Eukaryotes: História de sua ancestralidade Archaeal

O agrupamento tradicional de formas de vida em procariotos e eucariotos foi revisado em 1977, quando a caracterização da sequência de rRNA revelou que as archaea (então chamadas de 'arqueobactérias') são "tão distantemente relacionadas às bactérias quanto as bactérias são para os eucariotos". Isso exigia o agrupamento de organismos vivos. em eubactérias (compreendendo todas as bactérias típicas), archaea e eucariontes. A questão da origem dos eucariotos permaneceu. No devido tempo, começaram a surgir evidências em favor da ancestralidade archaeal dos eucariotos. De particular interesse foi a descoberta de que Asgard archaea tem várias centenas de genes de proteínas de assinatura eucariótica (ESPs) em seu genoma. ESPs desempenham um papel crucial no desenvolvimento do citoesqueleto e estruturas celulares complexas características de eucariotos. Em um estudo inovador publicado em 21 de dezembro de 2022, os pesquisadores relataram o cultivo bem-sucedido de uma cultura enriquecida da indescritível arqueia de Asgard, que eles visualizaram usando tomografia crioeletrônica. Eles observaram que as células Asgard realmente tinham um citoesqueleto complexo baseado em actina. Esta foi a primeira evidência visual direta da ancestralidade archaeal dos eucariotos, um passo significativo na compreensão da origem dos eucariotos.  

Até 1977, as formas de vida na Terra eram agrupadas em eucariotos (formas complexas caracterizadas pela inclusão de materiais genéticos da célula em um núcleo bem definido e pela presença de citoesqueleto) e procariontes (formas de vida mais simples com material genético no citoplasma sem núcleo específico, incluindo bactérias e arqueobactérias). Pensava-se que o celular eucariotos evoluiu há cerca de 2 bilhões de anos, provavelmente a partir dos procariontes. Mas como exatamente se originaram os eucariotos? Como as formas de vida celulares complexas estão conectadas às formas de vida celulares mais simples? Esta era uma grande questão em aberto na biologia.  

Avanços tecnológicos na biologia molecular de genes e proteínas ajudaram a aprofundar a questão quando, em 1977, descobriu-se que as archaea (então chamadas de 'archaebacteria') eram ''tão distantemente relacionadas às bactérias quanto as bactérias estão eucariotos. '' A distinção anterior de formas de vida em procariontes e eucariontes foi baseada em diferenças fenotípicas no nível de organelas celulares. A relação filogenética deve, em vez disso, ser baseada em uma molécula amplamente distribuída. O RNA ribossômico (rRNA) é uma dessas biomoléculas que está presente em todos os sistemas autorreplicantes e cujas sequências mudam muito pouco com o tempo. A análise baseada na caracterização da sequência de rRNA exigiu o agrupamento de organismos vivos em eubactérias (compreendendo todas as bactérias típicas), archaea, e eucariotas¹.  

Posteriormente, começaram a surgir evidências de uma relação mais próxima entre archaea e eucariotos. Em 1983 descobriu-se que as RNA polimerases dependentes de DNA de archaea e eucariotos são do mesmo tipo; ambos apresentam propriedades imunoquímicas surpreendentemente semelhantes e ambos são derivados de uma estrutura ancestral comum². Com base em uma árvore filogenética composta inferida de um par de proteínas, outro estudo publicado em 1989 revelou uma relação mais próxima de archaea com eucariotos do que com eubactérias.³. Por esta altura, a origem arqueológica de eucariotos foi estabelecido, mas as espécies arqueológicas exatas ainda precisavam ser identificadas e estudadas.  

Crescimento em estudos genômicos após o sucesso em projeto genoma, forneceu um estímulo muito necessário para esta área. Entre 2015-2020, vários estudos descobriram que Asgard archaea carregam genes específicos de eucariotos. Seus genomas são enriquecidos com proteínas consideradas específicas de eucariotos. Esses estudos identificaram claramente Asgard archaea como tendo a maior proximidade genética com o eucarioto em virtude da presença de centenas de genes de proteínas de assinatura eucariótica (ESPs) em seu genoma.  

O próximo passo foi visualizar fisicamente a estrutura interna do porão do Asgard archaea para confirmar o papel dos ESPs, já que é amplamente aceito que os ESPs desempenham um papel fundamental na formação de estruturas celulares complexas. Para isso, foram necessárias culturas altamente enriquecidas desta archaea, mas Asgard é conhecida por ser indescritível e misteriosa. causando dificuldade no cultivo em quantidade suficiente para estudá-los em laboratório. De acordo com um estudo relatado recentemente em 21 de dezembro de 2022, essa dificuldade foi superada.  

Os pesquisadores, após seis anos de trabalho árduo, improvisaram técnicas e cultivaram com sucesso em laboratório uma cultura altamente enriquecida de 'Candidatus Lokiarchaeum ossiferum', um membro do filo Asgard. Esta foi uma conquista notável, também porque permitiu aos pesquisadores visualizar e estudar as estruturas celulares internas de Asgard.    

A tomografia crioeletrônica foi empregada para visualizar a cultura de enriquecimento. As células de Asgard tinham corpos celulares cocóides e uma rede de saliências ramificadas. A estrutura da superfície celular era complexa. O citoesqueleto se estende por todos os corpos celulares. Os filamentos torcidos de fita dupla compreendem Lokiactina (ou seja, homólogos de actina codificados por Lokiarchaeota). Assim, as células de Asgard tinham um citoesqueleto complexo baseado em actina, que os pesquisadores propõem, anterior à evolução do primeiro eucariotos.  

Como a primeira evidência física/visual concreta da ancestralidade archaeal dos eucariotos, este é um progresso notável na biologia.

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Referências:  

1. Woese CR e Fox GE, 1977. Estrutura filogenética do domínio procariótico: Os reinos primários. Publicado em novembro de 1977. PNAS. 74 (11) 5088-5090. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088  

2. Huet, J., et al 1983. Archaebacteria e eucariotos possuem polimerases de RNA dependentes de DNA de um tipo comum. EMBO J. 2, 1291–1294 (1983). DOI: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x  

3. Iwabe, N., et al 1989. Relação evolutiva de arqueobactérias, eubactérias e eucariontes inferida a partir de árvores filogenéticas de genes duplicados. Proc. Natl Acad. ciência EUA 86, 9355–9359. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355  

4. Rodrigues-Oliveira, T., et al. 2022. Citoesqueleto de actina e arquitetura celular complexa em um arco de Asgard. Publicado: 21 de dezembro de 2022. Natureza (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y  

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