Evolução da multicelularidade em laboratório II

Em uma nota recente no portal de noticias científicas ScienceDaily foram relatados os resultados e conclusões de um estudo cujos dados preliminares haviam sido discutidos aqui no evolucionismo. Como parte da constante tentativa dos cientista de explicar nossas origens, biólogos recentemente obtiveram importantes resultados que nos dão um vislumbre de um passo considerado fundamental na evolução da vida animal e vegetal, a evolução da multicelularidade a partir da unicelularidade em experimentos usando a levedura unicelular Saccharomyces cerevisiae, um dos principais organismos modelo amplamente utilizado na pesquisa biológica e biomédica básica. Com o provocativo título, “Biólogos replicam passo evolutivo chave ”, a matéria foi publicada terça-feira última, dia 17 de janeiro, a partir da publicação de um artigo na famosa e respeitada revista científica Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

 

Desde a origem dos primeiros organismos procariontes unicelulares, cujo surgimento é estimado em cerca de 3,8 a 4 bilhões de anos, passaram-se mais de 3 bilhões de anos até que aparecessem vestígios inequívocos de vida multicelular. A biota de Ediacara é um dos marcos iniciais da evolução de seres multicelulares e é um período em que a vida multicelular se torna aparente  Esta biota foi seguida, algumas dezenas de milhões de anos depois, pela rápida (do ponto de vista geológico) diversificação de linhagens de animais (principalmente, com simetria bilateral e tecidos duros) que conhecemos como a explosão cambriana que se iniciou a 543 milhões de anos atrás.  Porém, em algum período anterior a estes eventos, antes, da emergência dessas biotas, organismos unicelulares, na superfície da Terra, começaram a formar aglomerados multicelulares que, mais tarde, tornar-se-iam os ancestrais mais remotos das plantas e animais, tendo  dado origem a biota de Ediacara e a explosão cambriana. Estes passos iniciais de transição, contudo, são pouco compreendidos e, até hoje, são alvos de acalorados debates. Ainda que vários modelos existam e evidências para apoiá-los sejam elencadas, ainda existem questões bastante incertas sobre estes eventos primordiais, as quais uma abordagem experimental pode ajudar a esclarecer.

 

Como informado em outro post, cientistas da Universidade de Minnesota Faculdade de Ciências Biológicas recentemente desenvolveram uma abordagem bem simples para tentar descobrir como este passo fundamental teria ocorrido através de experimentos de laboratório com a seleção de leveduras.

 

Os pesquisadores conseguiram fazer com que as leveduras unicelulares evoluíssem em agregados multicelulares que trabalhavam juntos, cooperativamente, reproduzindo-se e adaptando-se ao seu meio ambiente, de maneira similar ao que deve ter ocorrido com os precursores da vida multicelular na Terra.

Tudo começou a dois anos atrás, quando o pós-doutorando Will Ratcliff e Michael Travisano, ambos do Departamento de Ecologia, Evolução e Comportamento, resolveram, utilizando células de levedura, meios de cultura e uma centrífuga, encarar o problema experimentalmente. Em um período de aproximadamente 60 dias foi suficiente, segundo Travisano, para que os resultados aparecessem. Comentando sobre seu trabalho:

“Eu não acho que ninguém nunca tinha tentado antes”, disse o principal autor Ratcliff [1]. “Não há muitos cientistas fazendo evolução experimental, e eles estão tentando responder a perguntas sobre a evolução, não recriá-lo.” *

O experimento atraiu a tenção da comunidade científica e provocou várias manifestações que exaltaram sua importância, como está exposto da nota do ScienceDaily:

 

““Para entender por que o mundo está cheio de plantas e animais, incluindo seres humanos, precisamos saber como organismos unicelulares fizeram a mudança para viver como um grupo, como organismos multicelulares”, disse Sam Scheiner, diretor de programa da National Science Foundation (NSF) da Divisão de Biologia Ambiental. “Este estudo é o primeiro a observar experimentalmente que a transição, dando uma olhada em um evento que teve lugar centenas de milhões de anos atrás.” ”

 

Como antes noticiado, parte desse material, havia sido divulgado por Ratcliff e Travisano em uma conferência no verão passado, que, posteriormente, foram convidados para falar sobre isso em outras encontros.

Os experimentos foram resumidamente levados a cabo da seguinte maneira. Os dois pesquisadores cultivaram a levedura Saccharomyces cerevisiae em um meio de cultura rico em nutrientes, em tubos de ensaio, permitindo que as células lá crescessem por cerca de um dia, para, então, centrifugarem os tubos estratificando o seu conteúdo pelo seu peso. Assim, quando a mistura se acomodava, grupos de células precipitavam-se no fundo dos tubos de forma mais rápida do que células individuais, por serem mais pesados, sendo então, esses agregados, removidos e, transferidos para novos tubos com novo meio de cultura, onde cresciam novamente. Este procedimento foi repetido por dezenas de ciclos até que os agregados – agora formados por centenas de células – começaram a  se parecer ,mais ou menos, com flocos de neve. Entre as principais observações dos dois pesquisadores, descritas no artigo do PNAS, estão:

 

(i)A evolução rápida de genótipos de agregação que exibem uma história de vida multicelular particular, por sua vez, caracterizada pela (ii) reprodução, através da liberação de propágulos multicelulares, (iii) além de uma fase juvenil, envolvendo o crescimento determinado , isto é, até um tamanho crítico.

