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Sobre a Evolução das Leveduras dos Fermentos Biológicos

Pesquisadores da Universidade de Bordeaux, na França publicaram um artigo na PLOS ONE (que rendeu um post no blog da comunidade Plos, escrito por Tara Garnett) demonstrando que diferentes cepas de leveduras da espécie Torulaspora delbrueckii, de recente interesse comercial, sofreram intervenção humana em sua evolução. Estudos anteriores já haviam demonstrado como nosso histórico de uso de leveduras afetou a evolução de uma das espécies mais utilizadas, a Saccharomyces cerevisae , com a criação de diferentes cepas que são utilizadas para fins diferentes (pão, vinho, e assim por diante).


Para demonstrar a influência humana sobre T. delbrueckii, os pesquisadores franceses fizeram o mapeamento da arvore genealógica da espécie em questão, após coletar 110 amostras de T. delbrueckii a partir de fontes globais de uvas para vinho, produtos de panificação, laticínios e bebidas fermentadas. Possíveis microssatélites (sequências repetitivas de pares de bases, como a AT e GC), foram encontrados no DNA de uma cepa e usados para criar ferramentas que identificam sequências similares em outras linhagens. Eles usaram os resultados para identificar oito diferentes  microssatélites marcadores (sequências de pares de bases) que eram compartilhados por algumas cepas, mas não por outras, para medir a variação genética em T. delbrueckii.  A composição de cada estirpe foi analisada usando-se eletroforese em microchips, um processo em que os fragmentos de DNA migram através de um gel que é submetido a um campo elétrico, o que ajuda os pesquisadores a separar os fragmentos de acordo com o seu tamanho. Estes microssatélites marcadores específicos de cada estirpe permitiram produzir um dendrograma (a figura colorida aí em baixo) que ilustra o grau de similaridade entre as estirpes. Os pesquisadores também estimaram o tempo que diferentes cepas levaram para evoluir através da comparação da taxa média de mutação e do tempo de reprodução de T. delbrueckii com o nível da diferença genética entre cada cepa.

No dendrograma ao lado [retirado de Albertin et al., 2014; DOI: 10.1371/journal.pone.0094246] podem tornam-se nítidos claramente quatro grupos de cepas de leveduras que estão fortemente relacionadas as origens de cada amostra. A maioria das cepas isoladas da natureza estão contidas em dois destes grupos, mas que podem ser diferenciados um do outro: os coletados no continente americano (grupo natural das Américas) e aqueles recolhidos na Europa, Ásia e África (grupo natural do Velho Mundo). Os outros dois grupos incluem cepas de amostras de alimentos e bebidas, mas não puderam ser diferenciados pela localização geográfica. O grupo uva/vinho contém 27 cepas que foram isoladas de uvas das principais regiões produtoras de vinho do mundo: Europa, Califórnia, Austrália, Nova Zelândia e América do Sul. O grupo de 'bioprocessos' contém cepas bem variadas geograficamente que foram coletadas de outras áreas de processamento de alimentos, tais como produtos de pão, comida estragada,  alimentos e bebidas fermentadas. Este grupo também contém um subgrupo de estirpes utilizadas especificamente para produtos lácteos. Em uma análise mais detalhada da variação entre as estirpes foi confirmado que, apesar dos grupos do dendrograma não conseguirem separar perfeitamente as estirpes de acordo com o uso humano (e a origem geográfica da amostra teve algum papel na diversidade), uma grande parte da estrutura da população pôde ser explicada pela fonte material da estirpe.

Os pesquisadores calcularam os tempos de divergência para os diferentes grupos e estes resultados enfatizam ainda mais a ligação entre a adoção da levedura T. delbrueckii pelos seres humanos e a evolução contínua desta espécie. O grupo das cepas 'uva/vinho' divergiu do grupo 'Velho Mundo' há aproximadamente 1.900 anos. Isso coincidiu com a expansão do Império Romano e a propagação de Vitis vinifera, a uva comum. Já o grupo de 'bioprocessos' divergiu muito antes, cerca de quatro mil anos atrás, ou seja, por volta da era Neolítica, o que mostra que a leveduras foram utilizadas para a produção de alimentos muito antes de serem direcionadas para produção de vinho.

Enquanto T. delbrueckii tem sido muitas vezes negligenciada pelos produtores em favor das cepas mais comuns  de S. cerevisiae , a primeira vem recentemente ganhando força por sua capacidade de reduzir os níveis de compostos voláteis que afetam negativamente o sabor e aroma do vinho. Como esta cepa tem uma alta tolerância ao congelamento, quando usada como agente de fermentação, ela vem atraído a atenção das empresas que tentam congelar e transportar a massa com eficiência.


Tentativas de desenvolver melhores cepas deste fermento para uso comercial já haviam começado, mas anteriormente não se tinha uma compreensão do seu ciclo de vida e nem dos hábitos reprodutivos destes organismos. Agora isso mudou. Ao criarem esta árvore genealógica de T. delbrueckii, os autores acabaram ganhando uma compreensão mais profunda desta espécie como um todo e estas informações  devem contribuir para um melhor desenvolvimento do uso tecnológico destes microrganismos.

