Chave que explica surgimento da vida complexa na Terra pode ser oxigênio

Os cientistas estão um passo mais perto de compreender as origens da vida complexa na Terra, após lançarem nova luz sobre um mistério a respeito de nossos ancestrais microbianos. A chave, suspeitam eles, pode estar em como micróbios simples que viveram bilhões de anos atrás se adaptaram à presença de oxigênio.

Os seres humanos, assim como todas as plantas, fungos e animais da Terra, são eucariotos — organismos com células que possuem um núcleo claramente definido contendo DNA e outras estruturas como as mitocôndrias, organelas que fornecem energia às células, convertendo nutrientes em energia.

Entre 2,4 bilhões e 2,1 bilhões de anos atrás, os níveis de oxigênio aumentaram drasticamente na atmosfera da Terra, em um evento conhecido como a Grande Oxidação. Algumas centenas de milhares de anos após esse evento, os primeiros vestígios identificáveis ​​de eucariotos, preservados como microfósseis, apareceram em nosso planeta, sugerindo que o oxigênio tem sido, há muito tempo, um ingrediente crucial para a evolução da vida complexa.

Muitos cientistas acreditam que os eucariotos evoluíram da combinação de dois tipos de micróbios.

Mas, numa reviravolta intrigante, um dos micróbios, conhecido como arquea Asgard, só foi encontrado em ambientes com pouco oxigênio, como as fontes hidrotermais no fundo do oceano — apesar de aparentemente compartilhar semelhanças complexas com os eucariotos.

Os pesquisadores questionaram como os Asgardianos sequer cruzaram o caminho de outros micróbios que necessitavam de oxigênio para sobreviver e criar eucariotos, se existiam em ambientes tão diferentes.

Mas uma nova investigação dos genomas de Asgard revelou linhagens até então desconhecidas desses micróbios em sedimentos costeiros rasos, algumas das quais parecem tolerar e utilizar oxigênio, de acordo com um estudo publicado em 18 de fevereiro na revista Nature .

“O fato de alguns dos Asgardianos, que são nossos ancestrais, terem sido capazes de usar oxigênio se encaixa muito bem nisso”, disse em comunicado o coautor do estudo, Brett Baker, professor associado de ciências marinhas e biologia integrativa da Universidade do Texas em Austin.

“O oxigênio surgiu no ambiente e os Asgardianos se adaptaram a ele. Eles descobriram uma vantagem energética em usar oxigênio e, então, evoluíram para eucariotos.”

Compreender o papel dos Asgardianos no desenvolvimento da vida complexa pode ajudar a resolver o grande mistério de como exatamente os micróbios evoluíram para eucariotos — e por que estamos todos aqui, disse Baker.

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Um micróbio com raízes mitológicas

Asgard Archaea, nomeada em homenagem à morada celestial de deuses nórdicos como Odin e Thor, é um superfilo, ou seja, um grupo que evoluiu a partir de um ancestral comum.

Um único filo dentro desse grupo foi descoberto pela primeira vez em 2015 perto de um vulcão submarino no Oceano Atlântico Norte, conhecido como Castelo de Loki devido à sua semelhança com o capacete com chifres usado pelo personagem da Marvel Comics — que também é um deus da mitologia nórdica. O micróbio foi denominado Lokiarchaeota.

Outros filos de micróbios de Asgard também receberam nomes em homenagem a deuses da mitologia nórdica.

Quando comparados com micróbios de outros superfilos, os Asgards parecem estar intimamente relacionados aos eucariotos e contêm genes encontrados apenas em formas de vida complexas.

“Eles foram aclamados como uma espécie de elo perdido na evolução da vida, da vida microbiana unicelular à vida complexa como plantas e animais”, disse Baker à CNN.

Ao examinar amostras de uma ampla gama de ambientes, os pesquisadores estão encontrando cada vez mais tipos de micróbios de Asgard, como o Heimdallarchaeia, nomeado em homenagem ao guardião de Asgard.

Em 2023, Baker e seus colegas descobriram que os eucariotos parecem estar mais intimamente relacionados ao grupo Heimdall de micróbios Asgard, que possuem vias metabólicas de alta energia.

As descobertas corroboraram a ideia de que animais e outras formas de vida devem obter a maior parte da energia da respiração de oxigênio e reforçaram a teoria de que um aumento no nível de oxigênio na Terra está correlacionado com o surgimento de vida complexa, afirmou Baker.

O próximo passo foi entender quais processos de geração de energia poderiam ocorrer em diferentes tipos de micróbios Asgard, com base em seus genes.

