Um estudo revela novos insights sobre a evolução das leveduras através da análise de IA de mais de 1.000 cepas, desafiando velhos paradigmas e fornecendo um conjunto de dados abrangente para o avanço da pesquisa em vários domínios científicos. Colônias de levedura (coloridas artificialmente). Crédito: UNC Charlotte
Abigail Leavitt LaBella, professora assistente de bioinformática da Universidade da Carolina do Norte em Charlotte, co-liderou um ambicioso estudo de pesquisa – publicado na prestigiada revista Ciência — que relata descobertas intrigantes feitas através de análises inovadoras de inteligência artificial sobre leveduras, os pequenos fungos que são os principais contribuintes para a biotecnologia, a produção de alimentos e a saúde humana.
As descobertas desafiam as estruturas aceitas dentro das quais a evolução da levedura é estudada e fornecem acesso a um conjunto de dados de análise de levedura incrivelmente rico que pode ter implicações importantes para futuras pesquisas em biologia evolutiva e bioinformática.
LaBella, que ingressou no Departamento de Bioinformática da UNC Charlotte na Faculdade de Computação e Informática como professor assistente e pesquisador no Campus de Pesquisa da Carolina do Norte em 2022, conduziu o estudo com a co-autora principal Dana A. Opulente da Villanova University. Eles colaboraram com colegas pesquisadores da Universidade Vanderbilt e da Universidade de Wisconsin em Madison, juntamente com colegas de instituições de pesquisa de todo o mundo.
Este é o estudo emblemático da o Projeto Y1000+um enorme esforço interinstitucional de sequenciamento e fenotipagem do genoma de levedura ao qual LaBella se juntou como pesquisador de pós-doutorado na Universidade Vanderbilt.
“As leveduras são fungos unicelulares que desempenham papéis críticos em nossa vida cotidiana. Eles fazem pão e cerveja, são usados na produção de remédios, podem causar infecções e, como parentes próximos dos animais, nos ajudaram a aprender como funciona o câncer”, disse LaBella. “Queríamos saber como esses pequenos fungos evoluíram para ter uma gama tão incrível de funções e características. Com a caracterização de mais de mil leveduras, descobrimos que as leveduras não se enquadram no ditado ‘pau para toda obra, mestre de ninguém’”.
Resultados e implicações do estudo
Este estudo contribui para a compreensão básica de como os micróbios mudam ao longo do tempo, ao mesmo tempo que geram mais de 900 novas sequências genómicas para leveduras – muitas das quais poderiam ser aproveitadas em campos biofúngicos, tais como controlo de pragas agrícolas, desenvolvimento de medicamentos e produção de biocombustíveis.
LaBella e seus coautores – por meio de uma análise de aprendizado de máquina assistida por inteligência artificial do conjunto de dados do Projeto Y1000 + compreendendo 1.154 cepas da antiga levedura unicelular Saccaromycotina – tentaram responder a uma questão importante. Isto é: por que algumas leveduras comem (ou metabolizam) apenas alguns tipos de carbono para obter energia, enquanto outras podem comer mais de uma dúzia?
Abigail Leavitt LaBella. Crédito: UNC Charlotte
O número total de fontes de carbono utilizadas por uma levedura para energia é conhecido em termos ecológicos como a amplitude do seu nicho de carbono. Os humanos também variam na amplitude do seu nicho de carbono – por exemplo, algumas pessoas podem metabolizar a lactose, enquanto outras não.
A pesquisa em biologia evolutiva apoiou dois paradigmas abrangentes sobre a amplitude de nicho, o fenômeno que explica por que alguns organismos de levedura (“especialistas”) evoluem para serem capazes de metabolizar apenas um pequeno número de formas de carbono como combustível, enquanto outros (“generalistas”) evoluem para serem capaz de consumir e crescer em uma ampla variedade de formas de carbono. Um desses paradigmas ilustra que ser generalista traz certas vantagens e desvantagens em comparação com ser especialista. Notavelmente, neste último caso, a capacidade de processar uma ampla gama de formas de carbono ocorre às custas da capacidade da levedura de processar e crescer eficientemente em cada forma de carbono. A segunda é que estes especialistas e generalistas em leveduras evoluem para se enquadrarem em qualquer um dos perfis devido aos efeitos combinados de diferentes características intrínsecas dos seus respectivos genomas e diferentes influências extrínsecas baseadas nos vários ambientes em que existem organismos de levedura.
Desafiando os Paradigmas Existentes
LaBella e seus colegas encontraram amplas evidências que apoiam a ideia de que existem diferenças genéticas intrínsecas e identificáveis entre especialistas em leveduras e generalistas, especificamente que os generalistas tendem a ter um número total maior de genes do que os especialistas. Por exemplo, descobriram que os generalistas são mais propensos a sintetizar carnitina, uma molécula que está envolvida na produção de energia e muitas vezes vendida como suplemento de exercício.
Mas, inesperadamente, a sua investigação encontrou evidências muito limitadas do compromisso evolutivo previsto da capacidade de uma levedura para processar muitas formas de carbono, em detrimento da sua capacidade de o fazer de forma eficiente e crescer em conformidade, e vice-versa.
“Vimos que as leveduras que poderiam crescer em muitos substratos de carbono são, na verdade, muito boas produtoras”, disse LaBella. “Essa foi uma descoberta muito surpreendente para nós.”
Embora as descobertas desta experiência específica e os mecanismos inovadores de aprendizagem automática utilizados na sua análise possam ter implicações importantes para a bioinformática, ecologia, metabolismo e biologia evolutiva, a publicação deste estudo significa que o enorme compêndio de dados de leveduras do Projecto Y1000+ está agora disponível para estudiosos de todo o mundo usarem como ponto de partida para ampliar suas próprias pesquisas sobre leveduras.
“Este conjunto de dados será um enorme recurso no futuro”, disse LaBella.
Referência: “Fatores genômicos moldam a amplitude do nicho metabólico de carbono e nitrogênio em leveduras Saccharomycotina” por Dana A. Opulente, Abigail Leavitt LaBella, Marie-Claire Harrison, John F. Wolters, Chao Liu, Yonglin Li, Jacek Kominek, Jacob L. Steenwyk, Hayley R. Stoneman, Jenna VanDenAvond, Caroline R. Miller, Quinn K. Langdon, Margarida Silva, Carla Gonçalves, Emily J. Ubbelohde, Yuanning Li, Kelly V. Buh, Martin Jarzyna, Max AB Haase, Carlos A. Rosa, Neža ČCadež, Diego Libkind, Jeremy H. DeVirgilio, Amanda Beth Hulfachor, Cletus P. Kurtzman, José Paulo Sampaio, Paula Gonçalves, Xiaofan Zhou, Xing-Xing Shen, Marizeth Groenewald, Antonis Rokas e Chris Todd Hittinger, 26 de abril de 2024, Ciência.
DOI: 10.1126/science.adj4503
