vemos que praticamente tudo tem algum tipo de microbioma, mesmo que viva do lado de fora. Quem controlou a evolução de quem, sabe? Talvez tivéssemos apenas que lidar com o fato de que nossas entranhas seriam colonizadas por insetos e fizemos o melhor possível.
É por isso que acho o estudo do metabolismo adquirido tão fascinante. Você está estudando organismos que estão fazendo essas aquisições hoje. Você tem uma ideia de como eles lidavam com isso ecologicamente no passado, quais eram as pressões de seleção e assim por diante.
Sinto que a ecologia teórica está explodindo ultimamente.
Acho que está muito na moda agora.
Acho que parte do crescente interesse pela teoria vem da enorme quantidade de informações que temos agora. Quando você tem pilhas e mais pilhas de dados, você os entende desenvolvendo algumas teorias unificadoras sobre eles. E os modelos matemáticos são uma maneira de abordar esse problema. Acho que é por isso que tem havido mais interesse entre nossos alunos de pós-graduação nesses tópicos, ou interesse nas universidades em contratar ecólogos teóricos. Isso meio que se resume a: temos dados massivos. E estamos prontos.
