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O Lago Mono, na Sierra Nevada Oriental, é conhecido por suas imponentes formações de tufo, abundantes camarões de salmoura e nuvens negras de moscas alcalinas, adaptadas exclusivamente à água salgada e contaminada com arsênio e cianeto.
Pesquisadores da Universidade da Califórnia, em Berkeley, encontraram outra criatura incomum à espreita nas águas rasas salgadas do lago — uma criatura que pode revelar aos cientistas a origem dos animais, há mais de 650 milhões de anos.
O organismo é um coanoflagelado, uma forma de vida microscópica e unicelular que pode se dividir e se desenvolver em colônias multicelulares de uma forma semelhante à formação de embriões animais. Não é um tipo de animal, no entanto, mas um membro de um grupo irmão de todos os animais. E como o parente vivo mais próximo dos animais, o coanoflagelado é um modelo crucial para o salto da vida unicelular para a multicelular.
Surpreendentemente, ele abriga seu próprio microbioma, tornando-o o primeiro coanoflagelado conhecido a estabelecer uma relação física estável com bactérias, em vez de apenas comê-las. Como tal, é um dos organismos mais simples conhecidos a ter um microbioma.
“Muito pouco se sabe sobre coanoflagelados, e há fenômenos biológicos interessantes sobre os quais só podemos obter informações se entendermos sua ecologia”, disse Nicole King, professora de biologia molecular e celular da UC Berkeley e pesquisadora do Instituto Médico Howard Hughes (HHMI), que estuda coanoflagelados como um modelo de como era a vida primitiva nos oceanos antigos.
Normalmente visíveis apenas através de um microscópio, os coanoflagelados são frequentemente ignorados pelos biólogos aquáticos, que em vez disso se concentram em animais macroscópicos, algas fotossintéticas ou bactérias. Mas sua biologia e estilo de vida podem dar uma visão sobre criaturas que existiam nos oceanos antes que os animais evoluíssem e que eventualmente deram origem aos animais. Esta espécie em particular pode lançar luz sobre a origem das interações entre animais e bactérias que levaram ao microbioma humano.
“Os animais evoluíram em oceanos que eram cheios de bactérias”, disse King. “Se você pensar na árvore da vida, todos os organismos que estão vivos agora estão relacionados uns aos outros através do tempo evolutivo. Então, se estudarmos organismos que estão vivos hoje, podemos reconstruir o que aconteceu no passado.”
King e seus colegas da UC Berkeley descreveram o organismo — que eles chamaram de monosierra barroca, depois do lago — em um artigo publicado on-line em 14 de agosto no periódico mBio.
Uma linda colônia
Há quase 10 anos, o então aluno de pós-graduação da UC Berkeley, Daniel Richter, voltou de uma viagem de escalada na Sierra Nevada Oriental com um frasco de água do Lago Mono que ele havia coletado casualmente ao longo do caminho. Sob o microscópio, ele estava vivo com coanoflagelados. Além de camarão de salmoura, moscas alcalinas e várias espécies de nematoides, poucas outras formas de vida foram relatadas vivendo nas águas inóspitas do lago.
“Estava simplesmente lotado dessas grandes e lindas colônias de coanoflagelados”, disse King. “Quero dizer, elas eram as maiores que já tínhamos visto.”
As colônias do que pareciam ser cerca de 100 células coanoflageladas idênticas formaram uma esfera oca que girava e girava conforme cada célula individual chutava seus flagelos.
“Uma das coisas interessantes sobre elas é que essas colônias têm um formato semelhante à blástula — uma bola oca de células que se forma no início do desenvolvimento animal”, disse King. “Queríamos aprender mais sobre isso.”
Na época, no entanto, King estava ocupada com outras espécies de choanos, como ela os chama, então os choanos do Lago Mono definharam no congelador até que alguns alunos os reviveram e os tingiram para observar seus cromossomos incomuns em formato de donut. Surpreendentemente, também havia DNA dentro da colônia oca onde não deveria haver células. Após uma investigação mais aprofundada, a estudante de pós-graduação Kayley Hake determinou que eram bactérias.
“As bactérias foram uma grande surpresa. Isso foi simplesmente fascinante”, disse King.
Hake também detectou estruturas conectivas, chamadas matriz extracelular, dentro da colônia esférica que foram secretadas pelos coanos.
Só então ocorreu a Hake e King que aqueles poderiam não ser restos de bactérias que os coanos comiam, mas bactérias vivendo e pastando em substâncias secretadas pela colônia.
“Ninguém jamais havia descrito um coanoflagelado com uma interação física estável com bactérias”, disse ela. “Em nossos estudos anteriores, descobrimos que os coanos respondiam a pequenas moléculas bacterianas que flutuavam na água, ou [that] os choanos estavam comendo as bactérias, mas não houve nenhum caso em que estivessem fazendo algo que pudesse ser potencialmente uma simbiose. Ou, neste caso, um microbioma.”
King se uniu a Jill Banfield, uma pioneira em metagenômica e professora de ciência ambiental, política e gestão e de ciência da terra e planetária da UC Berkeley, para determinar quais espécies bacterianas estavam na água e dentro dos coanos. A metagenômica envolve o sequenciamento de todo o DNA em uma amostra ambiental para reconstruir os genomas dos organismos que vivem lá.
Depois que o laboratório de Banfield identificou os micróbios na água do Lago Mono, Hake criou sondas de DNA para determinar quais também estavam dentro dos coanos. As populações bacterianas não eram idênticas, disse King, então, evidentemente, algumas bactérias sobrevivem melhor do que outras dentro do lúmen carente de oxigênio da colônia de coanoflagelados. Hake determinou que elas não estavam lá acidentalmente; elas estavam crescendo e se dividindo. Talvez estivessem escapando do ambiente tóxico do lago, King refletiu, ou talvez os coanos estivessem cultivando as bactérias para comê-las.
Muito disso é especulação, ela admite. Experimentos futuros devem descobrir como as bactérias interagem com os coanoflagelados. Trabalhos anteriores em seu laboratório já mostraram que as bactérias agem como um afrodisíaco para estimular o acasalamento em coanoflagelados, e que as bactérias podem estimular coanos unicelulares a se agregarem em colônias.
Para ela, o coanoflagelado do Lago Mono se tornará outro sistema modelo para estudar a evolução, assim como os choanos que vivem em piscinas de água salgada na ilha de Curaçao, no Caribe — seu foco principal no momento — e os choanos em piscinas nos Polos Norte e Sul. Pode ser um desafio obter mais amostras do Lago Mono, no entanto. Em uma visita recente, apenas seis de 100 amostras continham esses microrganismos energéticos.
“Acho que há muito mais que precisa ser feito sobre a vida microbiana do Lago Mono, porque ela realmente sustenta tudo o mais sobre o ecossistema”, disse King. “Estou animado com B. monosierra como um novo modelo para estudar interações entre eucariotos e bactérias. E espero que nos diga algo sobre a evolução. Mas mesmo que não diga, acho que é um fenômeno fascinante.”
Além de King, Banfield, Hake e Richter, os coautores do artigo da UC Berkeley incluem o ex-aluno de doutorado Patrick West, o microscopista eletrônico Kent McDonald e os bolsistas de pós-doutorado Josean Reyes-Rivera e Alain Garcia De Las Bayonas. O trabalho é apoiado pelo HHMI e pela National Science Foundation.
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