Cientistas descobriram a primeira organela fixadora de nitrogênio

Os livros modernos de biologia afirmam que apenas as bactérias são capazes de retirar nitrogênio da atmosfera e convertê-lo em uma forma habitável. As plantas que fixam nitrogênio, como as leguminosas, o fazem abrigando bactérias simbióticas nos nódulos das raízes. Mas a última descoberta vira esta regra de cabeça para baixo.

Em dois artigos recentes, uma equipe internacional de cientistas descreve a primeira organela fixadora de nitrogênio conhecida dentro de uma célula eucariótica. A organela é o quarto exemplo na história da endossimbiose primária – o processo pelo qual uma célula procariótica é engolfada por uma célula eucariótica e evolui além da simbiose para uma organela.

“É muito raro que organelas surjam deste tipo de coisa”, disse Tyler Cole, pesquisador de pós-doutorado na UC Santa Cruz e primeiro autor de um dos dois artigos recentes. “A primeira vez que pensamos que isso aconteceu, deu origem a todas as formas de vida complexas. Tudo o que é mais complexo do que uma célula bacteriana deve a sua existência a este evento”, disse ele, referindo-se às origens das mitocôndrias. “Há cerca de um bilhão de anos, isso aconteceu novamente com os cloroplastos e isso nos deu plantas”, disse Cole.

Um terceiro exemplo bem conhecido envolve um micróbio semelhante ao cloroplasto. A última descoberta é o primeiro exemplo de organela fixadora de nitrogênio, que os pesquisadores chamam de nitroplasto.

Um mistério de décadas

Descobrir a organela exigiu um pouco de sorte e décadas de trabalho. Em 1998, Jonathan Zehr, um ilustre professor de ciências marinhas da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, encontrou uma curta sequência de DNA do que parecia ser de uma cianobactéria fixadora de nitrogênio desconhecida na água do mar do Pacífico. Zahr e seus colegas passaram anos estudando o misterioso objeto, que chamaram de UCYN-A.

Enquanto isso, Kyoko Hagino, paleontóloga da Universidade de Kochi, no Japão, tentava ativamente cultivar algas marinhas. Acabou sendo o organismo hospedeiro do UCYN-A. Foram necessárias mais de 300 expedições de amostragem e mais de uma década, mas Hagino finalmente conseguiu cultivar as algas em cultura, permitindo que outros pesquisadores começassem a estudar a UCYN-A e seu hospedeiro de algas marinhas juntos no laboratório.

Durante muitos anos, os cientistas consideraram o UCYN-A um endossimbionte intimamente relacionado com as algas. Mas os dois artigos recentes sugerem que a UCYN-A co-evoluiu com o seu antigo hospedeiro simbiótico e agora se enquadra nos critérios para ser uma organela.

Origens orgânicas

Num artigo publicado em célula Em março de 2024, Zahr e colegas do MIT, do Instituto de Ciencia Barcelona e da Universidade de Rhode Island mostraram que a relação de volume entre UCYN-A e suas algas hospedeiras é semelhante em diferentes espécies de algas marinhas eufíticas. Prarodosphaera bigeloi.

Os investigadores utilizam um modelo para demonstrar que o crescimento das células hospedeiras e a UCYN-A são controlados pela troca de nutrientes. Seus processos metabólicos estão relacionados. Esta sincronização nas taxas de crescimento levou os pesquisadores a chamar o UCYN-A de “semelhante a uma organela”.

“Isso é exatamente o que acontece com as organelas”, disse Zahr. “Se você olhar para as mitocôndrias e os cloroplastos, eles são a mesma coisa: eles se expandem com a célula.”

Mas os cientistas não chamaram com segurança a UCYN-A de organela até confirmarem outras evidências. No Artigo de capa Da revista Ciências, publicado hoje, apresenta Zahr, Qualley, Kendra Turk Kubo, Wing-Kwan Esther Mak da Universidade da Califórnia, Santa Cruz, e colaboradores da Universidade da Califórnia, São Francisco, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, National Taiwan Ocean University e Kochi Universidade no Japão. UCYN-A importa proteínas de suas células hospedeiras.

“Esta é uma das marcas de algo que vai de um endossimbionte a uma organela”, disse Zahr. “Eles começam a se livrar de pedaços de DNA, seu genoma fica cada vez menor e eles começam a depender da célula-mãe para transportar esses produtos genéticos – ou a própria proteína – para dentro da célula.”

Cole trabalhou em proteínas para estudar. Ele comparou as proteínas encontradas na UCYN-A isolada com aquelas encontradas em toda a célula hospedeira da alga. Ele descobriu que a célula hospedeira produz proteínas e as rotula com uma sequência específica de aminoácidos, que diz à célula para enviá-las ao nitroplasto. O nitroblasto então importa e utiliza as proteínas. Cole identificou a função de algumas proteínas, que preenchem lacunas em vias específicas da UCYN-A.

“É como um quebra-cabeça mágico que se encaixa e funciona em conjunto”, disse Zahr.

No mesmo artigo, pesquisadores da Universidade da Califórnia, em São Francisco, mostraram que a UCYN-A se replica em conjunto com a célula da alga e é herdada como outras organelas.

Mude as perspectivas

Estas linhas de evidência independentes não deixam dúvidas de que o UCYN-A transcendeu o papel do simbionte. Embora as mitocôndrias e os cloroplastos tenham evoluído há milhares de milhões de anos, os nitroplastos parecem ter evoluído há cerca de 100 milhões de anos, proporcionando aos cientistas uma perspectiva nova e mais moderna sobre a formação de organelos.

A organela também fornece informações sobre os ecossistemas oceânicos. Todos os organismos vivos necessitam de nitrogénio numa forma biologicamente utilizável, e a UCYN-A é globalmente importante pela sua capacidade de fixar nitrogénio da atmosfera. Os investigadores encontraram-no em todo o lado, desde os trópicos até ao Oceano Ártico, e fixa uma grande quantidade de azoto.

“Ele não é apenas mais um jogador”, disse Zehr.

Esta descoberta também tem potencial para mudar a agricultura. A capacidade de produzir fertilizantes de amônia a partir do nitrogênio atmosférico permitiu que a agricultura — e a população mundial — decolasse no início do século XX. Este processo é conhecido como processo Haber-Bosch e permite a produção de cerca de 50% dos alimentos mundiais. Produzem também enormes quantidades de dióxido de carbono: cerca de 1,4% das emissões globais provêm deste processo. Durante décadas, os investigadores tentaram descobrir uma forma de incorporar a fixação natural de azoto na agricultura.

“Este sistema é uma nova perspectiva sobre a fixação de nitrogênio e pode fornecer pistas sobre como transformar tal organela em plantas cultivadas”, disse Cole.

Mas muitas questões sobre a UCYN-A e o seu hospedeiro de algas permanecem sem resposta. Os pesquisadores planejam se aprofundar em como a UCYN-A e as algas funcionam e estudar diferentes cepas.

Kendra Turk-Cobo, professora assistente da UC Santa Cruz, continuará a pesquisa em seu novo laboratório. Zahr espera que os cientistas encontrem outros organismos com histórias evolutivas semelhantes às do UCYN-A, mas como a primeira deste tipo, esta descoberta cabe nos livros didáticos.