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Referência:

Leitura recomendada: 

  • Albertin W, Chasseriaud L, Comte G, Panfili A, Delcamp A, et al. (2014) Winemaking and Bioprocesses Strongly Shaped the Genetic Diversity of the Ubiquitous Yeast Torulaspora delbrueckii. PLoS ONE 9(4): e94246. doi:10.1371/journal.pone.0094246

  • Setati ME, Jacobson D, Andong U-C, Bauer FF (2012) The Vineyard Yeast Microbiome, a Mixed Model Microbial Map. PLoS ONE 7(12): e52609. doi:10.1371/journal.pone.0052609

  • Tao X, Zheng D, Liu T, Wang P, Zhao W, et al. (2012) A Novel Strategy to Construct Yeast Saccharomyces cerevisiae Strains for Very High Gravity Fermentation. PLoS ONE 7(2): e31235. doi:10.1371/journal.pone.0031235

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Comentário de Rodrigo Véras em 14 maio 2014 às 20:04

Oi, Alex. Nós aqui do evolucionismo temos um site especialmente dedicado a responder questões sobre a evolução, o 'Pergunte ao evolucionismo':



http://pergunte.evolucionismo.org/ask



Você pode postar sua pergunta lá.



Antes, porém, dê uma olhada nesta resposta aqui:

http://pergunte.evolucionismo.org/post/22864944595



Resumindo e adiantando a resposta:



O principal problema com esta objeção criacionista é que ela parte de uma suposição equivocada, isto é, a de que qualquer variação no número de cromossomos ou problemas de pareamento resultará em prole estéril. Isso simplesmente não verdade. Embora realmente tais mudanças possam diminuir a viabilidade da prole (como no caso de certas síndromes cromossômicas) e também sua fecundidade (já que muitas combinações de gametas podem ser inviabilizada por problemas mais sérios de pareamento durante a meiose e mitose), mesmo assim é possível que estes indivíduos mantenham certa fertilidade. O que precisamos ter em mente é que os cromossomos são basicamente pacotes de genes. Por isso havendo maneiras de serem formados gametas e zigotos com os genes adequados, mesmo que fragmentados e fundidos de maneira diferente é compatível com a manutenção da fertilidade, mesmo que em uma menor proporção [Veja por exemplo o caso das fusões Robersonianas em que indivíduos com esta fusão ao acasalarem com indivíduos sem a fusão pode gerar prole sem a fusão, com a fusão mas sem anormalidades e com a fusão, mas com anormalidades].



Na verdade, existem algumas espécies cujas populações possuem diferentes números de cromossomos e hibridizam-se umas com as outras. Veja este caso aqui das espécies de roedores Ctenomys minutus e Ctenomys lami que possuem vários cariótipos parentais diferentes (com os estados diploides, 2n= 42, 46a, 46b, 48a, 48b, 48c, 50a e 50b; e 54, 55, 56, 57 e 58, respectivamente) com a existência de híbridos intra-específicos e até inter-específicos vindos de tipos parentais com números cromossômicos distintos. Isso já deveria ser suficiente para mostrar que boa parte das afirmações (e objeções à teoria evolutiva) feitas pelos criacionistas não se baseiam em dados reais e nem no conhecimento dos mecanismos genéticos, bioquímicos e celulares associados a reprodução e sobrevivência dos seres vivos.

Contudo, ainda mais impressionante é o caso da borboleta da espécie Leptidea sinapis, que é uma espécie, como mostram os pesquisadores, morfológica e geneticamente homogênea, a não ser em relação ao número de cromossomo. Estes últimos diminuem gradualmente, de 2n=106, na Espanha, até 2n=56, no leste do Cazaquistão, Isso resulta em uma 'clina geográfica', ou seja, um gradiente especial de variação no número cromossômico que abrange uma distância de 6000 km e que, segundo os cientistas, deve ter originado-se entre 8.500 e 31.000 anos atrás. O polimorfismo no número de cromossomos dentro de cada população destas ao longo do gradiente também exite, com as faixas de números de cromossomos sobrepondo-se entre algumas populações separadas por centenas de quilômetros. E sim, heterozigotos cromossômicos são abundantes.

Em situações especiais, como quando tais mudanças estão associadas a grandes vantagens em termos do sucesso reprodutivo dos indivíduos e/ou quando as populações são pequenas, existem um alto grau de endocruzamento e os efeitos negativos são pequenos, tais alterações cromossômicas podem serem mantidas, e mesmo serem expandidas e até fixadas (ou seja, passam a constituir a 'normalidade') na nova população ou espécie. Além disso, caso hajam certos prejuízos para os indivíduos em virtude de seu novo conjunto cromossômico, isso automaticamente cria uma pressão seletiva que favorece quaisquer mutações que amenizem estes efeitos, como o silenciamento de cromossomos inteiros para o controle da dosagem dos produtos gênicos ou sistemas mais eficientes de pareamento, principalmente se a população aumentar e as condições ambientais forem estáveis. De fato, essas diferenças nos cariótipos de populações de uma mesma espécie, principalmente aquelas que atrapalham o pareamento de certas regiões, em situações ecológicas e demográficas particulares, podem até levar a divergência dessas populações e a formação de novas espécies.