Para investigar essa questão, Baker e seus colegas realizaram o sequenciamento de DNA em larga escala a partir de amostras coletadas em fontes hidrotermais de águas profundas, bem como em áreas costeiras rasas.

A equipe conseguiu reunir centenas de genomas até então desconhecidos e construir uma árvore da vida para os micróbios de Asgard, comparando semelhanças e diferenças genéticas entre os micróbios dentro do superfilo.

Grupos de proteínas até então desconhecidos nos micróbios foram descobertos durante a montagem da árvore genealógica da família Asgard, permitindo que Baker e seus colegas comparassem essas proteínas com as utilizadas pelos eucariotos para gerar energia e metabolizar oxigênio.

Um modelo de inteligência artificial ajudou a equipe a identificar como as proteínas podem se dobrar em diferentes estruturas, o que se correlaciona com a forma como funcionam.

Diversas proteínas produzidas pelos micróbios de Heimdall são semelhantes a proteínas eucarióticas que processam oxigênio para gerar energia de forma eficiente, sugerindo que pelo menos alguns Asgards antigos podem ter sido tolerantes ao oxigênio.

Descobrindo um ancestral antigo

Inicialmente, os cientistas pensavam que o ancestral microbiano da vida complexa era uma célula simples, que habitava ambientes sem oxigênio.

Eles teorizaram que essa célula se adaptou para usar oxigênio após se combinar com uma bactéria, dando origem, eventualmente, à presença de mitocôndrias em nossas células.

“Os eucariotos quase sempre dependem das mitocôndrias para queimar hidrocarbonetos em oxigênio e realizar todas as coisas incríveis que fazemos”, escreveu Buzz Baum, biólogo celular e líder do grupo Baum Lab no Laboratório de Biologia Molecular do Conselho de Pesquisa Médica em Cambridge, Inglaterra, em um e-mail. Baum não participou do novo estudo.

Mas as novas descobertas sugerem que os Asgard podem já ter se adaptado para processar oxigênio antes de se combinarem com as bactérias. Essa tolerância teria colocado os Asgard em ambientes oxigenados e poderia ter ajudado a facilitar sua fusão com as bactérias, de acordo com o estudo.

“A transição para a vida complexa não exigiu a inovação do metabolismo do oxigênio do zero — os componentes básicos já existiam”, escreveu Burak Avci, professor assistente de microbiologia da Universidade de Aarhus, na Dinamarca, em um e-mail. Avci não participou da nova pesquisa.

“No entanto, é importante reconhecer que estamos examinando representantes modernos de um evento antigo que ocorreu bilhões de anos atrás”, disse ele. “Há uma lacuna temporal evolutiva significativa, e os encontros reais desse evento podem ter envolvido diferentes estratégias metabólicas na formação da primeira célula eucariótica.”

Os autores do estudo também observaram que são necessárias mais evidências para confirmar biologicamente as previsões genéticas do estudo, especialmente ao tentar determinar as capacidades exatas dos antigos Asgards de quase 2 bilhões de anos atrás.

Baum observou que os Asgard modernos provavelmente mudaram e se adaptaram para usar oxigênio.

O estudo contribui para um crescente conjunto de evidências de que as células eucarióticas se originaram em ambientes costeiros ricos em oxigênio, afirmou Daniel Brady Mills, pesquisador de pós-doutorado no Instituto de Evolução Molecular da Universidade de Düsseldorf, na Alemanha. Mills, que não participou da pesquisa, disse esperar que o estudo inspire outros pesquisadores a cultivarem seus próprios espécimes em laboratório para testar se os micróbios de Asgard conseguem ou não utilizar oxigênio.

Baker tem esperança de que os cientistas alcancem um marco nos próximos cinco a dez anos: observar a evolução dos micróbios Asgard cultivados em laboratório à medida que se transformam em células eucarióticas, um processo conhecido como eucariogênese.

“Não há razão para pensar que isso tenha acontecido apenas uma vez, há 2 bilhões de anos”, disse Baker.

Estudos futuros também devem medir a quantidade de oxigênio nos ambientes onde os Asgards estão presentes e identificar micróbios dentro do superfilo que podem crescer com apenas pequenas quantidades de oxigênio, disse Baum.

Os asgardianos são os parentes vivos mais próximos da humanidade desde um evento ancestral, o que significa que eles detêm pistas sobre nossas origens, disse Baum, por isso é crucial determinar quando eles começaram a usar oxigênio.

“Se você olhar ao redor, nosso planeta é dominado por eucariotos”, disse Baker. “Entender como eles se formaram é uma grande transição na evolução da vida na Terra. O fato de termos encontrado oxigênio em nossos ancestrais próximos, os asgardianos, se encaixa muito bem nesse quebra-cabeça.”