À primeira vista, as águas ligeiramente turvas no tubo parecem uma colher de água da chuva, completa com folhas, detritos e fios ainda mais leves na mistura. Mas na placa de Petri, os finos fios semelhantes a aletria flutuando delicadamente acima dos detritos das folhas são revelados como células bacterianas únicas, visíveis a olho nu.
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O tamanho incomum é notável porque as bactérias geralmente não são visíveis sem a ajuda de um microscópio. “É 5 mil vezes maior que a maioria das bactérias. Para contextualizar, seria como um humano encontrando outro humano tão alto quanto o Monte Everest”, disse Jean-Marie Volland, cientista com nomeações conjuntas no Joint Genome Institute (JGI) do Departamento de Energia dos EUA (DOE), instalação localizada no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley National (Berkeley Lab) e no Laboratório de Pesquisa em Sistemas Complexos (LRC) em Menlo Park, Califórnia. Em artigo publicado na revista Science, Volland e colegas, incluindo pesquisadores do JGI e do Berkeley Lab, LRC, e da Universidade das Antilhas em Guadalupe (departamento ultramarino da França), descreveram as características morfológicas e genômicas dessa bactéria filamentosa gigante, juntamente com seu ciclo de vida.
Para a maioria das bactérias, seu DNA flutua livremente no citoplasma de suas células. Essa espécie de bactéria recém-descoberta mantém seu DNA mais organizado. “A grande surpresa do projeto foi perceber que essas cópias do genoma que estão espalhadas por toda a célula estão, na verdade, contidas em uma estrutura que possui uma membrana”, disse Volland. “E isso é muito inesperado para uma bactéria.”
Vista dos locais de amostragem em meio aos manguezais de Guadalupe. Crédito: Hugo Bret
Encontros estranhos nos manguezais
A bactéria foi descoberta por Olivier Gros, professor de biologia marinha da Universidade das Antilhas, em Guadalupe, em 2009. A pesquisa de Gros se concentra em sistemas de mangue marinho, e ele procurava simbiontes oxidantes de enxofre em sedimentos de mangue ricos em enxofre não muito longe de seu laboratório quando encontrou a bactéria pela primeira vez. “Quando vi, pensei: ‘Estranho’”, disse ele. “No começo pensei que era apenas algo curioso, alguns filamentos brancos que precisavam ser presos a algo no sedimento como uma folha.” O laboratório realizou alguns estudos de microscopia nos próximos dois anos e percebeu que era um procarionte (organismos unicelulares sem o nível de complexidade interna associada aos seres eucariotas, cujas células têm um núcleo cercado por uma membrana e com várias organelas) oxidante de enxofre.
Silvina Gonzalez-Rizzo, professora associada de biologia molecular da Universidade das Antilhas e coautora do estudo, realizou o sequenciamento do gene 16S rRNA para identificar e classificar o procarionte. “Pensei que fossem eucariotas; não pensei que fossem bactérias porque eram muito grandes, com aparentemente muitos filamentos”, afirmou sobre sua primeira impressão. “Percebemos que eles eram únicos porque pareciam uma única célula. O fato de serem um micróbio ‘macro’ era fascinante!”
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“Ela entendeu que era uma bactéria pertencente ao gênero Thiomargarita”, observou Gros. “Ela a chamou de Ca. Thiomargarita magnifica.”
“Esse tipo de descoberta abre novas questões sobre morfotipos bacterianos que nunca foram estudados antes”, explicou Gonzalez-Rizzo.
Filamento único de Ca. Thiomargarita magnifica. Crédito: Jean-Marie Volland
Caracterizando a bactéria gigante
Volland se envolveu com a bactéria gigante Thiomargarita quando voltou ao laboratório de Gros como pós-doutorando. No JGI, Volland começou a estudar a Ca. T. magnifica no Grupo de Células Únicas de Tanja Woyke para entender melhor o que essa bactéria oxidante de enxofre e fixadora de carbono estava fazendo nos manguezais.
“Os manguezais e seus microbiomas são ecossistemas importantes para a ciclagem de carbono. Se você olhar para o espaço que eles ocupam em escala global, é menos de 1% da área costeira do mundo.
