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O que é o Último Ancetral Comum Universal (LUCA)?

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outubro 1, 2015 by Cesar Aguiar Filho

Imagem F: a árvore filogenética da vida. Bem no centro está LUCA. Em rosa estão os eucariotos; azul, as bactérias; e verde os archaea. Fonte: Wikimedia Commons.

Anthony M. Poole

No estudo do início da vida na Terra, um nome sustenta o resto: LUCA. LUCA não é o nome de um cientista famoso nessa área; é uma abreviação para Last Universal Common Ancestor (Último Ancestral Comum Universal), uma célula única que viveu possivelmente entre 3-4 bilhões de anos atrás, a partir da qual evoluiu toda a vida. Incrivelmente, todas as coisas vivas que vemos ao nosso redor (e muito mais que podemos ver com a ajuda de um microscópio) estão relacionadas. Podemos dizer que a vida na Terra surgiu apenas uma vez.

Respostas no código genético

A vida existe em todas as formas e tamanhos, desde humanos até bactérias. Então

como sabemos que a vida evoluiu de uma única célula? As respostas estão escritas na linguagem do código genético. (imagem A)

  • O código genético é a linguagem com a qual genes são escritos no DNA.
  • Genes são receitas para se fazer proteínas.
  • Proteínas fazem de tudo nas células, desde DNA até a digestão da comida que comemos, extraindo seus nutrientes.

    Imagem A: tabela padrão (universal) do código genético. Fonte: NIH.gov.

    Imagem A: tabela padrão (universal) do código genético.
    Fonte: NIH.gov.

Incrivelmente, o mesmo código é usado em humanos e bactérias, por isso um gene de humano pode ser colocado em uma bactéria, e a bactéria irá fazer uma proteína humana – assim é produzida a insulina.

Sendo o código genético universal para toda a vida, diz-nos que tudo está relacionado. Toda a vida se regenera produzindo descendentes. Ao longo do tempo pequenas mudanças na prole resultam em alterações nas receitas de proteínas. Como as receitas são escritas na mesma língua (código genético), é possível comparar essas receitas para construir o equivalente a uma árvore genealógica.

Árvores genealógicas

Imagem B: aglomerado de células Halobacterium sp. cepa NRC-1. Os Archaea são um grupo de microorganismos unicelulares. Foto: NASA.

Imagem B: aglomerado de células Halobacterium sp. cepa NRC-1. Os Archaea são um grupo de microorganismos unicelulares. Foto: NASA.

Desta forma, os biólogos conseguiram fazer a mãe de todas as árvores genealógicas – a árvore da vida. A árvore tem o objetivo de estabelecer as relações entre todas as coisas vivas, e já revelou algumas surpresas. O mais impressionante é a descoberta dos archaea (imagem B). Esses são organismos simples que, olhando para eles, são indistinguíveis de bactérias (imagem C). Antes do protótipo da árvore da vida ser construído em 1977, pensava-se que a vida tinha dois grandes ramos, os eucariotos (plantas, animais e fungos) e os procariotos (bactérias, e agora as conhecidas archaea). A decisão de dividir a vida em dois ramos foi em grande parte com base nas diferenças visuais entre as células. Todos os eucariotos possuem um núcleo celular (imagem D), enquanto os procariotos não (imagem E). Mas apesar das aparências, Archaea e Bactéria são tão diferentes um do outro tanto quanto são de eucariotos. A árvore da vida é agora conhecida por consistir em:

Imagem C: microscopia eletrônica de varredura em uma bactéria Escherichia coli bacilli. Imagem: NIH.

Imagem C: microscopia eletrônica de varredura em uma bactéria Escherichia coli bacilli. Imagem: NIH.

  • Archaea
  • Bacteria
  • Eukarya

É espantoso que há 25 anos estávamos alegremente inconscientes de que nós e bactérias compartilhávamos o planeta com uma terceira forma de vida!

