Cientistas cultivam micróbios elusivos do fundo do mar mais próximos da vida complexa

Em um marco para a microbiologia evolutiva, pesquisadores no Japão isolaram e cultivaram com sucesso duas cepas vivas de Heimdallarchaeia, microrganismos do fundo do mar reconhecidos como os parentes procarióticos mais próximos conhecidos de toda a vida complexa na Terra. A conquista, liderada pelos cientistas Hiroyuki Imachi e Masaru K. Nobu, da Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, ao lado de Satoshi Nakagawa, da Kyoto University, oferece aos pesquisadores sua primeira oportunidade de estudar esses organismos frágeis diretamente em condições laboratoriais controladas, em vez de depender exclusivamente de sequências genéticas fragmentadas dragadas de sedimentos oceânicos.

## Principais fatos

- Microbiologistas marinhos liderados por Hiroyuki Imachi, Masaru K. Nobu e Satoshi Nakagawa isolaram e cultivaram com sucesso duas cepas pertencentes à classe Heimdallarchaeia. - A equipe de pesquisa representa uma parceria entre a Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC) e a Kyoto University. - As Heimdallarchaeia pertencem ao superfilo de arqueias Asgard, uma linhagem ancestral de organismos unicelulares que, segundo dados genômicos, deu origem aos eucariontes. - Os eucariontes compreendem todos os organismos que possuem núcleos celulares delimitados por membrana, abrangendo todos os animais, plantas, fungos e protistas. - O cultivo desses organismos supera severos obstáculos biológicos, já que as arqueias Asgard costumam se dividir apenas uma vez a cada poucas semanas e requerem condições de crescimento estritamente anaeróbicas e sintróficas.

## O que aconteceu

De acordo com reportagem do phys.org, o consórcio científico liderado pela Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC) e pela Kyoto University realizou o cultivo laboratorial prolongado e o isolamento de duas cepas distintas de Heimdallarchaeia. Antes deste trabalho, as Heimdallarchaeia haviam sido detectadas quase inteiramente por meio do sequenciamento de DNA ambiental — técnica conhecida como metagenômica —, deixando os cientistas sem espécimes físicos vivos para observar o comportamento celular, a atividade metabólica e as estruturas físicas.

O cultivo de organismos provenientes de sedimentos marinhos profundos apresenta dificuldades experimentais extraordinárias. Muitas dessas arqueias de ramificação profunda existem em ambientes extremos com limitação de energia, muito abaixo do leito marinho. Nesses habitats, as células microbianas têm tempos de duplicação que se estendem por semanas ou meses, em comparação com o tempo de duplicação de cerca de vinte minutos de bactérias laboratoriais comuns, como a Escherichia coli. Cultivá-las exige recriar condições químicas, térmicas e biológicas precisas, frequentemente demandando a presença de micróbios companheiros — conhecidos como parceiros sintróficos — que consomem resíduos metabólicos como hidrogênio ou formato para tornar as reações termodinâmicas viáveis.

A pesquisa liderada por Imachi, Nobu e Nakagawa baseou-se em anos de protocolos metódicos de cultivo projetados para induzir organismos marinhos de crescimento lento a se adaptarem a sistemas estáveis de biorreatores. Ao adaptarem com sucesso as cepas de Heimdallarchaeia em culturas laboratoriais viáveis, os investigadores obtiveram linhagens celulares físicas que podem ser submetidas diretamente à microscopia eletrônica de alta resolução, perfil metabolômico, análise bioquímica e manipulações experimentais controladas.

## Por que isso importa

A transição de micróbios unicelulares simples desprovidos de compartimentos internos para células eucarióticas complexas contendo núcleos, organelas e sistemas de endomembranas representa um dos eventos evolutivos mais transcendentais nos 4,5 bilhões de anos de história da Terra. Cada organismo multicelular que já existiu — de sequoias a baleias-azuis e seres humanos — é um eucarionte. Apesar de décadas de estudos intensivos, a sequência mecanicista de eventos que produziu a célula eucariótica ancestral, um processo denominado eucariogênese, permaneceu como um dos maiores enigmas não resolvidos da biologia.

