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A evolução escondida à vista

Moléculas no interior do Escherichia coli. Crédito: Adrian Elcock, PLOS Computation Biology

Moléculas no interior do Escherichia coli. Crédito: Adrian Elcock, PLOS Computation Biology

Por Carl Zimmer

É difícil acreditar que o Escherichia coli ainda poderia ter algum segredo.

Por mais de um século, cientistas dissecaram o micróbio — sequenciando seus genes, quebrando seu código genético, conduzindo experimentos sobre o seu metabolismo, ganhando Prêmios Nobel a partir dele, e tornando-o, discutivelmente, o organismo mais estudado na história.

Porém, apesar de os cientistas mergulharem nas profundezas, ainda precisam tocar o fundo. Em parte, porque o Escherichia coli não é fixo. Ele continua evoluindo e, mesmo nos experimentos mais cuidadosamente controlados, a evolução deixa para trás uma história complicada.

Há vinte e cinco anos, Richard Lenski usou um único micróbio para produzir doze linhagens de bactérias. Ele alimentou cada linhagem com uma parca dieta de glicose e, desde então, as bactérias têm se adaptado a esta existência em seu laboratório, na Michigan State University.

Em 2003, a equipe de Lenski percebeu que algo absolutamente inesperado ocorrera. Uma das características do Escherichia coli enquanto espécie é a de que, na presença de oxigênio, ele não consegue se alimentar de um composto chamado citrato. Mas, um dia, um frasco ficou turvo com uma explosão de E. coli que estavam fazendo exatamente isso. A mudança foi tão profunda que pode significar que essas bactérias tenham evoluído em uma nova espécie.

Nos últimos 11 anos, os cientistas têm tentado descobrir como as bactérias adquiriram esta habilidade de se alimentar de citrato. Felizmente, no princípio do experimento, Lenski decidiu congelar algumas das bactérias em evolução a cada 500 gerações. Como resultado, ele e seus colegas podem ressuscitar micróbios ancestrais, sequenciar seus genomas e investigar sua biologia por pistas.

Após procurarem pela história congelada da alimentação por citrato durante alguns anos, os cientistas descobriram um passo importante nesta evolução. Ela envolve um gene chamado citT.

O gene citT codifica uma proteína que permite ao E. coli se alimentar de citrato quando os níveis de oxigênio baixam. A proteína se localiza na membrana do micróbio e ajuda a puxar moléculas de citrato do ambiente. Conforme atrai o citrato, entretanto, ela bombeia outra molécula — succinato — para fora. A atração e expulsão dessas duas moléculas ajuda a manter a química da célula equilibrada.

Um pequeno segmento de DNA próximo ao citT serve como interruptor. Se o micróbio detecta oxigênio, uma proteína se prende ao segmento e desliga o citT. O micróbio não se alimenta mais de citrato; ao invés disso, se alimenta de melhores fontes de energia, como a glicose.

Os cientistas descobriram que, ao redor da geração 31.500, um micróbio, que estava copiando seu DNA para se dividir, cometeu um grande equívoco. Ele acidentalmente produziu uma cópia extra de um segmento de DNA. Esse segmento continha justamente o citT. O micróbio inseriu a cópia ao lado da original, tal que uma das suas células filhas agora tinha duas cópias do citT.

Este tipo de duplicação de gene acontece de vez em quando em todos os seres vivos. O DNA humano também é regularmente copiado. E isto pode levar a alterações importantes, pois as duas cópias podem começar a fazer duas coisas diferentes. E foi isto o que ocorreu com o E. coli. No experimento de Lenski, a nova cópia do citT foi parar perto de um novo trecho de DNA que controlava genes de uma forma distinta. Em vez de desligar genes na presença de oxigênio, ele os mantêm sempre ligados. Graças a esta mutação ao citT, as bactérias puderam passar a se alimentar de citrato no laboratório de Lenski, rico em oxigênio.

Mas os cientistas descobriram que esta mutação era apenas uma parte da história. A mutação do citT permitiu às bactérias se desenvolverem no citrato, mas apenas devagar. Só depois de mais 1.500 gerações as bactérias que se alimentam de citrato começaram a crescer rápido o bastante para dominar seu frasco.

Durante aquelas 1.500 gerações, descobriram os cientistas, as bactérias cometeram mais erros de cópia, fazendo quatro cópias do novo gene citT. Essas cópias a mais permitiram às bactérias produzirem mais proteínas que puxam o citrato. Mas outras mutações surgiram da geração 31.500 à 33.000, e os cientistas não tinham como saber se elas também eram importantes.

Eis que a história tinha um capítulo anterior. Os pesquisadores voltaram ao começo do arquivo congelado e descongelaram alguns ancestrais microbianos. Eles inseriram os genes citT evoluídos nos ancestrais, e descobriram que os micróbios não conseguiam se alimentar de citrato. Então, o gene citT evoluído, por si só, não era o bastante para transformar um micróbio em um comedor de citrato.

O mesmo foi feito com bactérias da geração 20.000, e obteve-se um resultado diferente. Quando essas bactérias, mais evoluídas, receberam o gene citT, conseguiram se alimentar de citrato. Resultados como esses sugeriram que, no início da evolução das bactérias, elas adquiriram mutações que, mais tarde, fariam com que fosse possível para a mutação do citT torná-las comedoras de citrato.