Reconstruindo LUCA

A árvore da vida é sem duvida uma das grandes realizações na biologia (imagem F). Mas para alguns pesquisadores, é apenas um meio para um fim. Estes investigadores estão tentando reconstruir LUCA, a

Imagem F: a árvore filogenética da vida. Bem no centro está LUCA. Em rosa estão os eucariotos; azul, as bactérias; e verde os archaea. Fonte: Wikimedia Commons.

Imagem F: a árvore filogenética da vida. Bem no centro está LUCA. Em rosa estão os eucariotos; azul, as bactérias; e verde os archaea. Fonte: Wikimedia Commons.

célula da qual se originou toda a vida. A pergunta que estão fazendo é: “Quais as características dos Archaea, Bacteria e Eukaria podem ser rastreadas até o seu ancestral comum, LUCA?”. Esta deve ser uma tarefa simples – basta comparar os três grupos e escolher as características comuns entre todos. Por direito, a reconstrução de LUCA deve ser feita com 70 ou mais genomas completos. (O genoma abriga todos os genes de um organismo, e um “catálogo” destes genes é obtido por sequenciamento do DNA dos organismos.) Infelizmente não é assim tão simples, por duas razões:

  • Genes se perdem
  • Genes podem ser trocados

Como podemos dizer se um gene é antigo?

  • A implicação de genes que estão sendo perdidos é que quando comparamos genomas para ver quais genes são comuns em toda a vida (ou seja, que são “universal”), nós subestimamos o número de genes que estiveram originalmente em LUCA. Alguns dos genes que não são universais podem ser adicionados a LUCA, pois pistas sobre sua origem podem ser encontradas sabendo o que eles fazem. Embora possamos fazer um palpite se um gene não universal estava em LUCA, a maioria dos genes não universais são, provavelmente, “novas invenções”, específicas para um dos três grandes ramos da árvore. Na verdade, muitos podem ser específicos de apenas um grupo, como por exemplo, em Archaea.
  • Outra forma de verificar se um gene é antigo, é olhar para saber se é uma receita para uma proteína ou RNA. Esta é uma pista importante porque alguns RNAs remontam a um período ainda mais cedo do que o tempo em que viveu LUCA. A lógica é assim: se um RNA é mais velho do que LUCA, então LUCA o tinha também, mesmo que o RNA não seja mais universal.

Apesar de ser complicado lidar com genes perdidos, não é um obstáculo intransponível – significa apenas que reconstruir LUCA será salpicado de adivinhações, e provavelmente algumas lacunas. Mas a troca de genes é outra questão, que ameaça derrubar a árvore da vida, e levar LUCA para o lixo.

Transferência horizontal de genes

Troca de genes (ou transferência horizontal de genes, como é muitas vezes chamada pelos biólogos) é conhecida há décadas. O que os biólogos só agora estão começando a olhar é a taxa em que os genes são transferidos entre organismos. Comparando duas bactérias da mesma espécie, revelam-se grandes diferenças. Por exemplo, Escherichia coli é uma bactéria intestinal comum que faz parte da nossa flora intestinal natural. Mas a cepa O157: H7 provoca doenças gastrointestinais graves.  O genoma de ambas variantes, a inofensiva K-12, e a O157: H7 têm sido comparado, e o resultado é notável.

  • 1387 de 5416 (26%) dos genes de O157: H7 não estão presentes na K-12.
  • 528 de 4405 (12%) dos genes de K-12 não estão presentes na O157: H7.

Muitos dos genes de O157: H7 são, indiscutivelmente, genes estranhos que foram emprestados de outros lugares. Se compararmos duas pessoas, ou mesmo uma pessoa com um chimpanzé, não existe nenhum tipo de variação como essa – os seres humanos todos compartilham os mesmos genes, e os seres humanos e os chimpanzés podem muito bem ter apenas um punhado de genes que são diferentes entre as duas espécies. Em um nível mais amplo, a já famosa comparação entre Escherichia coli K-12 e Salmonella enterica (outra espécie de bactéria frequentemente responsável ​​pela intoxicação alimentar) concluiu que:

  • No mínimo, 17% do genoma da K-12 foi emprestado, uma vez que essas duas bactérias dividem de um ancestral comum a cerca de 100 milhões de anos atrás.
  • LUCA teria habitado a Terra a 3-4 bilhões de anos atrás, por isso, se todos os genes são tão facilmente modificados, qualquer evidência para LUCA teria efetivamente sido comprometida, já que genes podem ser tão severamente trocados.