O isolamento bem-sucedido de Heimdallarchaeia vivas fornece a base experimental necessária para testar hipóteses há muito debatidas sobre essa transição. Embora análises genômicas tenham demonstrado que as arqueias Asgard possuem proteínas de assinatura eucariótica — genes que antes se presumia existirem apenas em células complexas, incluindo aqueles responsáveis pela remodelagem de membranas, degradação de proteínas mediada por ubiquitina e redes de actina do citoesqueleto —, os cientistas só podiam especular sobre o que essas proteínas realmente faziam dentro de uma arqueia. Observar Heimdallarchaeia vivas permite aos biólogos celulares verificar se esses micróbios produzem protrusões de membrana complexas, formam sistemas primitivos de transporte vesicular ou engolfam fisicamente outros micróbios.

Além disso, dispor de cepas cultivadas permite aos pesquisadores dirimir controvérsias metabólicas sobre como a parceria entre um hospedeiro arqueal e o ancestral bacteriano das mitocôndrias se formou originalmente. Compreender se esses organismos consomem oxigênio, metabolizam hidrogênio ou dependem de compostos orgânicos de carbono esclarece as condições ambientais que prevaleciam quando a linhagem eucariótica divergiu há cerca de dois bilhões de anos. Para os setores farmacêutico e biotecnológico, novas enzimas derivadas dessas arqueias ancestrais de ambientes extremos também podem fornecer biocatalisadores resilientes capazes de funcionar sob condições fisiológicas e industriais incomuns.

## Contexto

Por décadas, livros didáticos de biologia classificaram toda a vida terrestre em três domínios primários, um sistema proposto pelo microbiologista Carl Woese em 1977 com base em comparações de RNA ribossômico: Bacteria, Archaea e Eucarya (mais tarde denominado Eukaryota). No paradigma de três domínios de Woese, Archaea e Eukaryota compartilhavam um ancestral comum com exclusão de Bacteria, mas representavam troncos evolutivos paralelos que divergiram há bilhões de anos.

Esse consenso começou a mudar rapidamente em 2015, quando uma equipe internacional de pesquisa descobriu sequências genômicas de uma nova arqueia em amostras de sedimentos coletadas perto de Loki's Castle, um campo de fontes hidrotermais situado na Arctic Mid-Ocean Ridge, entre a Groenlândia e a Noruega. Nomeado Lokiarchaeota, esse micróbio continha um número sem precedentes de genes intimamente relacionados aos encontrados em eucariontes. Sequenciamentos ambientais subsequentes em lamas costeiras, fontes termais e fossas oceânicas profundas revelaram linhagens relacionadas, designadas coletivamente como superfilo Asgard, em referência a divindades da mitologia nórdica: Thorarchaeota, Odinarchaeota e Heimdallarchaeia.

Reconstruções filogenéticas mostraram cada vez mais que os eucariontes não formavam um terceiro domínio independente da vida, mas estavam aninhados diretamente dentro do superfilo Asgard — um modelo estrutural conhecido como árvore de dois domínios. Entre os grupos de Asgard, Heimdallarchaeia emergiu consistentemente em várias análises computacionais rigorosas como o ramo específico mais proximamente relacionado à linhagem eucariótica.

Apesar da onda de descobertas genômicas, as arqueias Asgard permaneceram como fantasmas biológicos porque nenhuma havia sido vista ou cultivada em forma pura. Isso mudou em 2019 e 2020, quando uma equipe liderada por Imachi e Nobu publicou um artigo histórico documentando o cultivo da primeira arqueia Asgard, Prometheoarchaeum syntrophicum, isolada de sedimentos de infiltração de metano no fundo do mar coletados na costa do Japão, na Nankai Trough. Esse projeto de cultivo levou mais de doze anos de trabalho laboratorial paciente com o uso de um biorreator especializado de fluxo contínuo alimentado por metano. Descobriu-se que o Prometheoarchaeum, pertencente a Lokiarchaeota, dependia de um parceiro simbiótico para consumir hidrogênio e exibia tentáculos celulares ramificados únicos que podem ter ajudado as arqueias ancestrais a envolver fisicamente o progenitor bacteriano da mitocôndria. Contudo, como árvores filogenéticas sugeriam que Heimdallarchaeia poderia estar ainda mais próxima dos eucariontes do que Lokiarchaeota, cultivar membros de Heimdallarchaeia continuava sendo o objetivo definitivo para pesquisadores que investigam as origens celulares.