De acordo com o modelo do híbrido-disfuncional, rearranjos cromossômicos (como inversões , fusões e fissões) podem desempenhar um papel significativo na especiação entre populações contíguas, ou, parcialmente, simpátricas (geograficamente sobrepostas), com as dos exemplos em questão. Neste caso, a especiação ocorreria exatamente porque híbridos com rearranjos cromossômicos heterozigotos produziriam mais gametas defeituosos ou inviáveis, e, assim, teriam um menor sucesso reprodutivo baixa. Isso geraria a tal pressão para que promoveria as eventuais mutações que reduzem a chance de cruzamentos entre as populações que carregariam diferentes rearranjos cromossômicos, levando ao seu isolamento reprodutivo. Aqui, como se pressupõe que os rearranjos sejam mais danosos e dificultam a formação de gametas, estas variações deveriam aumentar de proporção na população por causa de processos estocásticos, como a deriva genética, ocorrendo em populações menores, antes que pudesse facilitar o processo de especiação.

Em outro modelo, o da "recombinação reprimida", os rearranjos cromossômicos atuariam como um filtro genético entre as populações, uma vez que as mutações associadas aos cromossomos rearranjados não poderiam fluir tão livremente entre populações, já que a recombinação nestas regiões seria bem dificultada, enquanto a troca genética continuaria a ocorrer livremente entre os cromossomos colineares, isto é não rearranjados. Assim, as mutações adaptativas especificas de cada localidade poderiam acumular-se diferencialmente nas regiões cromossômicas 'protegidas' pelos rearranjos, o que poderia levar que as populações parapátricas ou parcialmente simpátricas diferenciarem-se cada vez mais geneticamente , eventualmente, dando origem a espécies distintas.

Esses exemplos e os modelos citados mostram que a variabilidade no número de cromossomos não é tão diferente assim da variabilidade genética convencional - como aquela relacionada aos tipos de alelos e mesmo ao número de cópia dos genes em um dado genoma. As diferenças são mais uma questão de grau do que qualquer outra coisa. Então, de maneira análoga, embora tais diferenças possam causar desvantagens (e mesmo serem letais precocemente ou levarem a infertilidades dos indivíduos que carregam tais variações), em contrapartida, elas também podem serem apenas ligeiramente desvantajosas, neutras ou mesmo benéficas. Não há a obrigatoriedades destas variações serem sempre letais ou causarem completa infertilidade.

Por fim, não podemos nos esquecer que muitas espécies podem reproduzir-se assexuadamemte, como várias plantas, que tornam-se poliploides (ou seja tem seus números de cromossomos duplicados, por exemplo por não disjunção meiótica) ou sexuadamente por meio da autofecundação. Claro, a poliploidia é menos comum em animais, mas existem espécies poliploides em grupos de invertebrados hermafroditas (como minhocas e planárias) e em espécies com fêmeas partenogenéticas (como alguns outros invertebrados, como camarões, mariposas, e, besouros, em em alguns vertebrados, como alguns peixes e salamandras). Nestes casos, a variação abrupta no número de cromossomos não é problemática e os efeitos na formação de gametas afetam os híbridos com as populações ancestrais que não são poliploides, criando um mecanismo automatico de isolamento reprodutivo.



Espero que as coisas tenham ficadas mais claras. Qualquer coisa, use nosso site “Pergunte ao Evolucionismo”.

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Referências:

Lukhtanov VA, Dincă V, Talavera G, Vila R. Unprecedented within-species chromosome number cline in the Wood White butterfly Leptidea sinapis and its significance for karyotype evolution and speciation. BMC Evol Biol. 2011 Apr 20;11:109. doi: 10.1186/1471-2148-11-109.

Ayala FJ, Coluzzi M. Chromosome speciation: humans, Drosophila, and mosquitoes. Proc Natl Acad Sci U S A. 2005 May 3;102 Suppl 1:6535-42.

Grande abraço,

Rodrigo

Comentário de Alexandre Alex em 14 maio 2014 às 3:45

corrigindo: questão de um criacionista

Comentário de Alexandre Alex em 14 maio 2014 às 3:45

Bom dia amigos!

Creio na teoria da evolução e estou com uma questão levantada por um evolucionista que ainda não encontrei resposta: Como um animal, primeiro representante de sua espécie, com um número de cromossomos diferente da espécie que lhe deu origem pôde deixar descendentes se a reprodução entre animais com número de cromossomos diferente gera prole estéril? Se possível, favor me indicar bibliografia.

Obrigado!

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