Novas descobertas esclarecem como a “alimentação cruzada” noturna do Prochlorococcus desempenha um papel na regulação da capacidade do oceano de circular e armazenar carbono.
Um dos organismos que mais trabalham no oceano é o minúsculo, tingido de esmeralda Proclorococcus marinus. Esses “picoplânctons” unicelulares, que são menores que um glóbulo vermelho humano, podem ser encontrados em números surpreendentes nas águas superficiais do oceano, tornando-os Proclorococo o organismo fotossintetizante mais abundante do planeta. (Coletivamente, Proclorococo fixar tanto carbono quanto todas as culturas terrestres.) Os cientistas continuam a descobrir novas maneiras pelas quais o pequeno micróbio verde está envolvido na ciclagem e armazenamento de carbono do oceano.
Agora, os cientistas do MIT descobriram uma nova capacidade de regulação dos oceanos nos pequenos mas poderosos micróbios: a alimentação cruzada de blocos de construção do ADN. Em um estudo publicado hoje em Avanços da Ciência a equipe relata que Proclorococo liberam esses compostos extras em seus arredores, onde são então “alimentados cruzadamente” ou absorvidos por outros organismos oceânicos, seja como nutrientes, energia ou para regular o metabolismo. Proclorococo'Os rejeitos, então, são os recursos de outros micróbios.
Além do mais, esta alimentação cruzada ocorre num ciclo regular: Proclorococo tendem a se livrar de sua bagagem molecular à noite, quando micróbios empreendedores rapidamente consomem os resíduos. Para um micróbio chamado SAR11, a bactéria mais abundante no oceano, os investigadores descobriram que o lanche nocturno actua como uma espécie de relaxante, forçando as bactérias a abrandar o seu metabolismo e a recarregar-se eficazmente para o dia seguinte.
Através desta interação de alimentação cruzada, Proclorococo poderia estar ajudando muitas comunidades microbianas a crescer de forma sustentável, simplesmente doando o que não precisa. E estão a fazê-lo de uma forma que poderá definir os ritmos diários dos micróbios em todo o mundo.
“A relação entre os dois grupos mais abundantes de micróbios nos ecossistemas oceânicos tem intrigado os oceanógrafos há anos”, diz a co-autora e professora do Instituto MIT, Sallie “Penny” Chisholm, que desempenhou um papel na descoberta de Proclorococo em 1986. “Agora temos um vislumbre da coreografia afinada que contribui para o seu crescimento e estabilidade em vastas regiões dos oceanos.”
Dado que Proclorococo e SAR11 impregnam a superfície dos oceanos, a equipe suspeita que a troca de moléculas de uma para outra pode representar uma das principais relações de alimentação cruzada no oceano, tornando-o um importante regulador do ciclo do carbono oceânico.
“Ao observar os detalhes e a diversidade dos processos de alimentação cruzada, podemos começar a descobrir forças importantes que estão moldando o ciclo do carbono”, diz o principal autor do estudo, Rogier Braakman, cientista pesquisador do Departamento da Terra, Atmosférica e Planetária do MIT. Ciências (EAPS).
Outros coautores do MIT incluem Brandon Satinsky, Tyler O'Keefe, Shane Hogle, Jamie Becker, Robert Li, Keven Dooley e Aldo Arellano, juntamente com Krista Longnecker, Melissa Soule e Elizabeth Kujawinski do Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI).
Localizando náufragos
A alimentação cruzada ocorre em todo o mundo microbiano, embora o processo tenha sido estudado principalmente em comunidades muito unidas. No intestino humano, por exemplo, os micróbios estão muito próximos e podem facilmente trocar e beneficiar de recursos partilhados.
Em comparação, Proclorococo são micróbios flutuantes que são regularmente lançados e misturados nas camadas superficiais do oceano. Embora os cientistas presumam que o plâncton está envolvido em alguma quantidade de alimentação cruzada, exatamente como isso ocorre e quem se beneficiaria tem sido historicamente difícil de investigar; qualquer coisa que Proclorococo descartados teriam concentrações extremamente baixas e seriam extremamente difíceis de medir.
Mas num trabalho publicado em 2023, Braakman juntou-se a cientistas da WHOI, que foram pioneiros em formas de medir pequenos compostos orgânicos na água do mar. No laboratório, eles cultivaram várias cepas de Proclorococo sob diferentes condições e caracterizou o que os micróbios liberaram. Eles descobriram que entre os principais “exsudantes”, ou moléculas liberadas, estavam purinas e piridinas, que são blocos de construção moleculares do DNA. Acontece que as moléculas também são ricas em nitrogênio – um fato que intrigou a equipe. Proclorococo são encontrados principalmente em regiões oceânicas com baixo teor de nitrogênio, então presumiu-se que eles gostariam de reter todo e qualquer composto contendo nitrogênio que pudessem. Por que, então, eles estavam jogando fora esses compostos?
