Brasileiras identificam nova espécie de microrganismo em vulcão ativo na Antártida
Nova espécie de arqueia foi encontrada em local com temperaturas próximas a 100°C, mas cercada de gelo e neve
Um grupo de pesquisadoras do Instituto Oceanográfico (IO) da USP descobriu uma nova espécie de arqueia, tipo de microrganismo unicelular sem núcleo na célula (procarionte), em um vulcão ativo na Antártida. O material genético do micróbio da família Pyrodictiaceae foi encontrado em amostra coletada em uma fumarola – abertura no solo por onde saem gases quentes de origem vulcânica – na Ilha Deception, na Antártida. Com uso de ferramentas de análise genética, a equipe reconstruiu o genoma da arqueia, de modo a identificar características ligadas à sua sobrevivência em um ambiente de condições tão extremas.
Amanda Bendia, professora do IO, atua na área de ecologia e evolução microbiana em ambientes marinhos extremos, com foco em oceano profundo e Antártida. Em 2014, a pesquisadora participou da expedição científica para a Antártida pelo Programa Antártico Brasileiro a bordo do Navio Polar Almirante Maximiano. Na ocasião, amostras do sedimento da fumarola foram coletadas na Ilha Deception e prosseguiram para o sequenciamento metagenômico (análise do material genético de uma amostra complexa sem a necessidade de cultivo prévio) no laboratório brasileiro.
Na época, a docente era doutoranda no IO, sendo orientada pela professora Vivian Pellizari, pioneira no Brasil nos estudos de microrganismos que vivem em condições extremas. Anos depois, o material genético sequenciado foi analisado novamente, identificando novo gênero e espécie de arquea da família Pyrodictiaceae. A nova espécie foi nomeada Pyroantarcticum pellizari, em homenagem à microbiologista Vivian Pellizari.
Ana Carolina Butarelli, doutoranda em microbiologia pelo Instituto de Ciências Biomédicas (ICB) da USP e pesquisadora do Laboratório de Ecologia Microbiana (Lecom) no IO, e Francielli Vilela Peres, pós-doutoranda em Oceanografia Biológica no IO, também participaram do estudo.
A descoberta foi possível por meio da técnica de montagem de Mags, da sigla em inglês metagenome-assembled genome, em que se reconstrói um genoma a partir de dados de sequenciamento derivado de amostras ambientais. Através de diversas técnicas envolvendo sistemas computacionais, é possível obter os genomas de organismos que não conseguem ser cultivados em laboratório, como é o caso de alguns seres hipertermófilos (que sobrevivem em temperaturas acima de 60°C).
“Cada organismo presente na amostra tem um genoma, e muitas vezes temos milhões de microrganismos no material. Então, imagine ter que segmentar e sequenciar o DNA para reconstruir o genoma desses seres”, comenta Ana Carolina Butarelli sobre a dimensão do trabalho.
A descoberta
O domínio Archaea agrupa microrganismos unicelulares procariontes, sem núcleo celular, morfologicamente semelhantes a bactérias, mas genética e bioquimicamente tão distintos destas como dos eucariontes – que são os organismos com núcleo nas células, como plantas, fungos, algas e animais. A formalização completa do sistema de três domínios, Bacteria, Archaea e Eukarya, foi consolidada na década de 1990. Nesse sentido, as descobertas das espécies de arqueias são recentes, levando a grandes mudanças na ciência em um curto espaço de tempo. “A todo tempo estamos descobrindo algo novo sobre as arqueias. A Pyrodictiaceae, por exemplo, foi descoberta há cerca de dez anos”, diz Ana Carolina Butarelli.
Atualmente a Antártida tem quatro vulcões ativos, três no continente e um na Ilha Deception. Os vulcões do continente atingem uma temperatura de no máximo 65°C, o que não seleciona arqueias hipertermófilas; já na ilha, as temperaturas das fumarolas ultrapassam os 100°C. Anteriormente, outro grupo de arqueia hipertermófila havia sido encontrado por pesquisadores estrangeiros em fumarolas na Antártida, contudo as Pyrodictium, gênero da família Pyrodictiaceae, eram localizadas especialmente em fontes hidrotermais do oceano profundo.
Amanda Bendia explica que essas fontes hidrotermais atingem temperaturas acima dos 400ºC, além de disponibilizar elementos químicos essenciais para a manutenção da vida de diversos microrganismos. Essas condições contrastam com a temperatura da água ao redor, que é próxima dos 4ºC, típica de mar profundo. Nesse sentido, os fatores mencionados associados à pressão atmosférica do ambiente indicam a sobrevivência das espécies em localidades extremas, mas também incitam a hipótese da presença de mecanismos que viabilizem o transporte em temperaturas contrastantes no oceano profundo ou na Antártida.
