Cientistas descobrem ancestral amante do oxigênio de toda vida complexa

Pesquisadores da Universidade do Texas em Austin agora relatam evidências que podem resolver esse quebra-cabeça. Escrevendo no diário Naturezaa equipe se concentrou em um grupo de micróbios chamados Asgard archaea, que são considerados parentes próximos dos ancestrais da vida complexa. Embora a maioria dos Asgards conhecidos vivam em águas profundas ou em outros ambientes pobres em oxigênio, o novo estudo mostra que alguns membros deste grupo podem tolerar ou até usar oxigênio. A descoberta reforça a teoria de longa data de que a vida complexa evoluiu conforme previsto, provavelmente num ambiente onde o oxigénio estava presente.

“A maioria dos Asgards vivos hoje foram encontrados em ambientes sem oxigênio”, explicou Brett Baker, professor associado de ciências marinhas e biologia integrativa na UT. “Mas acontece que aqueles mais intimamente relacionados com os eucariontes vivem em locais com oxigênio, como sedimentos costeiros rasos e flutuando na coluna de água, e têm muitas vias metabólicas que usam oxigênio. Isso sugere que nosso ancestral eucariótico provavelmente também teve esses processos.”

O Grande Evento de Oxidação e os Primeiros Eucariotos

A equipe de Baker estuda os genomas de Asgard archaea para identificar novos ramos do grupo e entender melhor como esses micróbios geram energia. As suas últimas descobertas estão alinhadas com o que geólogos e paleontólogos reconstruíram sobre a atmosfera primitiva da Terra.

Há mais de 1,7 mil milhões de anos, os níveis de oxigénio na atmosfera eram extremamente baixos. Depois, as concentrações de oxigénio aumentaram acentuadamente durante o que os cientistas chamam de Grande Evento de Oxidação, aproximando-se eventualmente de níveis semelhantes aos actuais. Algumas centenas de milhares de anos após esse aumento dramático, os primeiros microfósseis conhecidos de eucariotos aparecem no registro fóssil. Este momento próximo sugere que o oxigénio pode ter desempenhado um papel crucial no surgimento de vida complexa.

“O fato de alguns dos Asgards, que são nossos ancestrais, terem sido capazes de usar oxigênio se encaixa muito bem nisso”, disse Baker. “O oxigênio apareceu no ambiente, e os Asgards se adaptaram a isso. Eles encontraram uma vantagem energética no uso do oxigênio e então evoluíram para eucariotos.”

Simbiose e o nascimento das mitocôndrias

O modelo predominante sustenta que os eucariontes surgiram quando um arqueeon Asgard formou uma relação simbiótica com uma alfaproteobactéria. Com o tempo, os dois organismos foram integrados em uma única célula. A alfaproteobactéria eventualmente evoluiu para as mitocôndrias, a estrutura dentro das células eucarióticas que produz energia.

Neste estudo, os pesquisadores expandiram significativamente a diversidade genética conhecida de Asgard archaea. Eles identificaram grupos específicos, incluindo Heimdallarchaeia, que estão especialmente relacionados com os eucariotos, mas são relativamente incomuns hoje em dia.

“Estas archaea Asgard são frequentemente ignoradas pelo sequenciamento de baixa cobertura”, disse a coautora Kathryn Appler, pesquisadora de pós-doutorado no Institut Pasteur em Paris, França. “O enorme esforço de sequenciamento e a estratificação de métodos sequenciais e estruturais nos permitiram ver padrões que não eram visíveis antes desta expansão genômica.”

Esforço maciço de sequenciamento do genoma

O trabalho começou com o doutorado de Appler. pesquisa no Instituto de Ciências Marinhas da Universidade do Texas em 2019, quando extraiu DNA de sedimentos marinhos. A equipe e os colaboradores do UT reuniram mais de 13.000 novos genomas microbianos. O projeto combinou amostras de múltiplas expedições marinhas e exigiu a análise de cerca de 15 terabytes de DNA ambiental.

A partir deste extenso conjunto de dados, os investigadores recuperaram centenas de novos genomas de Asgard, quase duplicando a diversidade genómica conhecida do grupo. Ao comparar semelhanças e diferenças genéticas, eles construíram uma árvore da vida expandida de Asgard archaea. Os genomas recentemente identificados também revelaram grupos de proteínas anteriormente desconhecidos, duplicando o número de classes enzimáticas reconhecidas dentro destes micróbios.

Análise de IA de proteínas do metabolismo do oxigênio

A equipe examinou então Heimdallarchaeia mais de perto, comparando suas proteínas com aquelas encontradas em eucariotos que estão envolvidos na produção de energia e no metabolismo do oxigênio. Para fazer isso, eles usaram um sistema de inteligência artificial chamado AlphaFold2 para prever as formas tridimensionais das proteínas. Como a estrutura de uma proteína determina como ela funciona, esta análise forneceu pistas importantes.

Os resultados mostraram que várias proteínas Heimdallarchaeia se assemelham muito àquelas usadas pelas células eucarióticas para o metabolismo baseado em oxigênio e com eficiência energética. Esta semelhança estrutural oferece suporte adicional à ideia de que os antepassados ​​da vida complexa já estavam adaptados à utilização de oxigénio.

Outros colaboradores do estudo incluíram os ex-investigadores da UT Xianzhe Gong (atualmente na Universidade de Shandong, na China), Pedro Leão (agora na Universidade Radboud, na Holanda), Marguerite Langwig (agora na Universidade de Wisconsin-Madison) e Valerie De Anda (atualmente na Universidade de Viena). James Lingford e Chris Greening, da Universidade Monash, na Austrália, juntamente com Kassiani Panagiotou e Thijs Ettema, da Universidade de Wageningen, na Holanda, também participaram da pesquisa.

O financiamento foi fornecido em parte pelas Fundações Gordon e Betty Moore e Simons, pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China e pelo Conselho Nacional de Saúde e Pesquisa Médica da Austrália.