Sinfonia global
Em seu novo estudo, os pesquisadores se aprofundaram nos detalhes de Proclorococo' alimentação cruzada e como ela influencia vários tipos de micróbios oceânicos.
Eles começaram a estudar como Proclorococo use purina e piridina em primeiro lugar, antes de expelir os compostos para o ambiente. Eles compararam genomas publicados dos micróbios, procurando genes que codificam o metabolismo das purinas e da piridina. Rastreando os genes através dos genomas, a equipe descobriu que, uma vez produzidos, os compostos são usados para produzir DNA e replicar o genoma dos micróbios. Qualquer sobra de purina e piridina é reciclada e usada novamente, embora uma fração do material seja finalmente liberada no meio ambiente. Proclorococo parecem aproveitar ao máximo os compostos e depois descartam o que não conseguem.
A equipe também analisou dados de expressão genética e descobriu que os genes envolvidos na reciclagem de purinas e pirimidinas atingem o pico várias horas após o pico reconhecido na replicação do genoma que ocorre ao anoitecer. A questão então era: o que poderia se beneficiar com essa eliminação noturna?
Para isso, a equipe analisou os genomas de mais de 300 micróbios heterotróficos – organismos que consomem carbono orgânico em vez de produzi-lo por meio da fotossíntese. Eles suspeitavam que esses consumidores de carbono poderiam ser prováveis consumidores de Proclorococo' rejeitos orgânicos. Eles descobriram que a maioria dos heterótrofos continha genes que absorvem purina ou piridina, ou, em alguns casos, ambas, sugerindo que os micróbios evoluíram ao longo de caminhos diferentes em termos de como se alimentam de forma cruzada.
O grupo concentrou-se num micróbio que prefere purinas, o SAR11, por ser o micróbio heterotrófico mais abundante no oceano. Quando compararam os genes de diferentes cepas de SAR11, descobriram que vários tipos usam purinas para finalidades diferentes, desde simplesmente ingeri-las e usá-las intactas até decompô-las para obter energia, carbono ou nitrogênio. O que poderia explicar a diversidade na forma como os micróbios usavam Proclorococo' rejeições?
Acontece que o ambiente local desempenha um grande papel. Braakman e seus colaboradores realizaram uma análise de metagenoma na qual compararam os genomas sequenciados coletivamente de todos os micróbios em mais de 600 amostras de água do mar de todo o mundo, com foco na bactéria SAR11. As sequências do metagenoma foram coletadas juntamente com medições de várias condições ambientais e localizações geográficas em que são encontradas. Esta análise mostrou que as bactérias devoram purina pelo seu azoto quando o azoto na água do mar é baixo, e pelo seu carbono ou energia quando o azoto está em excesso – revelando as pressões selectivas que moldam estas comunidades em diferentes regimes oceânicos.
“O trabalho aqui sugere que os micróbios no oceano desenvolveram relações que aumentam o seu potencial de crescimento de formas que não esperamos”, diz o co-autor Kujawinski.
Finalmente, a equipe realizou um experimento simples em laboratório, para ver se conseguia observar diretamente um mecanismo pelo qual a purina atua no SAR11. Eles cultivaram as bactérias em culturas, expuseram-nas a várias concentrações de purina e, inesperadamente, descobriram que isso fazia com que retardassem suas atividades metabólicas normais e até mesmo o crescimento. No entanto, quando os investigadores colocaram estas mesmas células sob condições ambientalmente stressantes, continuaram a desenvolver células fortes e saudáveis, como se a pausa metabólica das purinas ajudasse a prepará-las para o crescimento, evitando assim os efeitos do stress.
“Quando você pensa no oceano, onde você vê esse pulso diário de purinas sendo liberadas pelo Proclorococoisso fornece um sinal de inibição diário que pode estar causando uma pausa no metabolismo do SAR11, para que no dia seguinte, quando o sol nascer, eles estejam preparados e prontos”, diz Braakman. “Então pensamos Proclorococo está agindo como um condutor na sinfonia diária do metabolismo oceânico, e a alimentação cruzada está criando uma sincronização global entre todas essas células microbianas”.
