Os pesquisadores descobriram um “ponto de inflexão” evolutivo que afeta o crescimento dos fungos e a diversidade de formas, destacando como pequenas mudanças ambientais podem impactar significativamente a evolução. Esta descoberta, baseada em estudos de fungos e bolores aquáticos, revela que certas formas de hifas são favorecidas devido a restrições evolutivas. As descobertas oferecem novos conhecimentos sobre a resiliência das espécies às alterações climáticas e o potencial para a criação de antimicrobianos direcionados contra agentes patogénicos fúngicos.
A pesquisa mostra que pequenas mudanças ambientais podem influenciar significativamente as estruturas das células e organismos.
Os cientistas encontraram um “ponto de viragem” na evolução dos fungos que estrangula o seu crescimento e esculpe as suas formas. As descobertas, publicadas na revista Relatórios de células, demonstrar como pequenas mudanças nos fatores ambientais podem levar a grandes mudanças nos resultados evolutivos.
Os fungos são os grandes compositores da natureza. Eles esperam no chão da floresta para se alimentar de árvores caídas e folhas de outono, liberando nutrientes essenciais dessas plantas de volta à Terra.
Hifas do fungo Allomyces arbuscula crescendo como parte de um micélio. Crédito: Maxim Ohairwe
Embora os fungos muitas vezes lembrem as cápsulas dos cogumelos, os fungos também têm “raízes” subterrâneas chamadas micélios. Os micélios são compostos de milhares de células microscópicas, semelhantes a dedos, interconectadas, chamadas hifas, que crescem em vastas redes. As hifas percorrem o solo crescendo a partir de suas pontas. Para isso, eles se inflam, de forma semelhante aos longos balões usados para fazer animais-balão.
Suas formas alongadas permitem que as hifas localizem e consumam nutrientes no solo. Mas nem todas as hifas têm o mesmo formato: algumas têm pontas arredondadas, enquanto outras são pontiagudas. As hifas dos bolores aquáticos – patógenos semelhantes a fungos que causam a deterioração das plantações – são particularmente pontiagudas.
O cenário de aptidão das hifas mostrando que as formas naturais são limitadas por um ponto de inflexão. Crédito: Maxim Ohairwe
Explorando formas de hifas
“Um grande desafio na biologia é identificar os fatores evolutivos específicos que determinam a forma – ou forma – de um determinado organismo”, disse Enrique Rojas, professor assistente de biologia na Universidade de Nova York e o autor sênior do estudo.
Para compreender as razões das diferentes formas das hifas, Rojas e os seus colegas combinaram teoria e experiências para investigar fungos e bolores aquáticos de toda a natureza. Eles primeiro empregaram modelos de crescimento da ponta inflacionária baseados na física para determinar todos possível formas de hifas. Surpreendentemente, as formas real as hifas encontradas na natureza assumiram apenas um pequeno subconjunto das formas possíveis.
Uma hifa de Achlya bisexualis crescendo. Crédito: Maxim Ohairwe
Os investigadores levantaram a hipótese de que as formas limitadas observadas na natureza refletiam a “sobrevivência do mais apto” e que as muitas formas possíveis não observadas em fungos reais eram, por alguma razão, rejeitos evolutivos mais fracos. Para explorar essa ideia, eles examinaram a taxa de crescimento de hifas com diferentes formatos para criar um cenário de aptidão para as hifas.
“Nosso momento eureka foi quando percebemos que as formas das hifas estavam intimamente ligadas à sua capacidade de crescer rapidamente”, disse Maxim Ohairwe, estudante de doutorado no Departamento de Biologia da NYU e principal autor do estudo.
Micélio hifal. Crédito: Maxim Ohairwe
Paisagens e evolução do fitness
Um cenário de fitness é como um mapa topográfico que visualiza a evolução de um organismo: cada espécies vagueia por seu cenário de aptidão, testando se mutações aleatórias em seus genes aumentam ou não sua taxa de crescimento, ou aptidão. Uma espécie só interrompe a sua peregrinação inquieta quando uma nova mutação diminui a sua aptidão – isto é, quando está no auge da sua aptidão.
No entanto, a equipe de Rojas descobriu que os cenários de fitness podem ser muito mais ricos do que um sistema de picos e vales. Na verdade, eles descobriram que a paisagem de aptidão para as hifas continha um penhasco saliente, ou ponto de inflexão, e que isto funciona como uma barreira à evolução, limitando fortemente as formas das hifas dos fungos. Conseqüentemente, eles previram que as hifas com formas próximas à borda do ponto de inflexão seriam particularmente vulneráveis a pequenas alterações ambientais, químicas ou genéticas.
Uma hifa de Achlya bisexualis que foi tratada com uma substância química que bloqueia o transporte subcelular. O tratamento fez com que as hifas se alongassem muito mais lentamente e com um formato estranho de protuberância não encontrado na natureza. Crédito: Maxim Ohairwe
Os pesquisadores testaram sua previsão tratando fungos próximos ao ponto crítico com pequenas quantidades de produtos químicos que afetaram o crescimento das hifas. Eles usaram um produto químico que reduz a pressão dentro das hifas e outro derivado de uma esponja marinha que bloqueia a capacidade da hifa de entregar componentes celulares à ponta da célula. Ambos os tratamentos causaram o mesmo efeito dramático: as hifas alongaram-se muito mais lentamente e com uma forma estranha de protuberância não encontrada na natureza.
“Nossas descobertas explicam a diversidade de formas de hifas em um grupo enorme, diverso e importante de espécies”, disse Rojas. “De forma mais ampla, eles também demonstram um novo princípio evolutivo importante: que as paisagens de aptidão podem ter instabilidades, ou pontos de inflexão, que impõem restrições estritas a características complexas, como a forma biológica.”
Os investigadores acreditam que os seus resultados têm implicações críticas para a nossa compreensão de muitos sistemas ecológicos e evolutivos. Por exemplo, as espécies cuja evolução está sujeita a um ponto de viragem podem ser as mais vulneráveis ao aumento gradual da temperatura causado pelas alterações climáticas. As suas descobertas também poderão ajudar no desenvolvimento de novos antimicrobianos contra fungos causadores de doenças, identificando vulnerabilidades no seu crescimento associadas a um ponto de viragem evolutivo.
Referência: “Uma instabilidade de paisagem de aptidão governa a diversidade morfológica de células em crescimento de pontas” por Maxim E. Ohairwe, Branka D. Živanović e Enrique R. Rojas, 25 de março de 2024, Relatórios de células.
DOI: 10.1016/j.celrep.2024.113961
Além de Rojas e Ohairwe, Branka Živanović, da Universidade de Belgrado, foi coautora do estudo. Esta pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation (concessão CAREER 2047404, concessão PHY-221045), pelo Ministério da Educação, Ciência e Desenvolvimento Tecnológico da República da Sérvia (451-03-68/2022-14/200053) e Deutsche Forschungsgemeinschaft (GA 173/13-1). O Laboratório de Microscopia da NYU, onde a microscopia eletrônica foi realizada, é financiado pelo Instituto Nacional de Saúde (NCI P30CA016087 e S10 OD019974).
