Como a vida ficou multicelular? Cinco organismos simples podem ter a resposta

Por cerca de três bilhões de anos, organismos unicelulares governaram a Terra. Então, cerca de um bilhão de anos atrás, um novo capítulo da vida começou. As primeiras tentativas de equipe de equipe começaram a ficar, abrindo caminho para a evolução de organismos complexos, incluindo animais, plantas e fungos.

Em toda a vida conhecida, a mudança para a multicelularidade aconteceu pelo menos 40 vezes, sugere um estudo¹. Mas, em animais, parece ter ocorrido apenas uma vez.

A partir do início dos anos 2000, os pesquisadores interessados ​​neste evento notável fizeram uma série de descobertas inesperadas. A visão predominante sustentou que uma enxurrada de genes teve que evoluir para permitir as principais propriedades da multicelularidade²: A capacidade das células de se unir, comunicação usando sinais moleculares e a regulação coordenada da expressão gênica que faz com que cada célula se especialize e assuma sua posição no organismo. Mas estudos descobriram que alguns organismos unicelulares expressam uma série de proteínas que controlam as principais propriedades da multicelularidade em animais^3Assim,4. O kit de ferramentas molecular necessário para a multicelularidade parece ter existido bem antes que os primeiros animais surgissem.

“Este trabalho reescreveu nossa compreensão das origens animais”, diz William Ratcliff, biólogo evolutivo do Instituto de Tecnologia da Geórgia em Atlanta. “E isso nos faz fazer perguntas diferentes.”

As duas equipes por trás de grande parte desta pesquisa foram lideradas pelo biólogo evolutivo e geneticista Nicole King na Universidade da Califórnia, Berkeley, e pelo biólogo evolutivo Iñaki Ruiz-Trillo no Instituto de Biologia Evolutiva de Barcelona, ​​Espanha. Desde então, eles se expandiram para uma pequena comunidade de cientistas que desenvolveram mais de uma dúzia dessas espécies em organismos modelo. Todas essas espécies são eucariotos, que são distintos dos procariotos, pois têm um núcleo e pertencem a linhagens intimamente relacionadas a animais: Choanoflagelados, filasteranos, ictioesporianos e coralochitreanos (ver ‘Relativos Unicelulares’ ”). Muitas das espécies modelo se envolvem em multicelularidade, formando ocasionalmente colônias.

Parte do que torna esses organismos tão interessantes é o quão diferentes eles são-na aparência, os estágios da vida e a composição genética-dizem os pesquisadores. Cada um dos organismos, cinco dos quais são apresentados aqui, oferece uma espiada nos caminhos evolutivos que poderiam ter levado a animais. Olhando em várias linhagens para reunir, este evento se tornou “a filosofia dessa comunidade científica”, diz a bióloga molecular Elena Casacuberta, que administra em conjunto o laboratório em Barcelona com Ruiz-Trillo. “Somente com uma abordagem comparativa podemos tentar ter uma imagem mais precisa.”

O modelo superior

Salpingoeca Rosetta estava entre os organismos que King investigou em seu trabalho inicial sobre multicelularidade. Pertence aos Choanoflagelados, que são os parentes vivos mais próximos dos animais. Esse grupo divergiu de um ancestral comum com animais há mais de 600 milhões de anos.

Como outros Choanoflagelados, S. Rosetta Possui um corpo celular esférico que ostenta um colar de protrusões finas da membrana chamada microvilli, que são usadas para capturar bactérias varridas para o jantar por uma cauda longa (conhecida como flagelo). Foi isolado em 2000 de Mudflats na costa da Virgínia; Os pesquisadores não conseguiram encontrá -lo novamente na natureza. Sob certas condições ambientais, S. Rosetta As células se dividem clonalmente, produzindo células filhas geneticamente idênticas que formam colônias circulando em um padrão de roseta, com flagelos ondulantes para fora. Mas quando King começou a trabalhar com o organismo no laboratório, ela não conseguiu se mover de sua forma unicelular. Um experimento casual revelou que as secreções de uma bactéria de presas específicas atuam como um sinal para as células começarem a se dividir.

Um ‘mundo perdido’ dos primeiros micróbios prosperou um bilhão de anos atrás

Além de formar rosetas, o organismo possui pelo menos uma outra conformação multicelular e alguns tipos de células de vida livre distintos. Quando confinado a um espaço apertado, por exemplo, S. Rosetta As células retiram seus flagelos e tornam -se amebóides, sem uma forma firme e estendendo tentáculos delgados chamados Filopodia para se parecer.

“Ele tem uma diversidade tão incrível em resposta a uma infinidade de pistas ambientais”, diz David Booth, bioquímico da Universidade da Califórnia, São Francisco.

Em 2003, King e seus colegas relataram a presença de proteínas envolvidas na adesão e sinalização celular em espécies de Choanoflagelato³. Mais tarde, eles identificaram um kit de ferramentas mais aprofundado para multicelularidade quando sequenciaram o genoma de S. Rosetta⁵.

Salpingoeca Rosetta é o Drosophila de Choanoflagelados – as espécies mais amplamente estudadas e a que os pesquisadores desenvolveram as ferramentas mais extensas para alterar diretamente o genoma. Em 2018, durante um pós -doutorado em King’s Lab, Booth e seus colegas conseguiram adicionar proteínas fluorescentes de codificação de DNA em S. Rosetta⁶ e, em 2020, encontrou maneiras de editar seu genoma usando CRISPR⁷. Tais métodos tornaram possível mexer diretamente com os genes que os pesquisadores dizem ser essencial para a multicelularidade – e estudar as proteínas que esses genes expressam.

