Cientistas descobrem a maior bactéria já descrita, e sua biologia muda nosso entendimento dos seres procariontes
Bactérias e Archaea são os mais diversos e abundantes organismos na Terra. Esses organismos são unicelulares (cada indivíduo é constituído por apenas uma célula) e procariontes. As células podem ser classificadas em dois grupos: procariontes ou eucariontes. A principal diferença entre ambos é a existência ou não de uma organela que contém o DNA da célula. Quando esta estrutura está presente, diz-se que a célula possui núcleo e que, portanto, é uma célula eucariótica. Caso contrário, a célula é procariótica e o seu DNA se encontra mais ou menos livre no citoplasma. Outras diferença importante é a ausência nos procariontes de organelas delimitadas por membranas, de mitocôndrias (organelas produtoras de energia) (!) e de paredes de membrana dividindo o espaço intracelular. No geral, células procarióticas são significativamente mais simples do que as células eucarióticas. Células humanas e de outros animais, de plantas e de fungos são eucariontes.
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| Estrutura de uma típica célula bacteriana. Ilustração: Khan Academy |
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Com apenas uma pequena fração desses organismos isolados em cultura e caracterizados, temos ainda limitado conhecimento sobre a biologia e a real diversidade dos seres procariontes. Enquanto a maioria das bactérias e archaea são constituídas por células muito pequenas, algumas poucas conhecidas são notavelmente grandes, e chamadas de "bactérias gigantes", as quais possuem tamanhos celulares na faixa de dezenas ou mesmo centenas de mícrons. O mais notável membro nesse sentido é a espécie Thiomargarita namibiensis, uma bactéria oxidante de enxofre da classe Gammaproteobacteria, a qual pode alcançar até 750 µm (média de tamanho = 180 µm). Mas seriam essas bactérias gigantes tão raras assim? Qual o real limite de tamanho de um organismo procarionte?
Algumas grandes bactérias oxidantes de enxofre formam filamentos muito longos que podem alcançar vários centímetros de comprimento, porém, esses organismos são formados por milhares de células individuais que não ultrapassam 200 µm de comprimento cada.
No novo estudo, pesquisadores descreveram uma nova espécie do gênero Thiomargarita (T. magnifica), coletada de um ambiente marinho rico em compostos de enxofre, que supera em ~50 vezes o tamanho de outras bactérias gigantes conhecidas. Análises detalhadas via sequenciamento genético, microscopia eletrônica, raios-X e fluorescência revelaram complexas características permitindo dimensões celulares de até 2 cm de comprimento.
Com uma forma de caule pela maior parte do seu comprimento e constrições graduais na parte terminal (formando brotos), o T. magnifica possui filamentos (células individuais) com uma média de ~9,7 milímetros (mm), mas com alguns alcançando 20 mm de comprimento, muito maior do que qualquer outra espécie descrita de procarionte (a nível celular individual). Cada filamento mostrou ser uma única contínua célula por quase toda a sua extensão, e apenas os brotos terminais estavam separados de cada filamento por uma constrição fechada (representando uma célula-filha). E, assim como outras células do gênero Thiomargarita, o T. magnifica possui um grande vacúolo central, o qual acompanha todo o filamento e responde por ~73% do volume total da célula.
No vídeo abaixo, filamentos do T. magnifica próximos de uma moeda.
O envelope celular do T. magnifica consiste de uma grossa camada externa cobrindo a membrana citoplasmática. O citoplasma possui em torno de 3,3 µm de espessura e é restrito na periferia da célula. No citoplasma, os pesquisadores encontraram que o DNA (material genético) dessa bactéria estava concentrado em grânulos limitados por membranas, e não espalhado ao longo do fluído citoplasmático como observado em outros procariontes. Essas 'organelas de DNA' - apelidadas pelos pesquisadores de "pepin" (!) - também se mostraram ricas em ribossomos (estruturas responsáveis pela síntese de proteínas).
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(!) Peppin (plural peppins) é derivado de pip, um termo em inglês que faz referência às inúmeras sementes presentes em frutas como melancia e kiwi.
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Essa compartimentação de DNA e ribossomos é similar à compartimentação em eucariontes e representa uma nova estrutura celular descrita para uma bactéria.
