Um relacionamento a três bastante tóxico

A simbiose está no ar! Trabalho sobre simbiose publicado na semana passada elucida a produção de uma importante toxina envolvida na relação entre uma alga, uma lesma e uma bactéria.

É amplamente conhecido que uma das estratégias de defesa mais eficientes no oceano é a produção de compostos químicos tóxicos. Sabendo disso, cientistas, há décadas, exploram esses ambientes à procura de moléculas, também conhecidas como produtos naturais, para explorarem suas atividades e possíveis aplicações. Diversos desses produtos já são usados amplamente na indústria farmacêutica para fabricação de remédios contra câncer e analgésicos potentes, mas sabemos que ainda há uma enorme quantidade de compostos que ainda não conhecemos. Em alguns casos, não se sabe ainda muito bem como essas moléculas são produzidas pelos organismos que as detêm. Saber a sua origem e e o modo como essas moléculas são fabricadas (os passos metabólicos envolvidos em sua produção) é de grande importância para que possamos fabricá-las em laboratório. No entanto, não é só para biotecnologia e para indústria farmacêutica que o estudo dessas moléculas interessa.

Entender como ocorre a biossíntese de produtos naturais pode ajudar a responder questões de ciência básica superimportantes, relacionadas, por exemplo, à ecologia e evolução. Em alguns casos, as mesmas moléculas defensivas são compartilhadas por organismos muito distantes evolutivamente, trazendo perguntas sobre as origens dessas moléculas. Em alguns casos, a produção pode ser feita pelos próprios organismos, como em algumas algas. Em outros casos, por microrganismos simbiontes, como é comumente observado em algumas esponjas, corais, briozoários e tunicados. Por fim, essas moléculas podem ser consumidas na dieta e se acumular no corpo dos animais, como ocorre em vários moluscos. Este último é o exemplo do caso a três que é tema deste post.

A alga havaiana Bryopis sp. é conhecida por sintetizar uma molécula tóxica chamada de Kahalalido (ver figura abaixo). Existem vários tipos dessas moléculas e já foi relatado que elas têm ação antifúngica e antitumoral.

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Figura 1: Representação esquemática de diversos tipos de moléculas da toxina Kahalalido encontradas em estudo de Jindong Zan e colaboradores publicado na Science.

Pois bem, também já se sabia que lesmas do gênero Elysia têm uma característica muito interessante, além de serem “imunes” às toxinas das algas Bryopsis, elas acumulam os kahalalidos, apresentando concentrações dessas moléculas maiores do que aquelas encontradas nas próprias algas! Ou seja, as lesmas também se tornam extremamente venenosas para seus predadores. O que não se sabia, no entanto, era como essa toxina era produzida. Outra característica muito interessante dessas pequenas lesmas é que elas mantêm cloroplastos ativos no seu aparelho digestivo, sendo capazes de fazer fotossíntese. O nome que se dá a este fenômeno é cleptoplastia, é isso mesmo que você está pensando, o termo vem de roubar, como no termo  cleptomaníacos.

A estrutura dos kahalalidos sugere que essas moléculas sejam possivelmente sintetizadas por microrganismos, pois possuem aminoácidos que não são usados para a síntese de proteínas (e.g., ornitina, dehidrobutiratina e vários D-aminoácidos) e também um lipídeo chamado moietina. Genes reponsáveis pela síntese desses aminoácidos e lipídeos foram encontrados no genoma da bactéria e sua atividade (expressão) foi confirmada por transcriptômica. Essas características motivaram os autores de um trabalho publicado na revista Science a conjecturarem que essa molécula é produzida por um terceiro ator nessa relação simbiótica, possivelmente uma bactéria ou um fungo. Eles empregaram metodologias de ponta para estudar os detalhes moleculares e evolutivos deste sistema biológico tão pouco usual. O estudo envolveu metagenômica, metatranscriptômica, análises químicas, microscopia e genômica evolutiva.

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Dois dos três participantes do “relacionamento tóxico”, a lesma Elysia rufescens (https://www.pinterest.com/pin/389279961514777413/) e a alga Bryopsis sp.  (https://www.hawaii.edu/reefalgae/invasive_algae/chloro/bryopsis_pennata.htm). Infelizmente, a única imagem disponível da bactéria envolvida na relação simbiótica a mostra apenas como alguns pixels, no trabalho de Zan e colaboradores.

Os autores descobriram uma nova bactéria que nunca tinha sido cultivada e isolada anteriormente e a chamaram de “Candidatus Endobryopsis kahalalidefaciens”. O termo Candidatus se refere a microrganismos que ainda não foram isolados em meio de cultivos, mas informações contidas em seus genomas apontam para novas espécies (em alguns casos, gêneros ou até mesmo filos!). Tratamos já de alguns microrganismos Candidatus em um post anterior aqui no Darwinianas. Os pesquisadores descobriram que essa bactéria vive obrigatoriamente dentro das células da alga, mas não no molusco. Assim como outros simbiontes intracelulares, Candidatus Endobryopsis kahalalidefaciens tem genoma reduzido e perdeu funções básicas, como, por exemplo, a biossíntese de aminoácidos. No entanto, apesar de sua capacidade metabólica reduzida, os autores mostraram que elas são capazes de sintetizar os mesmos kahalalidos identificados na alga. Muito interessante também que os compostos básicos utilizados pela bactéria são produzidos pela alga. A bactéria serve como uma linha de montagem, fabricando esses compostos para a alga, sendo mais de 25% de sua atividade metabólica dedicada à síntese dessas moléculas. Isso sugere que a produção dessa molécula é um importante atributo evolutivo dessa simbiose.

Estudos feitos em equipes interdisciplinares, empregando diversas abordagens e tecnologias de ponta, têm ajudado a explicar um pouco melhor os mecanismos por trás de fenômenos tão importantes e interessante como o caso a três da lesma, alga e bactéria. Além da importância do conhecimento básico gerado por esse tipo de trabalho, aplicações em médio e curto prazo podem surgir a partir desse conhecimento. Por isso, é muito importante que investimentos cada vez maiores sejam destinados à pesquisa básica. Assim, poderemos solucionar grandes problemas e viver num mundo melhor, mais sustentável e mais justo.

 

Pedro Milet Meirelles

Laboratório de Bioinformática e Ecologia Microbiana

Instituto de Biologia da UFBA

meirelleslab.org

 

Para Saber mais:

Costa-Lotufo, Letícia Veras, Wilke, Diego Veras, Jimenez, Paula Christine, & Epifanio, Rosângela de A.. (2009). Organismos marinhos como fonte de novos fármacos: histórico & perspectivasQuímica Nova32(3), 703-716.

Desriac F, Jégou C, Balnois E, Brillet B, Chevalier P, Fleury Y. Antimicrobial peptides from marine proteobacteria. Marine drugs. 2013 Oct;11(10):3632-60

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