Uma das formas de vida mais abundantes da Terra tem uma falha fatal

As bactérias, chamadas SAR11, são as formas de vida mais abundantes nas águas superficiais do mar em todo o mundo. Em algumas regiões, representam até 40% de todas as células bacterianas marinhas. O seu domínio provém da racionalização do genoma, uma estratégia evolutiva na qual os organismos libertam genes para conservar energia em ambientes pobres em nutrientes.

Um estudo publicado em Microbiologia da Natureza mostra agora que esta extrema eficiência também pode criar sérias limitações.

“O extraordinário sucesso evolutivo do SAR11 na adaptação e domínio de ambientes estáveis ​​com baixos nutrientes pode tê-los deixado vulneráveis ​​a oceanos que sofrem mais mudanças. Eles podem ter evoluído para uma espécie de armadilha”, diz Cameron Thrash, professor de ciências biológicas e ciências da Terra e autor correspondente do estudo.

Adaptação com uma fraqueza embutida

Para entender como o SAR11 responde ao estresse ambiental, os pesquisadores examinaram centenas de genomas do SAR11. Eles descobriram que muitas cepas não possuem genes normalmente responsáveis ​​pela regulação do ciclo celular, o sistema que controla a replicação do DNA e a divisão celular. Na maioria das bactérias, esses genes são essenciais para o crescimento e a sobrevivência normais.

Quando as condições ambientais mudam, a ausência desta regulamentação parece criar grandes problemas. Os cientistas já tinham notado que as populações do SAR11 são sensíveis às mudanças no seu entorno. O que se destacou neste estudo foi a forma incomum como as células reagiram sob estresse.

Em vez de abrandar o seu crescimento, muitas células SAR11 continuaram a copiar o seu ADN, mas não conseguiram dividir-se.

“A replicação do ADN e a divisão celular desacoplaram-se. As células continuaram a copiar o ADN, mas não conseguiram dividir-se adequadamente, produzindo células com números anormais de cromossomas”, diz Chuankai Cheng, candidato a doutoramento em ciências biológicas e principal autor do estudo. “A surpresa foi que surgiu uma assinatura celular tão clara e repetível.”

Por que a falha celular retarda o crescimento populacional

As células com cromossomos extras geralmente cresciam maiores que o normal e eventualmente morriam. Mesmo quando os nutrientes estavam prontamente disponíveis, estas falhas reduziram o crescimento populacional global. Esta descoberta desafia a crença comum de que os micróbios sempre prosperarão quando os alimentos se tornarem abundantes.

Os resultados também esclarecem um enigma de longa data na ecologia dos oceanos. As populações de SAR11 diminuem frequentemente durante as fases posteriores da proliferação do fitoplâncton, um período marcado pelo aumento dos níveis de matéria orgânica na água.

“Há muito tempo que sabemos que estes organismos não são particularmente adequados às fases finais da proliferação do fitoplâncton”, diz Thrash. “Agora temos uma explicação: os estágios tardios de floração estão associados ao aumento de matéria orgânica nova e dissolvida que pode perturbar esses organismos, tornando-os menos competitivos”.

Implicações para as alterações climáticas e a saúde dos oceanos

O estudo traz implicações importantes para a compreensão de como os ecossistemas marinhos podem responder às mudanças climáticas. As bactérias SAR11 desempenham um papel central no ciclo do carbono nos oceanos, ajudando a regular a forma como o carbono se move através das cadeias alimentares marinhas. A sua sensibilidade ao aquecimento e às entradas repentinas de nutrientes pode alterar o equilíbrio das comunidades microbianas à medida que as condições dos oceanos se tornam menos estáveis.

“Este trabalho destaca uma nova forma como a mudança ambiental pode afetar os ecossistemas marinhos, não apenas limitando os recursos, mas perturbando a fisiologia interna dos microrganismos dominantes”, disse Cheng. À medida que a estabilidade ambiental diminui, acrescentou, os organismos com maior flexibilidade regulamentar podem ganhar uma vantagem.

Os investigadores planeiam concentrar-se a seguir na identificação dos processos moleculares por detrás destas perturbações. Obter uma imagem mais clara de como o SAR11 funciona é fundamental, dada a difusão e influência destas bactérias no oceano global.

Sobre o estudo

Junto com Cheng e Thrash, a equipe de pesquisa inclui Brittany Bennett, Pratixa Savalia, Hasti Asrari, Carmen Biel e Kate Evans da USC Dornsife, bem como Rui Tang da Universidade da Califórnia, San Diego.

O trabalho foi apoiado pelo prêmio Simons Foundation Early Career Investigator in Marine Microbial Ecology and Evolution e pelo Simons Foundation Investigator in Aquatic Microbial Ecology Award.