Uma nova descoberta microscópica está revelando a vida invisível dos oceanos

Uma colaboração pandêmica estimula descobertas

Durante a pandemia de COVID-19, o líder do grupo EMBL, Gautam Dey, recebeu uma ligação Zoom da colaboradora Omaya Dudin, que então liderava um grupo de pesquisa na EPFL. Dudin acabara de conseguir adaptar um novo método de imagem para visualizar a organização interna de Ictiosporéia (um protista marinho intimamente relacionado com animais e fungos). Esta descoberta superou um obstáculo de longa data: as resistentes paredes celulares da espécie.

A técnica, conhecida como microscopia de expansão, foi originalmente desenvolvida no MIT e posteriormente refinada em microscopia de expansão ultraestrutural (U-ExM) por Paul Guichard e Virginie Hamel na Universidade de Genebra. Suas melhorias tornaram as paredes celulares do protista permeáveis, permitindo aos cientistas observar claramente sua arquitetura interna pela primeira vez.

Motivados por este sucesso, Dudin, Dey, Guichard e Hamel iniciaram uma colaboração de longo prazo. Três anos mais tarde, a sua parceria produziu um conjunto de conhecimentos sem precedentes sobre centenas de espécies protistas e lançou as bases para um “atlas planetário” de plâncton.

A expedição Traversing European Coastlines (TREC), liderada pelo EMBL, ofereceu uma oportunidade ideal para explorar ainda mais estes organismos marinhos. Publicado recentemente em Célulaas descobertas da equipa fornecem uma visão detalhada das estruturas celulares de mais de 200 espécies de plâncton, especialmente eucariotas (organismos cujas células contêm um núcleo ligado à membrana). Esta pesquisa marca o início do PlanExM, um projeto TREC projetado para mapear a diversidade estrutural oculta do plâncton usando microscopia de expansão.

Explorando micróbios marinhos com detalhes sem precedentes

Em Roscoff, França – um dos primeiros locais de amostragem da expedição TREC – a Station Biologique mantém uma das coleções mais abrangentes de microrganismos marinhos da Europa. Esperando apenas algumas dezenas de amostras, a equipe pediu ao gerente Ian Probert material para testar sua técnica. Em vez disso, obtiveram acesso a mais de 200 espécies.

“Passamos três dias e noites apenas consertando essas amostras. Este era um tesouro que não podíamos abandonar”, disse o co-autor Felix Mikus, que completou seu doutorado no Grupo Dey e agora é pós-doutorado no laboratório de Dudin na Universidade de Genebra.

Como funciona a microscopia de expansão

A microscopia de expansão, que completa 10 anos este ano, amplia fisicamente as amostras biológicas. Uma amostra – contendo células, tecidos ou organismos unicelulares – é incorporada em um gel transparente que absorve água e se expande. Notavelmente, as estruturas internas da célula permanecem intactas e esticam-se proporcionalmente, permitindo aos investigadores ampliar a amostra até 16 vezes sem utilizar lentes de alta potência.

“Quando combinada com métodos regulares de microscopia de luz, a microscopia de expansão permite aos cientistas contornar as barreiras de comprimento de onda padrão que limitam o quão pequena uma estrutura pode ser resolvida usando microscopia de luz”, disseram Guichard e Hamel.

Mapeando o esqueleto celular da vida

Utilizando amostras de Roscoff e uma segunda recolha em Bilbao, Espanha, a equipa conduziu um dos estudos mais abrangentes de sempre sobre o citoesqueleto – a rede de filamentos que suporta e organiza as células eucarióticas. Eles se concentraram nos microtúbulos (filamentos ocos que ajudam as células a manter a forma, a se dividir e a se mover) e nas centrinas (proteínas envolvidas na organização dos microtúbulos).

“Conseguimos mapear características da organização de microtúbulos e centrinas em muitos grupos eucarióticos diferentes”, explicou Hiral Shah, bolsista de pós-doutorado do EIPOD nos grupos Dey e Schwab do EMBL e co-primeiro autor do estudo. “A escala do estudo, com muitas espécies caracterizadas em cada grupo, abre a possibilidade de fazer previsões evolutivas. Por exemplo, os dinoflagelados, um dos grupos mais diversos encontrados nos oceanos de todo o planeta, estão bem representados no nosso estudo.

Revelando padrões evolutivos através da microscopia

“O U-ExM está transformando a forma como exploramos a ultraestrutura protista”, disse o coautor Armando Rubio Ramos, pós-doutorado na Universidade de Genebra. “Ao combinar esta técnica com imagens de alto rendimento e análises comparativas, podemos começar a decodificar como a arquitetura celular se diversificou ao longo da evolução. É uma ponte entre os dados moleculares e a organização física da vida em escala microscópica.”

Os resultados não apenas esclarecem como as células eucarióticas são organizadas, mas também oferecem pistas sobre o desenvolvimento evolutivo de suas estruturas internas. A pesquisa destaca o poder da microscopia de expansão como ferramenta para estudar até mesmo amostras ambientais complexas coletadas diretamente do oceano.

Rumo a um Atlas Planetário da Vida Microscópica

“Nossas aventuras com a microscopia de expansão estão apenas começando”, disse Dey. “Esta é talvez a primeira técnica de microscopia de alta resolução que tem o potencial de corresponder à escala e à ambição de grandes projetos de genómica da biodiversidade, permitindo-nos, num futuro próximo, associar novos dados multiómicos à fisiologia celular em escala através da árvore da vida.”

Com a adesão de Thomas Richards, da Universidade de Oxford, à colaboração, Dey e Dudin garantiram uma bolsa da Fundação Moore de CHF 2 milhões para continuar expandindo suas pesquisas.

“O próximo passo é examinar seletivamente mais profundamente certas espécies dentro desta ampla coleção para responder a questões específicas, como a compreensão de como a mitose e a multicelularidade evoluíram e a diversidade fenotípica subjacente às principais transições evolutivas”, disse Dudin.