Archaea e o sentido da vida
Humans gostam excessivamente de dividir as coisas em duas – a nossa abordagem à classificação taxonómica não é excepção. O primeiro sistema publicado por Linnaeus dividiu os organismos vivos em animais e plantas, e nos anos 60 isso foi substituído por uma divisão mais fundamental entre procariotas e eucariotas. Portanto, não deve ser surpresa que a idéia de um terceiro domínio da vida – Archaea – encontrou uma resistência feroz quando foi proposta nos anos 70.
Uma breve história de Archaea: 1977 para apresentar
Archaea estão difundidos na Terra, mas relativamente pouco se sabe sobre eles, fora dos seletos grupos de pessoas que estudam estes fascinantes organismos. Eles são um mistério que está sendo lentamente desvendado desde sua ‘descoberta’ em 1977 por Carl Woese e seu grupo, incluindo George Fox, enquanto trabalhava na Universidade de Illinois.
Methanogens (arquebactérias que produzem metano) e outros grupos de microorganismos, incluindo halobactérias (agora chamadas de arquebactérias halófilas), bem como termófilos, já haviam sido descobertos, mas eles haviam sido classificados erroneamente sob o domínio Bactérias. Os woese descobriram que estes organismos não só partilham um amor por ambientes extremos, mas também que estão filogenéticamente relacionados entre si. Entretanto, ele ficou surpreso ao descobrir que eles são fundamentalmente distintos das bactérias.
Woese estava usando rRNA (RNA ribossômico) pequeno para construir uma nova árvore filogênica. O rRNA de subunidade pequena é um componente essencial de todos os organismos auto-replicáveis e mostra uma notável conservação em sequência. Isto tornou-o uma escolha perfeita para um cronómetro molecular. Na época esta abordagem molecular da filogenia era nova – os métodos anteriores baseavam-se em características visíveis como a forma celular ou as condições de crescimento. Os woese descobriram que os procariotas não são um domínio coerente, mas são compostos por dois grupos distintos: Bactérias e Archaea. Na altura foram denominadas ‘Eubactérias’ e ‘Archaebactérias’, respectivamente, mas estes dois grupos de procariotas não eram mais semelhantes um ao outro do que os eucariotas. Woese propôs que a árvore da vida tem três ramos iguais – Archaea, Bacteria e Eukarya – e que o termo ‘procariotas’ deveria ser abandonado porque não tem significado taxonómico. Sem surpresas, suas idéias não eram universalmente populares.
L-R: A MUD POOL, WAIOTAPU; CHAMPAGNE POOL, WAIOTAPU; A HOT SPRING IN YELLOWSTONE NATIONAL PARK; SULFUR DEPOSITS, WAIOTAPU; LADY KNOX GEYSER, WAIOTAPU.
Como com qualquer nova descoberta existem cépticos, mas os dados bioquímicos da Wolfram Zillig suportaram os dados de 16S rRNA recolhidos pela Woese. Com o tempo, o novo domínio da Archaea foi aceito pela comunidade científica. O interesse em Archaea aumentou ainda mais depois que todo o sequenciamento do genoma decolou nos anos 90, e os pesquisadores cada vez mais mudaram de bactérias ou eucariotas para trabalhar nesses microrganismos exóticos. Mas ao contrário da crença popular, nem todos os arcaicos são extremófilos. Eles também foram encontrados em ambientes “normais”, como o solo e o oceano, e em ambientes onde eles coabitam com bactérias. Por exemplo, no arquebactérias intestinal humano são responsáveis pela produção de metano! No entanto, ao contrário das bactérias, nenhuma arcaia patogênica jamais foi encontrada.
Muitos 40 anos se passaram desde a sua reclassificação em um novo domínio, mas ainda muitas outras espécies de arcaias estão sendo descobertas. A sequência de ADN melhorou drasticamente, o que significa que as arcaias já não têm de ser cultivadas para serem caracterizadas. Isto levou à descoberta de linhagens totalmente novas. Com base em dados filogenéticos (16S rRNA e outros genes) o domínio Archaea foi originalmente dividido em dois grupos: o Euryarchaeota e o Crenarchaeota. No entanto, desde 2006, foram descobertas mais três linhagens: Thaumarchaeota, Aigarchaeota e Korarchaeota. Estes três novos grupos são frequentemente combinados com a Crenarchaeota para formar o superfilo ‘TACK’ (mais sobre isto mais tarde). Ainda mais recentemente tem havido relatos de novas linhagens de ‘nano’ arcaea, que são caracterizadas por um pequeno tamanho celular com muito poucos genes. A constante descoberta de novas espécies e grupos faz da Archaea um domínio muito fluido, com a árvore filogenética mudando a cada nova descoberta.