As cientistas acreditavam inicialmente que o microrganismo era do mesmo gênero do grupo conhecido, por habitar fontes hidrotermais de mar profundo. Entretanto, a arqueia encontrada vive em uma fumarola de superfície, expondo um contraste claro da temperatura do ambiente polar e também habitando uma pressão atmosférica distinta do outro gênero de arqueia.
Genômica e adaptações
Para identificar com clareza as diferenças desses microrganismos, de modo a classificar um novo gênero e espécie, é preciso trabalhar com um protocolo que aborde a filogenia (relações de parentesco), as adaptações moleculares, a genômica comparativa e as funções desempenhadas por estes seres. Como não é possível cultivá-los em laboratório, devido à dificuldade estrutural de simular as condições de vida dos organismos, é essencial que o genoma extraído seja da maior qualidade possível, com menos de 10% de contaminação nas amostras.
No momento em que se está trabalhando com genes recuperados de uma amostra ambiental, são analisadas as similaridades existentes na sua composição, de modo a indicar o parentesco filogenético entre os grupos. Essa análise também consegue indicar a atividade metabólica desses seres, de maneira a supor seus comportamentos.
“Quando acessamos o genoma, temos acesso a uma foto do material genético, só que não sabemos se aquele organismo está realmente transcrevendo e traduzindo aquele material para produzir uma proteína. Porém, nós podemos inferir que ele tem essa habilidade, já que aquele gene está dentro do seu genoma”, pontua Ana Carolina Butarelli.
Além disso, as características identificadas nesse material genético demonstram as adaptações das moléculas ao habitat natural. As proteínas têm papel crucial para a célula, atuando como agentes funcionais e estruturais, sendo possível detectar um parentesco filogenético a partir da composição de proteínas. A Pyroantarcticum pellizari, espécie descoberta no estudo, por exemplo, possui a girase reversa – proteína que protege o DNA de se desnaturar, ou seja, de ter suas fitas separadas em altas temperaturas – característica comum em arqueias hipertermófilas.
A análise dos genes únicos no genoma recém montado revelou um conjunto de elementos funcionalmente distintos, incluindo vias para a ciclagem de enxofre e nitrogênio, juntamente com características estruturais como cânulas e sistemas de resistência ao estresse, apontando para uma estratégia de sobrevivência adaptada à disponibilidade transitória de energia, estresse por metais e interações em nível de comunidades nos sedimentos. Nesse contexto, esse genoma oferece um panorama importante sobre o potencial da vida microbiana para prosperar em extremos múltiplos, um tema cada vez mais relevante para estudos em astrobiologia, bioprospecção microbiana e os impactos das mudanças climáticas em ecossistemas polares.
“Ao tratar de um organismo que não é muito estudado, ou no nosso caso, um gênero e uma espécie nova, ter o genoma completo implica diretamente na quantidade de informações sobre esse organismo. Então, a taxa de 97% de pureza no genoma é um caminho importante para divulgar a descoberta em todo o mundo, além de contribuir com os bancos de dados científicos”, destaca Francielli Peres.
Conseguir uma alta taxa de pureza do genoma não foi uma tarefa fácil para as pesquisadoras, que levaram cerca de um ano para recuperarem o DNA da amostra coletada. Além do obstáculo logístico da pesquisa na Ilha Deception, Francielli Peres diz que a pequena quantidade de estudos disponíveis na literatura dificulta o levantamento de informações sobre os microrganismos. A análise laboratorial e a computacional também foi um entrave, já que demandava uma grande infraestrutura da Universidade e também do conhecimento das cientistas. “Apesar de parecer muito glamuroso, legal e incrível nosso trabalho, também existe a parte complexa de ser cientista. Estudar um organismo que ninguém conhece é um enorme desafio”, ressalta Ana Carolina Araújo.
A Pyroantarcticum pellizari, espécie descoberta pela equipe, foi submetida ao registro oficial do SeqCode – sistema de regras e nomenclatura para Archaea e Bacteria baseado em informações genéticas. O nome foi avaliado e reconhecido oficialmente. As pesquisadores pretendem, no futuro, voltar para a Ilha Deception e realizar novamente a coleta na fumarola, com o intuito de tentar cultivar em laboratório a espécie.
O artigo Hot life in Antarctica: a novel metabolically versatile Pyrodictiaceae genus thriving at a volcanic–cryosphere–marine interface foi publicado na revista ISME Communications e pode ser acessado neste link.
Matéria: Luana Mendes | Jornal da USP.