Conheça o micróbio obscuro que influencia o clima, os ecossistemas oceânicos e talvez até a evolução

Conheça o micróbio obscuro que influencia o clima, os ecossistemas oceânicos e talvez até a evolução

Por Elizabeth PennisiMar. 9, 2017, 08:00

Penny Chisholm teve um caso de amor de 35 anos com um micróbio. Para ela, tem sido o parceiro perfeito, indescritível durante o namoro, uma fonte de realização intelectual e ainda cheio de mistério décadas após a sua introdução durante um cruzeiro oceânico.

Penny Chisholm criou um micróbio fotossintetizador chamado Prochlorococcus (green), o trabalho de sua vida.

FOTO: KEN RICHARDSON

Olhando, o objeto de sua paixão é apenas um mote verde, flutuando em grande número nos oceanos do mundo. Mas Chisholm encontrou complexidade oculta no Prochlorococcus, uma cianobactéria que é a célula fotossintetizadora mais pequena e mais abundante do oceano, responsável por 5% da fotossíntese global, segundo algumas estimativas. Suas muitas versões diferentes, ou ecótipos, prosperam da superfície do mar iluminada pelo sol até uma profundidade de 200 metros, onde a luz é mínima. Coletivamente, a "espécie" possui cerca de 80.000 genes quatro vezes o que os humanos têm, e muito para lidar com o que os oceanos do mundo jogam nela. "É uma pequena e bela máquina da vida e como um superorganismo", diz Chisholm. "Tem uma história para nos contar."

E diga que Chisholm tem, para qualquer pessoa e de qualquer maneira possível. Seu trabalho no micróbio levou a uma reunião com um presidente dos EUA, a um debate com o Dalai Lama e a co-autoria de livros infantis com temas científicos. Ela até tentou convencer a estrela do hip-hop GZA a incorporar o nome da bactéria em uma música de rap de um álbum que ele estava pensando nos oceanos. "Ela é realmente motivada a vender o Prochlorococcus ", diz Allison Coe, gerente de laboratório de Chisholm. "Ela quer que todos os outros sejam tão apaixonados e considerem isso incrível como ela pensa que é".

A longa subida do micróbio ao reconhecimento espelha a própria de Chisholm. No início de sua carreira, como solitária e bióloga, no departamento de engenharia civil do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), em Cambridge, ela teve que superar obstáculos científicos e culturais, adotando as mais recentes técnicas para revelar os conhecimentos de Prochlorococcus . segredos enquanto trabalha com outras faculdades para fazer com que o MIT lide com a discriminação de gênero. Sua persistência silenciosa inspirou os outros. Chisholm, que nos últimos anos recebeu a Medalha Nacional de Ciência e nomeado um dos 13 professores do Instituto do MIT, enviou "uma mensagem importante para futuros acadêmicos", diz Heidi Sosik, oceanógrafo biológico da Instituição Oceanográfica de Woods Hole (WHOI) em Massachusetts. "Você não precisa ser um cara branco de alto perfil e blustery para conseguir."

A estatura de seu parceiro microbiano também cresce. Sua influência sobre o clima é agora apreciada, por exemplo. E Chisholm e dois colegas em breve apresentarão evidências para um cenário em que Prochlorococcus é um ator central na evolução. Eles propõem que ele não é apenas responsável por grande parte do oxigênio que respiramos hoje, mas também alimentou a explosão do início da vida nos oceanos e o antigo aumento do oxigênio na atmosfera da Terra. Como disse o oceanógrafo do MIT, Mick Follows, Chisholm "nos mostrou lindamente como esse micróbio funciona e como o mundo dos oceanos está organizado".