Com a ajuda das ferramentas, a microbiologista Arielle Woznica, na Universidade do Texas, em Austin, uma ex -estudante de pós -graduação em King’s Lab, está explorando como as Choanoflagelates respondem a atacantes bacterianos. O bioquímico Florentine Rutaganira, um ex -pós -doutorado no laboratório de King agora na Universidade de Stanford, na Califórnia, está investigando enzimas chamadas tirosina quinases – penhasco de sinalização celular em animais que estão presentes em números semelhantes em números em semelhantes em números semelhantes em numeros S. Rosetta.

Agregador mestre

Capsaspora Owczarzaki é um membro da linhagem filasteriana, que divergiu de um ancestral comum com animais, talvez algumas centenas de milhões de anos antes do que Choanoflagelados.

Ruiz-Trillo se interessou pela primeira vez no organismo como pós-doutorado, assim como o laboratório de King estava se preparando para estudar S. Rosetta. Ele e seus colegas descobriram que C. Owczarzakitambém parecia estar intimamente relacionado aos animais⁴. Ruiz-Trillo se propôs a estudar linhagens que não sejam Choanoflagelates, porque investigar várias linhagens poderia fornecer uma imagem mais completa do ancestral compartilhado com animais. Após sequenciar o genoma de C. OwczarzakiRuiz-Trillo e sua equipe relataram em 2013 que possui muitos genes relacionados à multicelularidade, incluindo alguns que não têm Choanoflagelados-como aqueles que codificam proteínas da superfície celular chamadas integrinas, que ajudam as células a se manter e a seu ambiente e ao seu ambiente⁸.

Essas espécies bizarras antigas estão reescrevendo a evolução animal

Descoberto em 2002 dentro de um caracol de água doce, C. Owczarzaki Gasta a maior parte de seu ciclo de vida como uma ameba unicelular, mas as dicas ambientais podem empurrar as células em uma fase multicelular na qual os aglomerados enxameiam e se fundem em agregados cada vez mais grandes. Esse caminho para a multicelularidade é diferente do agrupamento através da divisão clonal observada nos choanoflagelados. Ruiz-Trillo diz que a divisão clonal é “a maneira padrão pela qual as pessoas pensavam que os animais evoluem”.

Durante o desenvolvimento em animais, uma única célula se divide em muitas células com genomas idênticos, um processo que provavelmente evita qualquer conflito genético que surja entre as células. Portanto, é um salto fácil assumir que a divisão clonal também foi o caminho evolutivo para os primeiros animais, diz Ruiz-Trillo. Mas a agregação existe em muitas linhagens eucarióticas como uma maneira rápida e fácil de formar estruturas 3D, e ele acha que esse mecanismo merece uma aparência mais de perto.

Ruiz-Trillo e seus colegas descobriram que C. Owczarzaki usa alguns genes -chave relacionados à multicelularidade durante esta fase agregada⁹. Talvez a agregação tenha sido o passo essencial na evolução dos animais, diz Ruiz-Trillo, ou talvez tenha sido apenas uma parte do processo.

Capsaspora Owczarzaki é uma das poucas espécies unicelulares que Casacuberta e Ruiz-Trillo enviam alegremente para outros laboratórios, mediante solicitação.

O dualista

A descoberta acidental em 2017 de outra espécie de Choanoflagelate, Choanoeca flexademonstraram quanta variação existe somente neste grupo. Thibaut Brunet, um biólogo evolutivo de células agora no Instituto Pasteur em Paris, encontrado C. FLEXA em Curaçao, com seus colegas enquanto participava de um workshop como pós -doutorado no King’s Lab. Depois de coletar amostras de água das piscinas de maré marítima rasas enquanto visitavam a ilha, ele e seus colegas ficaram no local sob o microscópio.

Células individuais, que se parecem muito com S. Rosetta células, formam uma folha de monocamada em concha, com todos os flagelos apontando na mesma direção¹⁰. Em resposta à luz ou à escuridão, “eles poderiam reverter sua curvatura em alguns segundos, passando de dentro para fora como um brinquedo de uma criança ou um guarda -chuva”, diz Brunet. “Estávamos gritando e pulando para cima e para baixo quando o vimos – provavelmente éramos ridículos.”

A vida secreta das células – como nunca visto antes

Embora os pesquisadores ainda estejam desenvolvendo métodos para manipular seu genoma, C. FLEXA tem pelo menos um grande benefício como organismo modelo. Outros organismos foram estudados apenas no laboratório depois que foram descobertos, diz o biólogo evolutivo Núria Ros-Rocher, um pós-doutorado no laboratório de Brunet. Os pesquisadores não sabem como ou onde encontrá -los novamente. Mas C. FLEXA foi recuperado repetidamente das piscinas de maré em que foi encontrado pela primeira vez. “Tivemos muita sorte, porque poderíamos voltar ao ambiente natural para entender como ele está ligado ao comportamento multicelular do organismo”, diz Ros-Rocher.

Essas piscinas enfrentam mudanças de chicote – a água geralmente aquece e evapora em poucos dias, deixando o organismo à tona em salinidade acentuadamente elevada ou encalhada na lama seca antes que a maré o submerge novamente. Brunet e sua equipe descobriram que C. FLEXAcomo S. Rosettapode passar de um estado unicelular para multicelular pela divisão clonal. Mas também pode usar a agregação e, às vezes, combina as duas estratégias de uma só vez.