Ao analisarem esses agregados de células, os pesquisadores puderam constatar que não se tratavam apenas grupos de células aleatórias aderidas umas as outras, mas eram de fato células aparentadas que permaneceram grudadas após a divisão celular. Este é um ponto importante porque, em tese, a formação desses agregados poderia se dar tanto por agregação de células diferentes, como por não separação, pois divisão celular, de ‘células filhas’ [A não disjunção envolve a expressão de glicoproteínas adesivas nas membranas celulares das leveduras.]. Com o primeiro tipo podendo causar vários conflitos de interesse genéticos devido a origem dispare de cada um das células do agregado, mas, como os agregados multicelulares são de fato monoclonais – isto é são oriundos de um um única célula, sendo geneticamente idênticos – isso minimiza os conflitos de interesse genéticos dentro de cada agregado. Este ponto é crucial, pois isso significava que ao serem geneticamente semelhantes, a cooperação torna-se mais provável, pois mesmo que apenas uma célula do grupo se replique, enquanto as demais dediquem-se a outras atividades, ainda assim, o patrimônio genético de todas elas será passado a adiante [Para saber mais sobre esta questão leia este post].

 

Assim, mesmo que o sucesso reprodutivo direto da maioria das células seja igual a zero, o sucesso indireto, através do que os cientistas chama de “aptidão inclusiva”, por intermédio do sucesso reprodutivo de parentes que partilham muitos dos mesmos genes, compensa a especialização e “renuncia” reprodutiva de algumas células.

 

Esse processo acontecia durante a separação (reprodução) que ocorria quando os ‘cachos’ (propágulos) atingiam um certo tamanho crítico, quando, algumas células, essencialmente, cometiam ‘suicídio’ (apoptose), permitindo assim que descendentes pudessem se separar, com a próxima geração de descendentes reproduzindo-se somente depois que eles alcançavam o tamanho de seus ‘pais’ (crescimento determinado, diferenciação entre fases juvenil e adulta).

 

A divisão de trabalho entre células desenvolveu-se bem rapidamente também, de início com os agregados multicelulares sendo todos compostos de células fisiologicamente muito semelhantes, que, mais tarde, evoluíram maiores taxas de morte celular programada (apoptose), o que aumenta a produção de propágulos.

 

É importante também enfatizar que estes agregados são bastante diferentes dos crescimentos pseudo-hifais que às vezes ocorrem em situações de estresse nutricional em leveduras, ocorrendo tanto em condições de lata e baixa nutrição. Os agregados obtidos nesses experimentos também são fenotipicamente estáveis, com três populações replicantes resistindo a 35 ciclos de transferência sem a seleção gravitacional por centrifugação, sem que fossem detectadas invasões por formas unicelulares.

 

Muito importante também é o fato que a nova história de vida que estes agregados evoluíram tornou-se ela própria passiva de seleção, mostrando também uma mudança no nível de seleção natural em que os alvos, ou ‘interatores’ [2], usando o jargão de Hull, passam das células individuais para os agregados multicelulares.

 

Por exemplo, em resposta à seleção para a sedimentação ainda mais rápida, um dos principais fatores seletivos envolvidos nos experimentos, o fenótipo de floco das leveduras modificou-se aumentando a duração da fase juvenil, que precede a produção de propágulos multicelulares, mantendo-se mais pesados por mais tempo. A própria divisão do trabalho dentro dos ‘clusters’  é um exemplo dessa mudança do nível da seleção já que resultou em uma maioria de células permanecendo viáveis e reproduzindo-se, enquanto, uma minoria de células tornaram-se apoptóticas, agindo como pontos de ruptura dentro dos agregados multicelulares o que permitia que os agregados de leveduras produzissem um maior número de propágulos a partir de um determinado número de células. Este tipo de diferenciação, segundo os pesquisadores, é a funcionalmente análoga a distinção entre germe e soma, na qual certas células se especializam na reprodução, os gametas, e outras em funções não-reprodutiva, isto é, todo o resto. Isso sugere, de acordo com Ratclif e Travisano que as características multicelulares prontamente evoluem como conseqüência seleção entre agregados.