Estatísticas vitais de um micróbio

FOTO: N. WATSON E L. THOMPSON, MIT

Chisholm diz que, como mulher de seu tempo, estudou na década de 1960 principalmente "para encontrar um marido". No entanto, como estudante de graduação, ela explorou a química dos lagos e, depois que um professor a pressionou, decidiu seguir um doutorado. Na Universidade Estadual de Nova York, em Albany, ela estudou a variação de 24 horas na ciclagem de nutrientes em Euglena, um fotossintetizador de célula única como o Prochlorococcus, mas encontrado em água doce. Em seguida, ela foi para a Scripps Institution of Oceanography em San Diego, Califórnia, por uma razão muito prática: havia mais financiamento para a ecologia microbiana marinha do que para a água doce.

Em 1976, o MIT veio telefonar. Na época, seu departamento de engenharia civil tentava se tornar mais "ambiental" contratando um microbiologista, uma tendência já evidente em muitos departamentos semelhantes em outros lugares. Ela aceitou, mas estava tão convencida de que não conseguiria o mandato que levou muitos anos para considerar comprar uma casa. Era fácil perceber por que ela não se encaixava. Uma foto antiga do departamento mostra uma jovem loira pequena entre um mar de homens brancos de meia-idade. Além disso, os outros biólogos do campus tinham uma inclinação biomédica ou molecular, bem diferente do mundo ecológico confuso em que ela estava mergulhando.

Mas o MIT, por meio de sua afiliação à WHOI em Cape Cod, ofereceu a Chisholm uma chance de ir ao mar, procurando respostas para uma pergunta que havia começado a cativá-la: como os micróbios influenciam o oceano. "Ela pensava que havia coisas novas a descobrir e [os cientistas] só precisavam encontrar maneiras de observar o oceano em uma resolução cada vez maior", diz Alexandra Worden, do Instituto de Pesquisa do Aquário de Monterey Bay, em Moss Landing, Califórnia, que estuda o evolução dos micróbios oceânicos.

Na década de 1980, a maioria dos organismos de flutuação livre do oceano, ou plâncton, passou praticamente despercebida, porque eram pequenos demais para serem detectados em um microscópio óptico. Mas outros pesquisadores identificaram um punhado de bactérias marinhas fotossintéticas. Chisholm e seu primeiro pós-doutorado Robert Olson decidiram peneirar a água do mar com um citômetro de fluxo, um dispositivo de laboratório que usa um laser para visualizar e classificar células individuais, para aprender mais sobre elas. Com ele, Olson notou um inesperado sinal fluorescente vermelho tão pequeno que eles primeiro pensaram que se tratava de ruído eletrônico. Mas o sinal variou dependendo da profundidade e temperatura da amostra de água que está sendo analisada, sugerindo que pode vir de algo vivo.

Chisholm não estava satisfeito por terem encontrado uma nova forma de vida até os colaboradores fotografarem as minúsculas células sob um microscópio eletrônico e outro grupo rastrear o sinal vermelho para a clorofila do micróbio e outros pigmentos. Em 1988, eles publicaram sua descoberta. Em 1992, quando o chamaram Prochlorococcus, a "baga verde primitiva", eles perceberam que não eram os primeiros a ver o micróbio. Mas ninguém havia reconhecido que representava um novo organismo. "Estávamos no lugar certo, na hora certa, com os instrumentos certos para que essas células dissessem quem eram", diz Chisholm.

Durante anos, como ninguém conseguia manter o Prochlorococcus vivo em um laboratório, a única maneira de estudá-lo era no mar. E mesmo que Brian Palenik, agora oceanógrafo da Scripps, tenha finalmente conseguido cultivá-lo em um tubo de ensaio em 1990, demorou mais 10 anos para que alguém pudesse sustentar as culturas puras necessárias para muitos experimentos. Ainda hoje, ninguém foi capaz de manipular o Prochlorococcus geneticamente, uma abordagem padrão para o estudo de outros organismos.

