As bactérias fotossintéticas desempenharam um papel fundamental na formação da Terra como a conhecemos. Dentre elas, as cianobactérias se destacam por produzir o oxigênio que preencheu nossa atmosfera e permitiu a emergência da vida complexa. Agora, cientistas do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA) descobriram uma reviravolta surpreendente em como esses organismos funcionam. Um sistema biológico antes acreditado para separar DNA evoluiu, na verdade, para controlar a forma das células cianobacterianas. As descobertas, publicadas na Science, oferecem novas perspectivas sobre como os sistemas de proteínas 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, um pós-doutorando do grupo de Loose no Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA).
“Elas são responsáveis pelo Grande Evento de Oxidação 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.”
Mesmo atualmente, as cianobactérias continuam sendo essenciais para a vida na Terra. Elas contribuem significativamente para a biomassa global e desempenham papéis centrais nos ciclos do carbono e do nitrogênio. Esses organismos são altamente adaptáveis, vivendo em condições extremas que vão de fontes termais ao Ártico, bem como em superfícies como telhados e paredes em cidades. Uma espécie em particular, Anabaena sp. PCC 7120 (ou simplesmente Anabaena), tem sido estudada há mais de três décadas e serve como modelo para entender as cianobactérias multicelulares.
A Evolução Transforma o Sistema de DNA em Estrutura de Modelagem de Células
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, descobriram que Anabaena, e provavelmente outras cianobactérias multicelulares, passaram por uma grande mudança evolutiva. Um sistema antigo que era usado para separar o DNA durante a divisão celular foi reaproveitado em uma estrutura semelhante a um citoesqueleto que ajuda a determinar a forma da célula.
DNA em Bactérias Explicado
Como todas as bactérias, Anabaena se reproduz dividindo-se em novas células. Esse processo depende da cópia e distribuição precisas do DNA para que cada nova célula receba as informações genéticas necessárias para sobreviver. O DNA é compactado em cromossomos, semelhante a um fio enroscado em um carretel, e geralmente está presente em várias cópias que devem ser passadas de forma confiável durante a divisão.
O DNA bacteriano tem 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 as bactérias, permitindo que características se espalhem rapidamente, possibilitando uma adaptação rápida.
Um Sistema de Segregação de DNA com um Novo Papel
Springstein estuda Anabaena desde 2014, explorando sua biologia e evolução. Durante a pandemia de COVID-19, quando os trabalhos em laboratório foram suspensos, ele passou um tempo revisando a literatura científica e notou algo inesperado.
“Fiz uma observação serendípica”, ele recorda.
Ele descobriu que Anabaena e algumas cianobactérias relacionadas contêm um sistema conhecido como ParMR, codificado em seus cromossomos. Tradicionalmente, esse sistema está vinculado à segregação de plasmídeos e só havia sido encontrado 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 um bolsista IST-Bridge, Springstein se propôs a testar essa ideia. Seus experimentos revelaram algo muito diferente. Um componente, ParR, não se liga mais ao DNA. Em vez disso, ele se liga a membranas lipídicas, especialmente à membrana interna da célula. Enquanto isso, 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.
Em vez de agir 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. Nesses experimentos de reconstituição in vitro, observaram que os filamentos exibem instabilidade dinâmica. Eles crescem e depois colapsam rapidamente, um comportamento semelhante aos microtúbulos em células mais complexas.
Para investigar mais a fundo, a equipe colaborou com o Professor Florian Schur do ISTA e seu doutorando Manjunath Javoor. Utilizando microscopia crioeletrônica, que permite aos cientistas ver estruturas moleculares em grande detalhe, examinaram como esses filamentos são construídos. Eles descobriram que, ao contrário dos filamentos polares formados por sistemas semelhantes em outras bactérias, os filamentos em Anabaena são bipolares, o que significa que podem crescer e encolher de ambas as extremidades.
A Perda do Sistema Altera a Forma Celular
A verdadeira função desse sistema se tornou clara quando ele foi removido de células vivas.
“Células sem o sistema perderam sua forma retangular normal e se tornaram redondas e inchadas,” explica Springstein.
Essas mudanças são tipicamente vistas quando 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
As cianobactérias multicelulares evoluíram gradualmente a partir de ancestrais unicelulares, ganhando complexidade ao longo do tempo. A análise bioinformática da colaboradora Daniela Megrian do Institut Pasteur em Montevideo, Uruguai, ajudou a esclarecer como o sistema CorMR surgiu.
A transformação não aconteceu de uma só vez. Em vez disso, provavelmente ocorreu por meio de uma sequência de mudanças. Primeiro, o sistema mudou de um plasmídeo para o cromossomo. Em seguida, seus componentes mudaram de tamanho e estrutura. Então, desenvolveu a capacidade de se ligar às membranas celulares. Finalmente, passou a estar sob o controle de um sistema proteico adicional.
Juntos, esses passos 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 novas finalidades a ferramentas biológicas antigas.
