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Quando uma pandemia global forçou o ex-aluno de pós-graduação Devon Boland, Ph.D., a sair do laboratório e ir para o computador, ele descobriu um mundo de diferenças escondidas nas espécies de Botryoccocus braunii, há muito estudadas, e descobriu que não se trata de uma espécie, mas de três.
Botryococcus braunii foi descoberto pela primeira vez em meados de 1800. Tecnicamente uma planta, ela passa por fotossíntese e, o mais interessante para os pesquisadores, produz altas quantidades de hidrocarbonetos que podem ser usados como uma fonte renovável de combustível.
Acreditava-se anteriormente que era uma única espécie com três raças: A, B e L, cada uma produzindo tipos ligeiramente diferentes de óleos. Mas depois de descobrir uma diferença genética dramática de 20-30% entre cada raça, uma equipe de pesquisadores da Texas A&M AgriLife propôs uma nova classificação — e completou o sonho de qualquer biólogo de nomear espécies.
“Como um estudante de pós-graduação, você lê artigos que dizem a mesma coisa, que esta é uma única espécie com três raças químicas, e você internaliza isso”, disse Boland, primeiro autor do estudo mostrando as comparações genômicas. “Você começa a pensar que isso deve estar certo. Ninguém descobriu o contrário, e todos esses cientistas tiveram carreiras muito mais longas do que eu — eu sou apenas uma criança.
“Mas acabei propondo nomes para uma espécie que foram aceitos para publicação, o que é algo que nunca pensei que aconteceria.”
Metade necessidade, metade circunstância
Antes de vir para a Texas A&M, Boland passou sua pesquisa de graduação trabalhando em pesquisa bioquímica “pão com manteiga” em áreas como engenharia de proteínas. Sua tese de pós-graduação foi concebida para se concentrar no processo de produção que o Botryococcus braunii usa para sintetizar seus hidrocarbonetos exclusivos.
Mas quando a pandemia da COVID-19 chegou, Boland ficou preocupado em perder tempo com sua tese e com a possibilidade de isso atrasar sua formatura.
Em resposta, Tim Devarenne, Ph.D., chefe associado de programas de graduação e professor associado do Departamento de Bioquímica e Biofísica da Faculdade de Agricultura e Ciências da Vida do Texas A&M, sugeriu que Boland aproveitasse a oportunidade para se aprofundar em dados genéticos e bioinformática.
“Ter o genoma do organismo de interesse mapeado é sempre ideal em pesquisas porque permite que você encontre genes com mais facilidade e trabalhe para determinar suas funções”, disse Devarenne.
Outro ex-aluno de pós-graduação no laboratório, Daniel Browne, havia realizado algum sequenciamento e montado o genoma da raça B. Durante uma das reuniões semanais de Devarenne e Boland, Devarenne propôs que eles tentassem fazer a mesma coisa com as raças A e L.
“Teve um benefício duplo”, disse Boland. “Conseguimos fazer algo que não tinha sido feito antes, além de poder nos ajudar a entender melhor a biossíntese de hidrocarbonetos.”
Embora as raças sejam praticamente indistinguíveis sob o microscópio, Boland disse que houve algum debate sobre se essas eram espécies diferentes. Eles estavam interessados em saber se um estudo genômico poderia lançar luz sobre a questão.
Junto com Devarenne, Boland e Browne, a equipe de pesquisa incluiu Ivette Cornejo Corona, Ph.D., pesquisadora de pós-doutorado no laboratório de Devarenne; John Mullet, Ph.D., outro pesquisador e professor do Departamento de Bioquímica e Biofísica; Rebecca Murphy, Ph.D., ex-aluna de pós-graduação no laboratório de Mullet; e um colaborador de longa data em estudos sobre Botryococcus, Shigeru Okada, Ph.D., professor da Universidade de Tóquio, no Japão.
Tim Devarenne, Ph.D., estuda as propriedades do biocombustível de uma microalga verde comum chamada Botryococcus braunii em seu laboratório no Departamento de Bioquímica e Biofísica. (Tim Devarenne, Kathleen Phillips/Texas A&M AgriLife)
Análise genética
Embora o Botryococcus seja comumente estudado por sua produção de hidrocarbonetos, o sequenciamento de seu genoma tem se mostrado difícil.
Devon Boland, Ph.D., um antigo pesquisador de pós-graduação no laboratório de Tim Devarenne, descobriu seu amor pela bioinformática quando a pandemia da COVID-19 o forçou a sair do laboratório. Ele usa bioinformática todos os dias agora em sua função no Texas A&M Institute for Genome Sciences and Society. (Texas A&M Foundation)
Boland, agora pesquisador assistente no Instituto Texas A&M de Ciências do Genoma e Sociedade, disse que o meio espesso e oleoso em que as células vivem torna a extração e o isolamento do DNA um desafio.
Mesmo assim, a equipe estava determinada a analisar os genomas para ver a semelhança entre os genes e proteínas envolvidos nos processos de produção de biocombustíveis de cada raça.
Mas depois de juntar os genomas e usar os supercomputadores do Centro de Computação de Pesquisa de Alto Desempenho da Texas A&M para executar comparações genômicas, Boland disse que ficou claro que esses organismos não eram da mesma espécie.
“Era como se para onde quer que olhássemos as coisas fossem diferentes”, disse ele.
No final, os pesquisadores disseram que cerca de um em cada cinco genes eram exclusivos de cada uma das raças de Botryococcus. Para colocar essa diferença de 20% em perspectiva, a diferença genética entre humanos e chimpanzés, nosso parente evolutivo mais próximo, é menor que 2%.
Após algumas validações adicionais, Boland e Devarenne partiram para reclassificar as raças de Botryococcus. Boland disse que a equipe passou meses trabalhando em nomes diferentes.
Eles mantiveram a raça B com seu nome original de Botryococcus braunii para preservar sua história e renomearam a raça A para Botryococcus alkenealis e a raça L para Botryococcus lycopadienor, o que significa o tipo de hidrocarbonetos que cada uma produz.
O que constitui uma espécie
No passado recente, os biólogos têm dado mais peso aos genes e genomas quando se trata de classificar organismos.
Mas mesmo com todas as evidências de que essas algas Botryococcus são consideradas espécies distintas, Devarenne disse que o que realmente define uma espécie é a aceitação geral pela comunidade científica.
Após publicar seu estudo revisado por pares em PLOS UmDevarenne compartilhou as descobertas da equipe com mais de 100 outros pesquisadores que estudam os organismos em seus próprios laboratórios.
“Como definimos espécies separadas pode não mudar muito com a forma como esses organismos são usados em pesquisa”, ele disse. “Mas é importante para o entendimento científico, como pensamos sobre as maneiras como esses organismos estão relacionados entre si e com todas as outras espécies.”
Boland disse que ele e Devarenne publicaram em um periódico de acesso aberto para que outros cientistas pudessem desenvolver seu trabalho. Os genomas completos das espécies também estão disponíveis no site do National Center for Biotechnology Information.
“Era importante para nós que a informação estivesse publicamente disponível quando estivesse pronta para ser publicada”, ele disse. “A ciência é movida pela comunidade. O objetivo final é sempre promover nosso conhecimento coletivo, e acho que foi isso que alcançamos aqui.”
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