Uma imagem de microscopia óptica mostra a alga marinha haptófita Braarudosphaera bigelowii com uma seta preta apontando para a organela nitroplasta. Crédito: Tyler Coale
Os livros didáticos de biologia modernos afirmam que apenas as bactérias podem retirar nitrogênio da atmosfera e convertê-lo em uma forma utilizável para a vida. As plantas que fixam nitrogênio, como as leguminosas, o fazem abrigando bactérias simbióticas nos nódulos das raízes. Mas uma descoberta recente derruba essa regra.
Em dois artigos recentes, uma equipe internacional de cientistas descreveu a primeira organela fixadora de nitrogênio conhecida dentro de uma célula eucariótica. A organela é o quarto exemplo na história da endossimbiose primária – o processo pelo qual uma célula procariótica é engolfada por uma célula eucariótica e evolui além da simbiose para uma organela.
“É muito raro que organelas surjam desse tipo de coisa”, disse Tyler Coale, pós-doutorado na UC Santa Cruz e primeiro autor de um dos dois artigos recentes. “A primeira vez que pensamos que isso aconteceu, deu origem a toda vida complexa. Tudo o que é mais complicado do que uma célula bacteriana deve a sua existência a esse acontecimento”, disse, referindo-se à origem das mitocôndrias. “Há cerca de um bilhão de anos, aconteceu novamente com o cloroplasto, e isso nos deu plantas”, disse Coale.
O terceiro exemplo conhecido envolve um micróbio semelhante a um cloroplasto. A mais recente descoberta é o primeiro exemplo de uma organela fixadora de nitrogênio, que os pesquisadores chamam de nitroplasto.
Um mistério de décadas
A descoberta da organela envolveu um pouco de sorte e décadas de trabalho. Em 1998, Jonathan Zehr, ilustre professor de ciências marinhas da UC Santa Cruz, encontrou um pequeno ADN sequência do que parecia ser de uma cianobactéria fixadora de nitrogênio desconhecida na água do mar do Oceano Pacífico. Zehr e colegas passaram anos estudando o organismo misterioso, que chamaram de UCYN-A.
A equipe de pesquisa da UC Santa Cruz, da esquerda para a direita: Esther Mak, Jonathan Zehr, Kendra Turk-Kubo e Tyler Coale. Crédito: Universidade da Califórnia – Santa Cruz
Ao mesmo tempo, Kyoko Hagino, paleontóloga da Universidade de Kochi, no Japão, tentava meticulosamente cultivar uma alga marinha. Acabou sendo o organismo hospedeiro do UCYN-A. Foram necessárias mais de 300 expedições de amostragem e mais de uma década, mas Hagino acabou cultivando a alga em cultura com sucesso, permitindo que outros pesquisadores começassem a estudar a UCYN-A e sua alga marinha hospedeira juntos no laboratório.
Durante anos, os cientistas consideraram o UCYN-A um endossimbionte intimamente associado a uma alga. Mas os dois artigos recentes sugerem que a UCYN-A co-evoluiu com a simbiose passada do seu hospedeiro e agora se enquadra nos critérios para uma organela.
Origens das organelas
Num artigo publicado em Célula em março, Zehr e colegas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, do Instituto de Ciências del Mar em Barcelona e da Universidade de Rhode Island mostram que a proporção de tamanho entre UCYN-A e seus hospedeiros de algas é semelhante em diferentes espécies das algas marinhas haptófitas Braarudosphaera bigelowii.
Uma imagem de tomografia de raios X suave mostra a divisão celular de B. bigelowii, com os nitroplastos (UCYN-A) em ciano. Crédito: Valentina Loconte
Os investigadores utilizam um modelo para demonstrar que o crescimento da célula hospedeira e da UCYN-A é controlado pela troca de nutrientes. Seus metabolismos estão interligados. Esta sincronização nas taxas de crescimento levou os pesquisadores a chamar o UCYN-A de “semelhante a uma organela”.
“Isso é exatamente o que acontece com as organelas”, disse Zehr. “Se você olhar para as mitocôndrias e o cloroplasto, é a mesma coisa: eles crescem com a célula.”