Recapitulando: agora os cientistas tinham uma história em três partes. Até 31.500 gerações, foi uma história de mutações de base. Então, veio a grande duplicação do citT. E, depois disso, vieram mutações refinadoras, levando à dominação mundial em torno da geração 33.000 (O mundo, neste caso, é um frasco do tamanho de um copo.)

A fim de lerem esta história em todos os seus detalhes, os cientistas precisariam compreender a ordem através da qual cada mutação surgiu, passo a passo. E eles teriam que entender como cada mutação ajudou a produzir um novo tipo de organismo.

Apesar das condições cuidadosamente controladas do experimento, este era um problema diabolicamente complicado. Quando as bactérias haviam evoluído em direção a comedoras de citrato completas, na geração 33.000, elas tinham adquirido 79 mutações não encontradas no seu ancestral. Muitas dessas mutações, provavelmente, não tinham nada a ver com a alimentação por citrato. Elas podem ter auxiliado as primeiras bactérias a se desenvolverem melhor na glicose. Algumas podem não ter surtido qualquer efeito sobre as bactérias.

Um dos cientistas que estudava as comedoras de citrato era o pesquisador Jeffrey Barrick. Em 2011, ele se mudou para a Universidade do Texas para estabelecer seu próprio laboratório, e lá continuou a estudá-las, desenvolvendo novos métodos para destrinchar o histórico evolutivo das comedoras de citrato.

Ele e seus pares desenvolveram um novo método de arquitetar bactérias, a fim de identificar as mutações que foram absolutamente essenciais para a completa alimentação por citrato. Combinaram porções do genoma das comedoras de citrato com as do genoma ancestral e, então, puseram estas híbridas em discos contendo apenas citrato para que se alimentassem.

A maioria morreu de fome. Mas algumas cresceram. Os cientistas retiraram as híbridas sobreviventes e puseram partes do seu DNA em outras bactérias ancestrais. Experimentos após experimentos os levaram à identificação dos segmentos essenciais para o desenvolvimento no citrato. Por fim, puderam localizar as mutações específicas.

Seus resultados foram, estranhamente, poucos.

Um resultado não foi surpresa. Barrick e seus colegas descobriram que, para se alimentarem de citrato com o máximo entusiasmo, as bactérias precisavam de cópias extras dos genes citT refeitos.

Porém, conforme informaram Barrick e seus pares em artigo recente, descobriu-se apenas mais uma mutação essencial.

Esta mutação afeta um gene chamado dctA. Quando os cientistas inseriram as versões evoluídas de citT e dctA em um micróbio ancestral, ele se tornou um completo comedor de citrato. Nenhum gene poderia, por si próprio, alcançar o mesmo resultado. E nenhum outro gene era requerido para a metamorfose.

Esta descoberta instigou os pesquisadores a observarem atentamente o gene dctA. Ele codifica outra proteína da membrana, que é responsável por bombear moléculas para dentro e para fora do micróbio. Enquanto o citT bombeia o succinato para fora do micróbio, o dctA o bombeia para dentro.

Barrick e seus colegas suspeitam que a evolução de um novo tipo de gene dctA permitiu à bactéria manter um suprimento do succinato de que ela precisava para se alimentar de citrato. Juntas, as mutações ao citT e ao dctA transformaram os micróbios mutantes em vencedores.

Isto deixa o papel de todas as outras mutações envolto em mistério. No novo estudo, nenhuma das mutações que vieram antes da geração 31.500 se provou vital para o desenvolvimento de uma completa comedora de citrato. Elas não estabeleciam os alicerces de qualquer forma essencial. Mesmo assim, pesquisas anteriores indicaram claramente que as coisas estavam estabelecidas antes da geração 31.500.

Dados os novos resultados, Barrick e seus pares têm algumas ideias para o que ocorria antes disso. É possível que algumas das mutações iniciais e misteriosas tenham sido favorecidas pela seleção natural, porque ajudaram as bactérias a crescerem na sua dieta habitual de glicose. E, como efeito colateral, elas ajudaram a construir um pequeno suprimento de succinato. Esse succinato se tornou um grande benefício mais tarde, quando o citT mutou. Agora, as bactérias tinham succinato suficiente (ou alguma molécula parecida) para expulsar enquanto puxavam o citrato para dentro. Se a mutação no citT tivesse chegado antes dessas mutações, as bactérias poderiam não ter sido capazes de se alimentarem de citrato. Após isso, a mutação no dctA surgiu, pondo a alimentação por citrato em sobremarcha.

Entrei em contato com Lenski, que não foi coautor do novo estudo de Barrick, para ver o que ele achava dos resultados. “Adoro o fato de este artigo demonstrar justamente como a evolução complexa pode ocorrer”, respondeu ele, “mesmo para uma pequena espécie, em um pequeno mundo em frasco, por apenas algumas décadas”.

Fonte: National Geographic


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This entry was posted on 8 de Janeiro de 2014 by in Biologia and tagged , , , , , , , .

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