Apesar desses desafios, Chisholm foi rapidamente seduzido pela descoberta de sua equipe, suspeitando que esse organismo simples e abundante pudesse ser um participante importante na ecologia marinha. Porém, quando seu relacionamento com Prochlorococcus estava começando a florescer, Chisholm desviou para um estágio mais público, depois de receber uma ligação que, segundo ela, "mudou minha vida". Nancy Hopkins, uma pesquisadora de câncer do MIT que ela conhecia casualmente, achava que a escola estava discriminando as professoras no espaço, pagamento e apoio do laboratório. Hopkins havia escrito uma carta pedindo uma investigação e queria mais apoiadores. Chisholm nunca se considerou feminista ou ativista, mas como todas, exceto uma das 17 outras professoras seniores da época, ela assinou. "Ficamos realmente chateados que as coisas não estavam mudando para as mulheres", lembra Chisholm.

Eles levaram suas preocupações a um reitor do MIT em 1995 e receberam apoio de um comitê de investigação para coletar dados sobre o número de cargos de professor e administrativo ocupados por mulheres, salários, tamanho de laboratórios e muito mais. "[Penny] foi uma das pessoas que trouxe uma abordagem mais positiva, vamos entender isso", diz a biogeoquímica Diane McKnight, da Universidade do Colorado em Boulder, uma ex-aluna do laboratório de Chisholm.

Quando estudante de graduação, Chisholm estudou Euglena, um micróbio fotossintetizador de água doce, antes de focar em Prochlorococcus .

FOTO: UNIVERSIDADE ESTADUAL DE NOVA IORQUE EM ARQUIVOS EM ALBANY

Depois de trabalhar nos bastidores por quase 2 anos, o comitê fez uma série de recomendações que a administração do MIT rapidamente adotou. Quando um resumo da investigação chegou à mídia em 1999, "foi um tiro ouvido em todo o mundo", lembra Chisholm. "Tornou-se um grande movimento." Os líderes do MIT responderam construtivamente, ela acrescenta. "Olhando para trás, como eram as coisas quando cheguei aqui e como estão as coisas agora, há uma tremenda mudança", diz ela.

Depois de ajudar a elevar o perfil das mulheres cientistas, Chisholm chamou a atenção de seu micróbio favorito. À medida que ela e seus alunos e pós-docs cultivavam amostras em condições variadas no laboratório, eles identificaram cinco principais ecotipos de Prochlorococcus, cada um adaptado a uma combinação diferente de luz e temperatura. Nas câmaras de crescimento de seu laboratório, eles são fáceis de distinguir: alguns são de um verde brilhante, enquanto outros têm um tom amarelado. Cada uma produz um pigmento absorvente de luz diferente, de modo que, em sua profundidade específica, "é a máquina fotossintética mais eficiente", diz Chisholm.

Quando o Joint Genome Institute do Departamento de Energia dos EUA começou a sequenciar micróbios em 2003, Chisholm convenceu-o a sequenciar duas cepas de Prochlorococcus - isso no momento em que sequenciar um único micróbio era um grande negócio - para que ela pudesse avaliar diferenças genéticas entre as formas adaptadas a baixos e altos níveis de luz. "Isso foi muito ganancioso da minha parte", ela sorri. Sua equipe descobriu que o genoma do ecótipo adaptado à luz era muito simplificado - 1, 7 milhão de bases com apenas 1700 genes. "É um dos organismos autossustentáveis ​​mais simples que conhecemos", diz Jamie Becker, pós-doc de Chisholm. O genoma da versão com pouca luz possui 2, 4 milhões de bases, com 2275 genes, incluindo alguns que podem permitir que o micróbio funcione melhor com pouca luz e evitar danos causados ​​pelo sol, caso acabe de alguma forma na superfície.

À medida que novas tecnologias moleculares surgiam - microarranjos que documentam a atividade gênica e os métodos proteômicos que observam as proteínas presentes, por exemplo - Chisholm e seus alunos e pós-docs foram rápidos em aprender e aplicá-las. Ela os credita por todos os seus sucessos. "Quando digo 'nós', quero dizer 'eles'", ela comentou em uma palestra sobre o trabalho de sua vida. Quando a graduação Jed Fuhrman trabalhou em seu laboratório e contribuiu para um artigo publicado na Nature, "ela não teve problemas em entregar a primeira autoria, mesmo sendo nova professora" e escreveu a maior parte do artigo, lembra ele. (Fuhrman agora é oceanógrafo biológico na Universidade do Sul da Califórnia, em Los Angeles.)

