A tomografia crioeletrônica forneceu informações sobre a estrutura celular de um archaeon de Asgard recém-cultivado ilustrado aqui. Notáveis são os extensos filamentos do citoesqueleto de actina (laranja) nos corpos celulares e saliências celulares, bem como o envelope celular único (azul). Crédito: © Margot Riggi, Laboratório de Animação, Universidade de Utah
Pesquisadores da Universidade de Viena e da ETH Zurich cultivam o microrganismo “elo perdido”.
O que levou ao surgimento de organismos complexos na Terra? É uma questão significativa sem resposta em biologia. Pesquisadores da equipe de Christa Schleper no Universidade de Viena e a equipe de Martin Pilhofer em ETH Zurich deu um passo para resolvê-lo. Os cientistas conseguiram cultivar um archaeon especial e caracterizá-lo com mais precisão usando métodos microscópicos.
Este membro da archaea de Asgard exibe características celulares únicas e pode representar um “elo perdido” evolutivo para formas de vida mais complexas, como animais e plantas. O estudo foi publicado recentemente na revista Natureza.
Todas as formas de vida na Terra são divididas em três domínios principais: eucariotos, bactérias e archaea. Os eucariotos incluem os grupos de animais, plantas e fungos. Suas células são geralmente muito maiores e, à primeira vista, mais complexas do que as células de bactérias e archaea. O material genético dos eucariotos, por exemplo, está acondicionado em um núcleo celular e as células também possuem um grande número de outros compartimentos. A forma celular e o transporte dentro da célula eucariótica também são baseados em um extenso citoesqueleto. Mas como ocorreu o salto evolucionário para células eucarióticas tão complexas?
Uma das teorias evolutivas atualmente mais populares assume que os eucariontes (incluindo animais, plantas e fungos) surgiram da fusão de um arqueão de Asgard com uma bactéria. Crédito: © Florian Wollweber, ETH Zürich
A maioria dos modelos atuais assume que archaea e bactérias desempenharam um papel central na evolução dos eucariotos. Acredita-se que uma célula primordial eucariótica tenha evoluído de uma estreita simbiose entre archaea e bactérias há cerca de dois bilhões de anos. Em 2015, estudos genômicos de amostras ambientais do fundo do mar descobriram o grupo dos chamados Asgard archaea, que na árvore da vida representam os parentes mais próximos dos eucariotos. As primeiras imagens das células de Asgard foram publicadas em 2020 a partir de culturas de enriquecimento por um grupo japonês.
Asgard archaea cultivada a partir de sedimentos marinhos
O grupo de trabalho de Christa Schleper na Universidade de Viena conseguiu pela primeira vez cultivar um representante desse grupo em concentrações mais altas. Ela vem de sedimentos marinhos na costa de Piran, na Eslovênia, mas também é habitante de Viena, por exemplo, nos sedimentos das margens do Danúbio. Devido ao seu crescimento em altas densidades celulares, este representante pode ser estudado particularmente bem. “Foi muito complicado e trabalhoso obter esse organismo extremamente sensível em uma cultura estável em laboratório”, relata Thiago Rodrigues-Oliveira, pós-doutorando do grupo de trabalho Archaea da Universidade de Viena e um dos primeiros autores do estudo.
Co-primeiro autor Rafael Ponce amostrando sedimento marinho no Canal Seca em Piran, Eslovênia. Crédito: © Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Viena
Asgard archaea tem uma forma celular complexa com um extenso citoesqueleto
O notável sucesso do grupo vienense em cultivar um representante Asgard altamente enriquecido finalmente permitiu um exame mais detalhado das células por microscopia. Os pesquisadores da ETH no grupo de Martin Pilhofer usaram um moderno microscópio crioeletrônico para tirar fotos de células congeladas por choque. “Esse método permite uma visão tridimensional das estruturas celulares internas”, explica Pilhofer.
Micrografia eletrônica de varredura de uma célula Lokiarchaeum ossiferum mostrando as saliências celulares longas e complexas. Crédito: © Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Viena
“As células consistem em corpos celulares redondos com extensões celulares finas, às vezes muito longas. Essas estruturas semelhantes a tentáculos às vezes parecem conectar diferentes corpos celulares entre si”, diz Florian Wollweber, que passou meses rastreando as células sob o microscópio. As células também contêm uma extensa rede de filamentos de actina que se pensa serem exclusivos das células eucarióticas. Isso sugere que extensas estruturas do citoesqueleto surgiram em archaea antes do aparecimento dos primeiros eucariotos e alimenta as teorias evolutivas em torno desse evento importante e espetacular na história da vida.
Insights futuros através do novo organismo modelo
“Nosso novo organismo, chamado Lokiarchaeum ossiferum, tem grande potencial para fornecer mais informações inovadoras sobre a evolução inicial dos eucariotos”, comenta a microbiologista Christa Schleper. “Levou seis longos anos para obter uma cultura estável e altamente enriquecida, mas agora podemos usar essa experiência para realizar muitos estudos bioquímicos e também cultivar outras archaea de Asgard.” Além disso, os cientistas agora podem usar os novos métodos de imagem desenvolvidos no ETH para investigar, por exemplo, as interações próximas entre Asgard archaea e seus parceiros bacterianos. Processos biológicos celulares básicos, como a divisão celular, também podem ser estudados no futuro, a fim de lançar luz sobre a origem evolutiva desses mecanismos em eucariotos.
Referência: “Citoesqueleto de actina e arquitetura celular complexa em um arco de Asgard” por Thiago Rodrigues-Oliveira, Florian Wollweber, Rafael I. Ponce-Toledo, Jingwei Xu, Simon K.-MR Rittmann, Andreas Klingl, Martin Pilhofer e Christa Schleper, 21 dezembro de 2022, Natureza.
DOI: 10.1038 / s41586-022-05550-y
