As bactérias fotossintéticas desempenharam um papel fundamental na formação da Terra como a conhecemos. Dentre elas, as cianobactérias se destacam por produzirem o oxigênio que encheu nossa atmosfera e permitiu o surgimento de formas de vida complexas. Agora, cientistas do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA) descobriram uma reviravolta surpreendente em como esses organismos funcionam. Um sistema biológico que antes se acreditava separar o DNA evoluiu, na verdade, para controlar a forma das células cianobacterianas. As descobertas, publicadas na Science, oferecem novas perspectivas sobre como os sistemas proteicos mudam ao longo do tempo e como a vida multicelular se desenvolveu nessas bactérias ecologicamente importantes.
“As cianobactérias são basicamente pioneiras da fotossíntese oxigênica”, diz Benjamin Springstein, pós-doutorando do grupo Loose no Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA).
“Elas foram responsáveis pelo Grande Evento de Oxigenação há cerca de 2,5 bilhões de anos, quando o oxigênio se acumulou na atmosfera e possibilitou a vida aeróbica. Sem elas, é seguro dizer que nenhum de nós estaria aqui hoje.”
Até os dias atuais, as cianobactérias continuam essenciais para a vida na Terra. Elas contribuem significativamente para a biomassa global e desempenham papéis centrais nos ciclos de carbono e nitrogênio. Esses organismos são altamente adaptáveis, vivendo em condições extremas que vão de fontes termais ao Ártico, além de ocuparem superfícies como telhados e paredes em cidades. Uma espécie em particular, Anabaena sp. PCC 7120 (ou simplesmente Anabaena), tem sido estudada por mais de três décadas e serve como modelo para entender cianobactérias multicelulares.
A Evolução Transforma um Sistema de DNA em Estrutura de Modelagem Celular
Springstein trabalhou com o grupo do Professor Martin Loose, juntamente com colaboradores do ISTA, do Institut Pasteur de Montevideo (Uruguai), da Universidade de Kiel (Alemanha) e da Universidade de Zurique (Suíça). Juntos, eles descobriram que a Anabaena, e provavelmente outras cianobactérias multicelulares, passaram por uma grande mudança evolutiva. Um sistema antigo que antes era usado para separar o DNA durante a divisão celular foi reaproveitado em uma estrutura semelhante ao citoesqueleto que ajuda a determinar a forma das células.
DNA em Bactérias Explicado
Como todas as bactérias, a Anabaena se reproduz dividindo-se em novas células. Esse processo depende da cópia e distribuição precisas do DNA, de modo que cada nova célula receba as informações genéticas necessárias para sobreviver. O DNA é compactado em cromossomos, similar a um fio enrolado em um carretel, e geralmente está presente em cópias múltiplas que devem ser passadas de forma confiável durante a divisão.
O DNA bacteriano existe em duas formas principais. Os cromossomos contêm genes essenciais para a sobrevivência, enquanto os plasmídeos carregam genes adicionais que muitas vezes não são essenciais. Os plasmídeos podem se mover entre bactérias, permitindo a rápida disseminação de características e possibilitando uma adaptação veloz.
Um Sistema de Segregação de DNA com um Novo Papel
Springstein estuda a Anabaena desde 2014, explorando sua biologia e evolução. Durante a pandemia de COVID-19, quando o trabalho no laboratório foi interrompido, ele passou um tempo revisando a literatura científica e notou algo inesperado.
“Fiz uma observação serendípica”, ele recorda.
Ele descobriu que a Anabaena e algumas cianobactérias relacionadas possuem um sistema conhecido como ParMR, que está codificado em seus cromossomos. Tradicionalmente, esse sistema é associado à segregação de plasmídeos e havia sido encontrado apenas em plasmídeos, que são elementos genéticos móveis. Essa colocação incomum levou-o a suspeitar que o sistema poderia ter se adaptado para separar cromossomos.
Após ingressar no ISTA como Fellow do IST-Bridge, Springstein se propôs a testar essa ideia. Seus experimentos revelaram algo muito diferente. Um componente, o ParR, não se liga mais ao DNA. Em vez disso, ele se fixa a membranas lipídicas, especialmente à membrana interna da célula. Enquanto isso, o ParM não forma estruturas no citoplasma para mover o DNA. Em vez disso, ele cria redes de filamentos logo abaixo da membrana interna, formando uma camada de polímeros de proteínas que se assemelha a um córtex celular.
Ao contrário de atuar como um típico sistema de segregação de DNA que forma estruturas semelhantes a fusos no interior da célula, esse sistema opera no nível da membrana e parece organizar a estrutura celular.
Filamentos que Comportam-se como um Esqueleto Celular
Para entender melhor como esse sistema funciona, os pesquisadores o recriaram fora de células vivas usando componentes purificados. Nessas experiências de reconstituição in vitro, eles observaram que os filamentos exibem instabilidade dinâmica. Eles crescem e depois colapsam rapidamente, um comportamento semelhante aos microtúbulos em células mais complexas.
Para investigar ainda mais, a equipe colaborou com o Professor Florian Schur do ISTA e seu aluno de doutorado Manjunath Javoor. Usando microscopia crioeletrônica, que permite que os cientistas vejam estruturas moleculares em grande detalhe, eles examinaram como esses filamentos são construídos. Descobriram que, ao contrário dos filamentos polares formados por sistemas semelhantes em outras bactérias, os filamentos na Anabaena são bipolares, significando que podem crescer e encolher de ambas as extremidades.
A Perda do Sistema Altera a Forma Celular
A verdadeira função desse sistema ficou evidente quando ele foi removido de células vivas.
“Células que não possuem o sistema perderam sua forma normal, semelhante à de um retângulo, e se tornaram redondas e inchadas”, explica Springstein.
Essas mudanças são tipicamente observadas quando os genes responsáveis por manter a forma celular são interrompidos em outras bactérias. Isso sugere fortemente que a principal função do sistema é controlar a estrutura celular, em vez de gerenciar a distribuição do DNA.
Dada sua nova função e localização na célula, os pesquisadores renomearam o sistema como “CorMR.”
Como a Evolução Reaproveitou um Sistema Antigo
Cianobactérias multicelulares evoluíram gradualmente a partir de ancestrais unicelulares, ganhando complexidade ao longo do tempo. A análise bioinformática realizada pela colaboradora Daniela Megrian, do Institut Pasteur em Montevideo, Uruguai, ajudou a esclarecer como o sistema CorMR surgiu.
A transformação não ocorreu de uma só vez. Em vez disso, provavelmente aconteceu por meio de uma sequência de mudanças. Primeiramente, o sistema passou de um plasmídeo para o cromossomo. Em seguida, seus componentes mudaram de tamanho e estrutura. Depois, desenvolveu a capacidade de se ligar às membranas celulares. Finalmente, passou a estar sob o controle de um sistema proteico adicional.
Juntas, essas etapas converteram um antigo mecanismo de segregação de DNA em um sistema que molda a própria célula, oferecendo um exemplo impressionante de como a evolução pode dar a ferramentas biológicas antigas propósitos totalmente novos.