Juntos, seu laboratório descobriu que cada um dos principais ecótipos de Prochlorococcus possui sua própria "ilha" genômica, um fragmento de genes que confere adaptações específicas ao ambiente. Uma ilha ajuda o micróbio a sobreviver em águas com muito baixo teor de fósforo, por exemplo. Os bacteriófagos, vírus que infectam bactérias e podem captar ou depositar material genético, podem mover essas ilhas e outros genes entre ecótipos, sugeriu em 2004 o pós-doc de Chisholm, Debbie Lindell, proposto em 2004, garantindo assim que os micróbios possam se adaptar às mudanças nas condições.

O laboratório de Chisholm permaneceu pequeno até cerca de 15 anos atrás, quando as evidências crescentes de que os micróbios oceânicos são os principais atores da biosfera convenceram três fundações - Seaver, Gordon e Betty Moore e Simons - para despejar milhões em estudá-los. O laboratório passou de um punhado de pesquisadores para dezenas, que não apenas podiam passar semanas no mar, amostrar e coletar dados, mas também poderiam retornar ao laboratório para tentar maneiras inovadoras de investigar como o micróbio funcionava. "Foi quando tudo ficou emocionante", diz Chisholm.

A amostragem mundial mostrou que os cinco ecótipos primários não começaram a capturar a diversidade de Prochlorococcus . O seqüenciamento revelou centenas de cepas coexistindo mesmo em apenas um mililitro de água do mar, cada uma com mais de 100 genes distintos. E quando se tornou possível sequenciar genomas a partir de células únicas - uma técnica - o laboratório de Chisholm foi pioneiro em micróbios marinhos - cada linhagem acabou por abranger ainda mais variações genéticas. "Não é um bug, é uma família inteira de coisas que se encaixam", diz Olson, agora na WHOI.

Embora cada célula tenha apenas cerca de 2.000 genes, o Prochlorococcus como um todo possui um "pan-genoma" de talvez 80.000 genes, estimam Chisholm e seus colegas. "É uma tonelada de informação para esses pequenos", diz ela, e deve ser o segredo do sucesso de Prochlorococcus . Seu enorme repertório genômico permite lidar com as condições em uma vasta faixa dos oceanos, dominando mares quentes de 40 `` Norte a 40 '' Sul (veja o mapa abaixo).

O pasto invisível do mar

Com base nos dados de micróbios oceânicos e marinhos coletados pelos pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, este modelo descreve os tipos mais dominantes de fitoplâncton nos oceanos do mundo, com Prochlorococcus dominando grande parte do globo e diatomáceas maiores dominando mais perto dos pólos.

IMAGEM: PROJETO MIT DARWIN, ECCO2, MITGCM / OLIVER JAHN (MIT), CHRIS HILL (MIT), MICK FOLLOWS (MIT), STEPHANIE DUTKIEWICZ (MIT), DIMITRIS MENEMENLIS (JPL)

Essas águas contêm um número estimado de 3 bilhões de bilhões de células de Prochlorococcus, pesando coletivamente até 220 milhões de Fuscas. Essa abundância faz do micróbio um peso pesado nas redes alimentares oceânicas e no clima. É uma fonte importante de alimento nas regiões pobres em nutrientes do oceano onde floresce, diz Becker. "O proclorococo produz matéria orgânica que outros microrganismos comem". E por causa de seu papel no ciclo do carbono, o micróbio regula significativamente os níveis de dióxido de carbono (CO2) que aquece o clima, diz Chisholm.

No entanto, Chisholm não se sente à vontade com propostas para conter o aquecimento global, manipulando a vida do oceano para capturar mais CO 2 . Em 2001, ela se manifestou vigorosamente contra as propostas de fertilizar os oceanos com ferro para estimular o crescimento do fitoplâncton, coautor de um artigo da Science que alertou para possíveis conseqüências imprevistas. Anos depois, em 2012, ela debateu publicamente a posição "vamos tentar" do Dalai Lama quando os dois estavam em um painel no MIT.