 

Como disse Ratcliff:

 

“Um agregado por si só não é multicelular” […] “Mas quando as células em um agregadocooperam, fazendo sacrifícios para o bem comum, e se adaptar às mudanças, isso é uma transição evolutiva para a multicelularidade.” **

“Para que organismos multicelulares formem-se, a maioria das células precisam sacrificar sua capacidade de reproduzir-se, uma ação altruísta que favorece o todo, mas não o indivíduo”

 

Como é explicado no artigo do Science Daily:

 

“Por exemplo, todas as células no corpo humano são essencialmente um sistema de apoio que permite que espermatozóides e óvulos passem DNA à próxima geração. Assim, a multicelularidade é por natureza extremamente cooperativa.”

 

“”Alguns dos melhores competidores na natureza são aqueles que se envolvem em cooperação, e nossa experiência demonstra isso muito bem”, completou Travisano.”

 

As estimativas dos biólogos evolutivos são que a multicelularidade deve ter evoluído de maneira independente em cerca de 25 grupos. Mas os resultados de Travisano e Ratcliff que parecessem ser bastante robustos e replicáveis – pois eles conseguiram obter os primeiros passos essenciais natransição da unicelularidade à multicelularidade com incrível rapidez sob condições apropriadas de seleção, com leveduras apresentando o fenótipo de “flocos de neve” multicelulares  que evoluíram tal característica em todas as 15 populações, em dois experimentos separados no prazo de apenas 60 dias usando a seleção por sedimentação – sugerem um mistério. Segundo Travisano e Ratcliff, é estanho que esta característica não evoluiu mais frequentemente na natureza, uma vez que de acordo com os seus resultados experimentais, não parece ser tão difícil que isso ocorra, especialmente se considerarmos que existem trilhões de organismos unicelulares vivendo em nosso planeta há bilhões de anos.

 

As diversas amostras congeladas no laboratório de Travisano que contém várias linhagens que se tornaram, independente, multicelulares podem ajudar aos pesquisadores responderem esta questão ao comparar estas diversas linhagens e descobrir quais mecanismos e quais genes estariam em envolvidos e quão diferentes ou similares seriam estes em cada caso.

Os dois cientistas, como próximos passos em sua linha de pesquisa, esperam investigar o papel da multicelularidade em processos como o câncer, envelhecimento e em outras áreas críticas da biologia:

“”Nossas leveduras multicelulares são um recurso valioso para a investigação de uma grande variedade de tópicos médicos e biologicamente importantes”, disse Travisano.”

 

 

“O câncer foi recentemente descrito como um fóssil da origem da multicelularidade, que pode ser investigado diretamente com o sistema de leveduras. Da mesma forma as origens do envelhecimento, do desenvolvimento e a evolução de morfologias complexas estão abertos à investigação experimental direta que seriam, de outra maneira, difícil ou impossível.”

 

 

Este trabalho e outros discutidos no post anterior, que relata estes experimentos, e, outros ainda, que devem estar em andamento, parecem estar nos revelando que alguns dos grandes enigmas da evolução podem ter soluções mais simples do que imaginávamos; e talvez a verdadeira questão seja por que certos tipos de características não ocorreram mais vezes, sugerindo um papel para as contingências históricas e para restrições das mais variadas.

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Nota:

[1]Vc pode assistir o próprio Ratcliff explicando os experimentos e suas conclusões aqui neste link.

[2] O termo ‘interatores’ foi proposto pelo filósofo David Hull em substituição ao termo ‘veículo’ preferido por Dawkins e mais restritivo, que aparece em sua dicotomia entre “replicadores” e “veículo”., termos que foram criados no contexto dos debates sobre os níveis, alvos e unidades da seleção natural. Este termo,  ‘interatores’, enfatiza o locus da interação causal do processo de seleção natural, isto é, as características que realmente provocam a reprodução diferencial de certas variantes fenotípicas em um determinado contexto ecológico e demográfico, enquanto o termo de Dawkins ‘veículo’ coloca este papel causal em segundo plano e concentra-se nos ‘replicadores’ em geral , equiparados aos genes, mas em uma acepção por demais arbitrária e problemática) que seriam relevantes pare compreender-se mais outro tipo de questão, a dos beneficiários da seleção natural, uma das quatro questões que normalmente são discutidas sob estas alcunhas de alvos, unidades ou níveis da seleção natural.

• Lloyd, Elisabeth, “Units and Levels of Selection“, The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Fall 2008 Edition), Edward N. Zalta (ed).
• Hull, D. L. (2001) “Replicators and interactors” In his Science and Selection. Cambridge, UK: Cambridge University Press, pp. 13–32.

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Referências:

• Ratcliff, William C., Denison, R. Ford, Borrello, Mark and Travisano, Michael Experimental evolution of multicellularity. Proceedings of the National Academy of Sciences, January 17, 2012 DOI: 10.1073/pnas.1115323109

Créditos das figuras:

As fotos dos pesquisadoras foram retiradas deste artigo.

As fotos dos experimentos foram obtidas do artigo do PNAS.

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