## Repercussão

Espera-se que a comunidade científica mais ampla, particularmente nas áreas de biologia evolutiva, sistemática filogenética e microbiologia do subsolo profundo, veja o cultivo de Heimdallarchaeia como um marco de significado comparável ao cultivo de Prometheoarchaeum syntrophicum em 2019. Avaliações formais por pares e análises comparativas são antecipadas nas principais conferências científicas internacionais e periódicos acadêmicos dedicados à evolução microbiana e biologia celular.

Teóricos da evolução que debateram cenários concorrentes de eucariogênese — como o modelo "mitocôndria primeiro" versus a hipótese da "arqueia fagotrófica" — recorrerão aos dados morfológicos e metabólicos dessas culturas para corroborar ou falsear seus modelos teóricos. Espera-se que instituições acadêmicas focadas na exploração da biosfera profunda, incluindo centros de pesquisa marinha na Europa, América do Norte e Leste Asiático, examinem os parâmetros de cultivo utilizados pelo consórcio JAMSTEC-Kyoto para tentar a replicação e adaptar protocolos semelhantes a outras linhagens marinhas ainda não cultivadas.

## O que ainda não se sabe

Embora o isolamento das duas cepas represente um grande avanço experimental, aspectos significativos da maquinaria celular e das implicações evolutivas desses organismos permanecem não resolvidos na divulgação inicial. As descrições fenotípicas completas — incluindo imagens detalhadas de microscopia eletrônica de transmissão do envelope celular, compartimentalização interna e estruturas de membrana — exigem publicação abrangente e validação comparativa.

Além disso, as exigências específicas de crescimento, taxas de duplicação e as entradas e saídas metabólicas completas para essas duas cepas específicas de Heimdallarchaeia ainda não foram detalhadas integralmente em relatórios disponibilizados publicamente. Resta verificar se essas cepas necessitam de parcerias sintróficas obrigatórias com bactérias redutoras de sulfato ou metanogênicas, como ocorria com o Prometheoarchaeum, ou se possuem vias metabólicas autônomas. Mais criticamente, ainda não está estabelecido se essas células vivas exibem ativamente endocitose do tipo eucariótico, brotamento de vesículas ou motilidade impulsionada pelo citoesqueleto, todos atributos centrais hipotetizados como facilitadores da eucariogênese inicial.

## O que acompanhar

O foco imediato se voltará para os próximos artigos de pesquisa revisados por pares e conjuntos de dados suplementares que detalham a caracterização física, metabólica e genômica abrangente das duas cepas cultivadas. Leitores e pesquisadores devem ficar atentos a estudos estruturais que utilizem criotomografia eletrônica, que revelará a arquitetura interna dos organismos em resolução quase atômica, sem os artefatos introduzidos pela fixação química.

Outro indicador fundamental do impacto científico será se outros laboratórios internacionais conseguirão reproduzir de forma independente as condições de cultivo ou obter culturas-semente viáveis da JAMSTEC e da Kyoto University para realizar investigações paralelas. Os observadores também devem acompanhar os próximos simpósios internacionais de biologia evolutiva e reuniões da International Society for Evolutionary Protistology, onde análises filogenéticas comparativas incorporando esses isolados vivos serão apresentadas para dirimir o debate contínuo sobre a ordem exata de ramificação topológica da árvore da vida de dois domínios.

A reportagem deste relato baseia-se em informações originais publicadas pelo phys.org.