Então, onde é que isto deixa LUCA? Um pessimista diria que LUCA está fora de alcance. No entanto, está longe de ser óbvio que todos os genes são igualmente trocados. Alguns, como os genes para resistência a antibióticos, são genes equivalentes a “ciganos”:

  • Quando o antibiótico está presente, eles proporcionam uma bactéria com resistência.
  • Uma vez que os antibióticos desaparecem, eles também são frequentemente perdidos.

Outros genes produzem proteínas que se ligam a outras proteínas, formando uma espécie de quebra cabeça 3D. A capacidade de trocar uma peça do quebra-cabeça de um organismo pela equivalente de outro organismo vai depender de quão semelhante elas são. As Escherichia coli K-12 e O157:H7 provavelmente poderiam trocar tais genes com relativa facilidade, mas entre uma bactéria e uma Archaea, por exemplo, essa troca provavelmente não seria possível, mesmo que essas peças do quebra-cabeça desempenhassem o mesmo papel biológico. Essa troca de receitas ocorre com tanta frequência em outros ramos da árvore? Nós animais não fazemos esse tipo de troca como as bactérias, mas já fizemos no passado. Há provas contundentes de que somos parte bactéria.

  • Nossa ascendência bacteriana vem na forma das mitocôndrias (imagem G, pequenas usinas alojadas em nossas células).
  • O DNA de sua mitocôndria é minúsculo, com apenas um punhado de genes. A mitocôndria foi uma bactéria que fixou residência e iniciou uma parceria com um de nossos distantes ancestrais unicelulares.
  • Desde então, a maior parte do DNA da bactéria original foi jogado fora, mas boa parte desse DNA acabou em nosso núcleo (imagem D).

A boa noticia é que, estamos sendo bem sucedidos em descobrir quais pedaços do nosso DNA vieram das mitocôndrias, e quais pedaços já estavam lá.  Então, de certa forma, pode ser possível separar as partes da árvore da vida. Mas é o suficiente para salvar LUCA?

Um ou vários LUCAs?

Carl Woese, um dos grandes pesquisadores responsáveis por reconstruir a árvore da vida, deu outra pista para o quebra-cabeça LUCA. Ele e seus pesquisadores, sugerem:

  • LUCA realizava troca de genes, com muito mais frequência que as bactérias modernas.
  • A troca de genes já foi mais importante do que a herança de pais para filhos, e que os primeiros Archaea, bactérias e eucariotos surgiram de forma independente a partir de um “mar” de transferência de genes.

Não está claro como suas reivindicações puderam ser testadas, mas são certamente alimento para o pensamento – se ele está certo de que não houve apenas um LUCA, e sim uma comunidade de genes transmissíveis associados às células.

O júri ainda não sabe como reconstruir LUCA, e se a transferência horizontal de genes irá transformar essa tarefa em futilidade. No entanto, se nem todos os genes se comportam igual no jogo da transferência horizontal, os biólogos ainda têm uma chance. De qualquer maneira, há uma abundância de desafios emocionantes e muitas incógnitas para aqueles que tentam construir a árvore da vida, reconstruir as nossas origens. Por exemplo, apenas este ano, um membro de um novo grupo de archaea microscópico foi identificado em alto mar. Para lhe dar uma noção de perspectiva quanto ao significado desta descoberta, é equivalente à descoberta da primeira planta. Se havia um ou muitos LUCAs, estes são tempos excitantes.

Nota do editor: como complemento, o artigo original sobre LUCA, por AM Poole, também é fornecido neste artigo.

Originalmente publicado em ActionBioscience.org. Traduzido e publicado com permissão.

Tradução: Geraldo Cesar de Aguiar Filho