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Cientistas descobrem uma nova maneira de compartilhar informações genéticas em um micróbio oceânico comum

Fonte

MIT | Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Data

terça-feira, 10 janeiro 2023 06:20

Áreas

Bacteriologia. Bioinformática. Biologia. Genoma. Microbiologia.

Dos trópicos aos polos, da superfície do mar até centenas de metros abaixo, os oceanos do mundo estão repletos de um dos menores organismos: um tipo de bactéria chamada Prochlorococcus, que, apesar de seu tamanho minúsculo, é coletivamente responsável por uma porção considerável da produção de oxigênio dos oceanos. Mas a notável capacidade desses organismos diminutos de se diversificar e se adaptar a ambientes tão profundamente diferentes sempre foi um mistério.

Agora, uma nova pesquisa revelou que essas minúsculas bactérias trocam informações genéticas umas com as outras, mesmo quando muito separadas, por um mecanismo não documentado anteriormente. Isso lhes permite transmitir blocos inteiros de genes, como os que conferem a capacidade de metabolizar determinado tipo de nutriente ou de se defender de vírus, mesmo em regiões onde sua população aquática é relativamente escassa.

As descobertas descrevem uma nova classe de agentes genéticos envolvidos na transferência horizontal de genes, na qual a informação genética é transmitida diretamente entre organismos – sejam da mesma espécie ou de espécies diferentes – por outros meios que não a descendência linear. Os pesquisadores chamaram os agentes que realizam essa transferência de tycheposons, que são sequências de DNA que podem incluir vários genes inteiros, bem como sequências vizinhas, e podem se separar espontaneamente do DNA circundante. Então, eles podem ser transportados para outros organismos por um ou outro sistema de transporte possível, incluindo pequenas bolhas conhecidas como vesículas que as células podem produzir a partir de suas próprias membranas.

A pesquisa, que incluiu o estudo de centenas de genomas de Prochlorococcus de diferentes ecossistemas ao redor do mundo, bem como amostras de diferentes variantes cultivadas em laboratório e até processos evolutivos realizados e observados em laboratório, foi publicada na revista científica Cell.

A Dra. Sallie Chisholm, professora do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) que desempenhou um papel importante na descoberta desses organismos onipresentes em 1988, diestacou as novas descobertas: “Estamos muito entusiasmados com isso porque é um novo agente de transferência horizontal de genes para bactérias e explica muitos dos padrões que vemos em Prochlorococcus na natureza, sua incrível diversidade.” Agora considerado o organismo fotossintético mais abundante do mundo, as pequenas variantes do que são conhecidas como cianobactérias também são os menores de todos os fotossintetizadores.

O Dr. Thomas Hackl, ex-pós-doutorando do MIT e que agora está na Universidade de Groningen, nos Países Baixos, disse que o trabalho começou estudando as 623 sequências genômicas relatadas de diferentes espécies de Prochlorococcus de diferentes regiões, tentando descobrir como elas foram capazes de perder ou ganhar funções específicas com tanta facilidade, apesar da aparente falta de qualquer um dos sistemas conhecidos que poderiam promover/aumentar a transferência horizontal de genes, como plasmídeos ou vírus conhecidos como profagos.

O que os pesquisadores investigaram foram ‘ilhas’ de material genético que pareciam ser focos de variabilidade e muitas vezes continham genes associados a processos-chave de sobrevivência conhecidos, como a capacidade de assimilar nutrientes essenciais e muitas vezes limitantes, como ferro, nitrogênio ou fosfatos. Essas ‘ilhas’ continham genes que variavam enormemente entre espécies diferentes, mas sempre ocorriam nas mesmas partes do genoma e às vezes eram quase idênticas mesmo em espécies muito diferentes – um forte indicador de transferência horizontal.

Mas os genomas não mostraram nenhuma das características usuais associadas ao que é conhecido como ‘elementos genéticos móveis’, então inicialmente isso permaneceu um quebra-cabeça. Então, tornou-se gradualmente aparente que esse sistema de transferência e diversificação de genes era diferente de qualquer um dos vários outros mecanismos observados em outros organismos, inclusive em humanos.

O Dr. Thomas Hackl descreveu o que eles encontraram como sendo algo como um conjunto genético de LEGO, com pedaços de DNA agrupados de maneira que possam conferir quase instantaneamente a capacidade de adaptação a um ambiente específico. Por exemplo, uma espécie limitada pela disponibilidade de determinados nutrientes pode adquirir genes necessários para aumentar a absorção desse nutriente.

Os micróbios parecem usar uma variedade de mecanismos para transportar esses tycheposons (nome derivado do nome da deusa grega Tyche, filha de Oceanus). Um deles é o uso de vesículas de membrana, pequenas bolhas retiradas da superfície de uma célula bacteriana e liberadas com tycheposons dentro dela. Outro mecanismo é ‘sequestrar’ infecções por vírus ou fagos e permitir que carreguem os tycheposons junto com suas próprias partículas infecciosas, chamadas capsídeos. Essas são soluções eficientes, disse o pesquisador, “porque em mar aberto, essas células raramente têm contatos célula a célula, por isso é difícil para elas trocarem informações genéticas sem um veículo”.

Embora este estudo tenha sido específico para o Prochlorococcus, o Dr. Hackl disse que a equipe acredita que o fenômeno pode ser mais generalizado. Eles já encontraram elementos genéticos semelhantes em outras bactérias marinhas não relacionadas, mas ainda não analisaram essas amostras em detalhes. “Elementos análogos foram descritos em outras bactérias e agora pensamos que eles podem funcionar de maneira semelhante”, disse o Dr. Thomas Hackl.

“É uma espécie de mecanismo plug-and-play, onde você pode ter peças com as quais pode brincar e fazer todas essas combinações diferentes”, disse ele. “E com o enorme tamanho da população de Prochlorococcus, eles podem brincar muito e tentar várias combinações diferentes”.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (em inglês).

Fonte: David L. Chandler, MIT News Office. Imagem: Divulgação, MIT.

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