Apesar de sua visibilidade atual, Chisholm ainda sente grande parte da insegurança que a sobrecarregou no início de sua carreira. Quando foi nomeada professora do Instituto, por exemplo, ela se perguntou: "Como isso poderia ser?" ela lembra. "Eu não me sinto esse tipo de pessoa."

Ela admite que a sensação de ser impostora continua a persegui-la. Ela ainda trabalha longas horas ... "Eu nunca poderia fazer malabarismos com tantas coisas", diz Coe. "Mas quanto mais velha ela fica, mais preocupada fica." Em 2013, a ansiedade de Chisholm sobre o laboratório e o futuro de suas culturas de Prochlorococcus se ela se aposentar foi tão palpável que começou a desenvolver pequenos problemas de saúde. O início das aulas de tai chi deu-lhe uma nova perspectiva. "Eu precisava fazer algo para me tirar da cabeça", lembra ela. Ela também encontrou uma saída, com a artista e autora Molly Bang, escrevendo livros de ciências para crianças, apresentando o sol como narrador. Um conta a história do "pasto invisível do mar".

Ela continua sendo levada a desvendar a história de Prochlorococcus . Em 2014, por exemplo, as micrografias eletrônicas feitas em seu laboratório revelaram pequenas vesículas brotando das células de Prochlorococcus ; Mais tarde, seu pós-doutorado Steven Biller mostrou que cada célula libera de duas a cinco bolhas de membrana lipídica cheias de DNA e RNA por geração - fontes possíveis de alimentos para outro plâncton, iscas para vírus, veículos de transferência de genes ou até mensageiros que se comunicam com outros micróbios. Biller descobriu que outras bactérias marinhas também produzem essas vesículas. "Esse foi um novo recurso do ecossistema oceânico", diz Chisholm.

Em outra dica de que o Prochlorococcus constrói parcerias extensivas com outros micróbios marinhos, o laboratório de Chisholm descobriu que secreta uma ampla variedade de peptídeos, ou fragmentos curtos de proteína, que em outros organismos têm atividade antimicrobiana ou sinalizadora. O proclorococo possui até 1500 peptídeos diferentes por célula, de acordo com o trabalho de Andrés Fernando Cubillos-Ruiz, agora pós-doutorado no MIT em outro laboratório. Os peptídeos parecem fornecer alimento para outros micróbios oceânicos muito abundantes e alguns deles secretam uma enzima que desintoxica moléculas de oxigênio reativas. O proclorococo não produz a enzima em si, mas pode ser capaz de absorvê-la da água ao redor. Os peptídeos também podem sinalizar outros micróbios nas águas circundantes, embora as mensagens que eles carregam não sejam claras. "Continuo sendo humilhado pelas principais coisas que aprendemos com o Prochlorococcus que mudam a maneira como pensamos sobre os oceanos", diz Chisholm.

A minúscula e poderosa bactéria também pode mudar o pensamento sobre a vida em terra. O pós-doutorado de Chisholm, Rogier Braakman, reuniu a história evolutiva de Prochlorococcus, baseando-se nos genes ativos em diferentes ecótipos e nas condições em que vivem. Braakman está examinando se a atividade metabólica do micróbio centenas de milhões de anos atrás poderia ter ajudado a abrir caminho para a vida explodir fora dos oceanos, diminuindo o dióxido de carbono atmosférico e aumentando o oxigênio no ar. Esse cenário tem muitas perguntas, diz Chisholm, mas sua importância potencial "faz valer a pena gastar tempo para conectar os pontos".

Aos 68 anos, ela está ansiosa para continuar fazendo essas conexões. "Eu provavelmente deveria estar pensando em me aposentar, mas não sou porque Prochlorococcus é muito interessante", diz Chisholm. "Estou realmente muito agradecido por ter esse organismo em minha vida."