Além desse "núcleo celular", os pesquisadores encontram uma extrema poliploidia no DNA dessa bactéria, com uma média de 36880 cópias genômicas por milímetro de filamento (em torno de 737598 cópias para uma célula com 2 cm). Esse é o maior número estimado de cópias genômicas para uma única célula, e uma ordem de magnitude acima do número de cópias registrado em outras bactérias gigantes. Poliploidia (multiplicações genômicas) está associada com uma reduzida pressão seletiva sobre genes, permitindo duplicação intracelular, reconfiguração e divergência de genes, levando potencialmente a uma extrema diversidade genética intracelular.
Os pesquisadores encontraram um comprimento total de sequência genômica no T. magnifica entre 11,5 Mb e 12,2 Mb, duas vezes maior do que em outras espécies sequenciadas de Thiomargarita. Em um filamento analisado, os pesquisadores encontraram 11788 genes, mais de três vezes a média de genes para procariontes (~3935). Como efeito de comparação com organismos eucariontes, o genoma do T. magnifica é tão grande quanto aquele da levedura (fungo) Saccharomyces cerevisiae (12,1) e contém mais genes do que o fungo Aspergillus nidulans (~9500 genes).
Uma grande quantidade de genes identificados no T. magnifica eram dedicados à oxidação de enxofre e à fixação de carbono, sugerindo quimioautotrofia (capacidade de produzir o próprio alimento através de reações químicas independentes de luz). Importante, vários genes também estavam associados ao anômalo alongamento celular observado nessa bactéria, com ausência de cruciais genes responsáveis por divisão celular e marcante presença de genes (alguns duplicados) codificando proteínas de crescimento celular. Essa combinação genética pode explicar os enormes filamentos dessa bactéria.
Enquanto a maioria das células bacterinas e de archaea possuem comprimento em torno de 2 µm, células eucarióticas maduras possuem geralmente entre 10 e 20 µm, com algumas das maiores alcançando 3 a 4 cm. Vários modelos teóricos têm sido usados para explicar a restrição de células procariontes a tamanhos microscópicos:
i) falta de transporte intracelular ativo e a dependência de difusão química, esta a qual é eficiente apenas em distâncias micrométricas;
ii) volume máximo limitado pelo número de ribossomos no meio intracelular;
iii) ou redução na eficiência energética devido a uma dissonância da razão entre área superficial e volume celular em relação ao aparato membranoso para a síntese de ATP.
Essas propostas sugerem que com o aumento do tamanho celular, as necessidades metabólicas crescem mais rápido do que a capacidade da célula de atendê-las, criando um limite dimensional. A maior célula procariótica conhecida após a T. magnifica é aquela pertencente à espécie T. nelsonii, com um biovolume metabolicamente ativo de 1,05 x 10^-14 m3 (excluindo o vacúolo central), perto do máximo predito devido à limitação ribossômica: 1,39 x 10^-15 m3. Segundo a análise no novo estudo, o T. magnifica possui um biovolume citoplasmático 3 vezes a ordem de magnitude acima desse limite teórico (5,91 x 10^-12 m3). Isso pode ser possível, talvez, pelas mudanças na organização espacial dos componentes celulares e rearranjo do sistema bioenergético da membrana plasmática do T. magnifica.
A origem da complexidade biológica - incluindo a multicelularidade (2) - é uma das questões mais exploradas na biologia. Enquanto a maioria das bactérias são consideradas pequenas e simples, algumas evoluíram complexas inovações. Para citar dois exemplos, micro-compartimentos funcionalmente diversos são encontrados em pelo menos 23 filos, e cianobactérias podem formar longos filamentos multicelulares e com capacidade de diferenciação. O T. magnifica é mais um acréscimo à lista de bactérias que evoluíram um maior nível de complexidade. Em especial, essa nova espécie é a única conhecida até o momento que segrega seu material genético em organelas limitadas por membranas (pepins), de forma similar ao feito pelos eucariontes (núcleo celular), portanto desafiando os conceitos hoje usados na Biologia para caracterizar uma célula bacteriana.
(2) Leitura recomendada: A transição evolutiva de unicelular para multicelular é mais fácil do que você pensa
Investigar essa rara entidade biológica (pepin), em termos de metabolismo energético, estrutura e preciso papel celular, pode ajudar a esclarecer o caminho evolutivo da complexidade biológica. Além disso, a descoberta do T. magnifica sugere que bactérias tão grandes e mais complexas podem existir na natureza, esperando serem descobertas e caracterizadas.
REFERÊNCIAS
- Volland et al. (2022). A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles. Science, Vol. 376, Issue 6600, pp. 1453-1458. https://doi.org/10.1126/science.abb3634
- https://www.nature.com/articles/d41586-022-01757-1
Reviewed by Saber Atualizado
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fevereiro 26, 2022
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