Mas quando você olha para o armazenamento de carbono, descobrirá que eles contribuem com 10%-15% do carbono armazenado em sedimentos costeiros”, disse Woyke, que também lidera o Programa Microbiano do JGI e é uma das principais autoras do artigo.
A equipe também foi obrigada a estudar essas grandes bactérias à luz de suas potenciais interações com outros microrganismos. “Iniciamos este projeto sob o impulso estratégico do JGI de interações interorganismos, porque grandes bactérias sulfurosas demonstraram ser pontos quentes para simbiontes”, disse Woyke. “No entanto, o projeto nos levou a uma direção muito diferente”, acrescentou.
Volland aceitou o desafio de visualizar essas células gigantes em três dimensões e com ampliação relativamente alta. Usando várias técnicas de microscopia, ele visualizou filamentos inteiros de até 9,66 milímetros de comprimento e confirmou que eram de fato células únicas gigantes em vez de filamentos multicelulares, como é comum em outras grandes bactérias sulfurosas.
Ele também pôde usar as instalações de imagem disponíveis no Berkeley Lab, como microscopia confocal de varredura a laser e microscopia eletrônica de transmissão (TEM), para visualizar os filamentos e as membranas celulares com mais detalhes. Essas técnicas permitiram que ele observasse novos compartimentos ligados a membranas que contêm aglomerados de DNA. Ele apelidou essas organelas de pepins (“sementes”), em homenagem às pequenas sementes das frutas. Aglomerados de DNA eram abundantes nas células individuais.
Amostras da bactéria Thiomargarita foram coletadas em meio aos manguezais de Guadalupe. Crédito: Oliver Gros
Complexidade genômica
A equipe aprendeu sobre a complexidade genômica da célula. Como Volland observou, “essas bactérias contêm três vezes mais genes do que a maioria das bactérias e centenas de milhares de cópias do genoma (poliploidia) que estão espalhadas por toda a célula”. A equipe do JGI usou então genômica de célula única para analisar cinco das células bacterianas no nível molecular. Eles amplificaram, sequenciaram e montaram os genomas. Paralelamente, o laboratório de Gros também usou uma técnica de rotulagem conhecida como BONCAT para identificar áreas envolvidas nas atividades de produção de proteínas, que confirmou que todas as células bacterianas estavam ativas.
“Este projeto foi uma boa oportunidade para demonstrar como a complexidade evoluiu em alguns dos organismos mais simples”, disse Shailesh Date, fundador e CEO da LRC e um dos principais autores do artigo. “Uma das coisas que argumentamos é que há necessidade de olhar e estudar a complexidade biológica com muito mais detalhes do que o que está sendo feito atualmente. Assim, os organismos que pensamos serem muito, muito simples podem ter algumas surpresas.”
Várias questões de pesquisa
Para a equipe, caracterizar a Ca. Thiomargarita magnifica abriu caminho para várias novas questões de pesquisa. Entre elas, está o papel da bactéria no ecossistema de mangue. “Sabemos que está crescendo e prosperando em cima do sedimento do ecossistema de mangue no Caribe”, disse Volland. “Em termos de metabolismo, faz quimiossíntese, que é um processo análogo à fotossíntese das plantas.” Outra questão pendente é se as novas organelas chamadas pepinos desempenharam um papel na evolução do tamanho extremo de Thiomargarita magnifica, e se as sementes estão ou não presentes em outras espécies bacterianas. A formação precisa de sementes e como os processos moleculares dentro e fora dessas estruturas ocorrem e são regulados também continuam a ser estudados.
Gonzalez-Rizzo e Woyke veem o cultivo bem-sucedido das bactérias no laboratório como uma maneira de obter algumas das respostas. “Se pudermos manter essas bactérias em um ambiente de laboratório, poderemos usar técnicas que não são viáveis no momento”, disse Woyke. Gros quer olhar para outras bactérias grandes. “Você pode encontrar algumas fotos TEM e ver o que parecem sementes, então talvez as pessoas as tenham visto, mas não tenham entendido o que eram. Isso será muito interessante de verificar, se as sementes já estiverem presentes em todos os lugares.”
Pesquisadores do Museu Nacional de História Natural (França), da Universidade Sorbonne (França) e da Universidade Cornell (EUA) também estiveram envolvidos neste trabalho.