TIMELINE OF ARCHAEA FROM THE THEIR DISCOVERY TO PRESENT DAY.
As origens da vida?
Arquéia pode parecer-se com bactérias à primeira vista e certamente existem muitas semelhanças superficiais, mas cavar mais fundo e arcaéia tem mais em comum com os eucariotas. De fato, agora é amplamente aceito que arquebactérias são os ancestrais de todos os eucariotas.
Arcaéia, como bactérias, são organismos unicelulares com um genoma de DNA circular de dupla cadeia, e eles não têm nem uma membrana nuclear nem organelas. Isto significa que são semelhantes às bactérias em termos de estrutura celular, embora existam diferenças. A Archaea não tem uma parede celular ao estilo bacteriano e sua membrana plasmática é diferente daquela encontrada tanto nas bactérias como nos eucariotas. Mas no interior da célula, a arcaea mostra uma semelhança familiar marcante com a eucariotas. Isto é especialmente verdade para a maquinaria enzimática que processa informação genética – embalagem e replicação de DNA, transcrição em RNA, e tradução em proteínas. Todos estes processos são essencialmente os mesmos em arcaicas e eucariotas, e são bastante distintos das bactérias.
Isto levanta a questão: se arcaicas estão mais intimamente relacionadas às eucariotas do que às bactérias, então como elas se encaixam na árvore da vida?
A árvore filogenética proposta por Woese foi dividida em três domínios iguais, com Archaea e Eukarya compartilhando um ancestral comum que já tinha divergido das Bactérias. No entanto, biólogos que trabalham nas origens da vida concluíram recentemente que Eukarya e Archaea não são grupos irmãos. Em vez disso, os eucariotas são descendentes diretos de Arcaéia, e nosso ancestral há muito perdido pertence ao superfilo ‘TACK’ da Arcaéia. Uma das descobertas mais emocionantes do ano passado foi a identificação de um “elo perdido” entre Eukarya e Archaea. Chamados de Lokiarchaeota, eles foram encontrados perto de um respiradouro hidrotermais em um local conhecido como Castelo de Loki no Oceano Ártico.
Posso usar nosso conhecimento da Arcaéia para rastrear as origens da vida complexa? Os microfósseis eucarióticos podem ser datados de 1,8 bilhões de anos atrás, mas o metano biológico foi encontrado em rochas que têm 3,4 bilhões de anos. A única fonte de metano biológico é a Euryarchaeota metanogénica, por isso sabemos que a arcaea existe desde os primórdios da vida na Terra. Quanto à vida em outros planetas, é tentador especular que a arcaea pode também ter colonizado Marte – evidências estão se acumulando de que o metano na atmosfera marciana tem uma origem biológica.
DR THORSTEN ALLERS FROM THE UNIVERSITY OF NOTTINGHAM EXPLORA COMO ESSE MICRO-ORGANISMO FASCINANISMO FOI DESCOVERTIDO PRIMEIRO – E COMO TÊM-NOS TALVEZENTE RECONSIDERADO O NOSSO LUGAR DA ÁRVORE DA VIDA.
Revolução dos woese
O que significam para nós, humanos, as recentes descobertas? Dado o nosso desejo de dicotomia, devemos estar aliviados que a árvore da vida tenha sido podada de volta a apenas dois ramos primários – Bactérias e Archaea. E mais do que qualquer outra coisa, devemos dar crédito a Carl Woese, cuja revolução taxonómica nos permitiu rastrear os nossos antepassados até ao seu humilde começo como células arqueológicas.
Árvores FILOGENÉTICAS UNIVERSAS EM FORMA RODOVIÁRIA, MOSTRADOS OS TRÊS DOMÍNIOS.
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HANNAH MARRIOTT & THORSTEN ALLERS
School of Life Sciences, University of Nottingham, Queen’s Medical Centre, Nottingham NG7 2UH, UK
FURTHER READING
Eme, L. & Doolittle, W. F. (2015). Archaea. Curr Biol 25, R845-R875.
Spang, A. & outros (2015). Arcaéia complexa que faz a ponte entre prokariotes e eucariotes. Nature 521, 173-179.
Williams, T. A. & outros (2013). Uma origem arqueal dos eucariotas suporta apenas dois domínios primários da vida. Natureza 504, 231-236.
Woese C. R., Kandler O. & Wheelis M. L. (1990). Para um sistema natural de organismos: proposta para os domínios Archaea, Bacteria, e Eucarya. Proc Natl Acad Sci EUA 87, 4576-4579.