Mas os cientistas não chamaram com segurança a UCYN-A de organela até confirmarem outras linhas de evidência. Na matéria de capa da revista CiênciaZehr, Coale, Kendra Turk-Kubo e Wing Kwan Esther Mak da UC Santa Cruz, e colaboradores da Universidade da Califórnia, São Francisco, do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, da National Taiwan Ocean University e da Universidade Kochi no Japão mostram que UCYN- A importa proteínas de suas células hospedeiras.
“Essa é uma das marcas de algo que passa de um endossimbionte para uma organela”, disse Zehr. “Eles começam a jogar fora pedaços de DNA, e seus genomas ficam cada vez menores, e eles começam a depender da célula-mãe para que esses produtos genéticos – ou a própria proteína – sejam transportados para dentro da célula.”
Tyler Coale trabalhou na proteômica do estudo. Ele comparou as proteínas encontradas na UCYN-A isolada com aquelas encontradas em toda a célula hospedeira da alga. Ele descobriu que a célula hospedeira produz proteínas e as rotula com um aminoácido específico. ácido sequência, que diz à célula para enviá-los para o nitroplasto. O nitroplasto então importa as proteínas e as utiliza. Coale identificou a função de algumas das proteínas e elas preenchem lacunas em certas vias da UCYN-A.
“É como um quebra-cabeça mágico que realmente se encaixa e funciona”, disse Zehr.
No mesmo artigo, pesquisadores da UCSF mostram que a UCYN-A se replica em sincronia com a célula da alga e é herdada como outras organelas.
Mudando perspectivas
Estas linhas de evidência independentes deixam poucas dúvidas de que o UCYN-A ultrapassou o papel de um simbionte. E embora as mitocôndrias e os cloroplastos tenham evoluído há milhares de milhões de anos, o nitroplasto parece ter evoluído há cerca de 100 milhões de anos, proporcionando aos cientistas uma perspectiva nova e mais recente sobre a organelogénese.
A organela também fornece informações sobre os ecossistemas oceânicos. Todos os organismos necessitam de nitrogénio numa forma biologicamente utilizável, e a UCYN-A é globalmente importante pela sua capacidade de fixar nitrogénio da atmosfera. Os investigadores encontraram-no em todo o lado, desde os trópicos até ao Oceano Ártico, e fixa uma quantidade significativa de azoto.
“Não é apenas mais um jogador”, disse Zehr.
A descoberta também tem potencial para mudar a agricultura. A capacidade de sintetizar fertilizantes de amônia a partir do nitrogênio atmosférico permitiu que a agricultura — e a população mundial — decolasse no início do século XX. Conhecido como processo Haber-Bosch, possibilita cerca de 50% da produção mundial de alimentos. Também cria enormes quantidades de dióxido de carbono: cerca de 1,4% das emissões globais provêm do processo. Durante décadas, os investigadores tentaram descobrir uma forma de incorporar a fixação natural de azoto na agricultura.
“Este sistema é uma nova perspectiva sobre a fixação de nitrogênio e pode fornecer pistas sobre como tal organela poderia ser transformada em plantas cultivadas”, disse Coale.
Mas muitas questões sobre a UCYN-A e a sua alga hospedeira permanecem sem resposta. Os pesquisadores planejam se aprofundar no funcionamento da UCYN-A e da alga e estudar diferentes cepas.
Kendra Turk-Kubo, professora assistente da UC Santa Cruz, continuará a pesquisa em seu novo laboratório. Zehr espera que os cientistas encontrem outros organismos com histórias evolutivas semelhantes ao UCYN-A, mas como a primeira deste tipo, esta descoberta cabe nos livros didáticos.
Referências: “Compensações metabólicas restringem a proporção do tamanho da célula em uma simbiose de fixação de nitrogênio” por Francisco M. Cornejo-Castillo, Keisuke Inomura, Jonathan P. Zehr e Michael J. Follows, 11 de março de 2024, Célula.
DOI: 10.1016/j.cell.2024.02.016
“Organelas fixadoras de nitrogênio em uma alga marinha” por Tyler H. Coale, Valentina Loconte, Kendra A. Turk-Kubo, Bieke Vanslembrouck, Wing Kwan Esther Mak, Shunyan Cheung, Axel Ekman, Jian-Hua Chen, Kyoko Hagino, Yoshihito Takano , Tomohiro Nishimura, Masao Adachi, Mark Le Gros, Carolyn Larabell e Jonathan P. Zehr, Ciência.
DOI: 10.1126/science.adk1075
