Notícia

Pesquisadores examinam os oceanos como fonte de produtos naturais

Fonte

ETH Zurique | Instituto Federal de Tecnologia de Zurique

Data

sexta-feira, 24 junho 2022 10:40

Áreas

Biodiversidade. Biologia. Biotecnologia. Ciência de Dados. Ecologia. Microbiologia. Oceanografia. Recursos Naturais. Tecnologias.

Os oceanos estão repletos de inúmeras formas de vida, desde a maior criatura do mundo – a baleia azul – até microrganismos minúsculos. Além de seu grande número, esses microrganismos também são cruciais para garantir que todo o sistema ecológico e climático funcione adequadamente. Por exemplo, existem variedades fotossinteticamente ativas, como as cianobactérias, que produzem cerca de 50% do oxigênio na atmosfera. Além disso, ao remover o dióxido de carbono da atmosfera, os microrganismos ajudam a combater o aquecimento global.

Apesar desse papel significativo, a pesquisa sobre a diversidade de microrganismos encontrados no oceano até agora tem sido apenas rudimentar. Assim, um grupo de pesquisadores liderados pelo Dr. Shinichi Sunagawa, professor e pesquisador de Microbiomas, está trabalhando em estreita colaboração com o grupo do Dr. Jörn Piel para investigar essa diversidade. Ambos os grupos são do Instituto Federal de Tecnologia de Zurique (ETH Zurique), na Suíça.

Para detectar novos produtos naturais feitos por bactérias, o professor Sunagawa e sua equipe examinaram dados de DNA disponíveis publicamente de 1.000 amostras de água coletadas em diferentes profundidades de todas as regiões oceânicas do mundo. Os dados vieram de fontes como expedições oceânicas e plataformas de observação posicionadas no mar.

Graças a tecnologias modernas, como a análise de DNA ambiental (eDNA), ficou mais fácil procurar novas espécies e descobrir quais organismos conhecidos podem ser encontrados. Mas o que quase não se sabe são os efeitos especiais que os microrganismos marinhos oferecem – em outras palavras, quais compostos químicos eles fazem que são importantes para as interações entre os organismos. Na melhor das hipóteses, esses compostos também beneficiariam os seres humanos. A base da pesquisa é a suposição de que o microbioma oceânico abriga um grande potencial para produtos naturais que podem ser benéficos, por exemplo, por suas propriedades antibióticas.

O eDNA extraído presente nas amostras foi sequenciado pelos pesquisadores originais das várias expedições. Ao reconstruir genomas inteiros no computador, os cientistas conseguiram decodificar as informações – os projetos das proteínas. Finalmente, eles consolidaram esses novos dados juntamente com os 8.500 conjuntos de dados de genoma existentes para microrganismos marinhos em um único banco de dados.

Isso resultou em 35.000 genomas para usar na busca de novas espécies microbianas e, em particular, promissores agrupamentos de genes biossintéticos (BGCs). Um BGC é um grupo de genes que fornecem o caminho sintético para um produto natural.

Novas espécies e novas moléculas descobertas

Nesses dados de genomas, os pesquisadores detectaram não apenas muitos BGCs potencialmente úteis – cerca de 40.000 no total – mas também espécies de bactérias anteriormente desconhecidas pertencentes ao filo Eremiobacterota. Este grupo de bactérias era conhecido por existir apenas em ambientes terrestres e não exibia nenhuma diversidade biossintética especial.

O professor Sunagawa e sua equipe nomearam uma nova família dessas bactérias como Eudoremicrobiaceae, e também conseguiram demonstrar que essas bactérias são comuns e difundidas: uma espécie pertencente a essa família, Eudoremicrobium malaspinii, representa até 6% de todas as bactérias presentes em certas áreas do oceano.

“Os parentes no oceano possuem o que para as bactérias é um genoma gigante. Decodificar totalmente [o genoma] foi tecnicamente desafiador porque os organismos não haviam sido cultivados antes”, disse o professor Sunagawa. Além disso, a nova bactéria acabou por pertencer ao grupo de microrganismos que possui a maior diversidade de BGC de todas as amostras examinadas. “Do jeito que as coisas estão, eles são a família mais biossinteticamente diversa nas águas oceânicas”, disse o pesquisador.

Os pesquisadores analisaram dois BGCs de Eudoremicrobiaceae em detalhes. Um deles era um agrupamento de genes contendo o código genético de enzimas que, segundo o professor Sunagawa, nunca haviam sido encontrados em um BGC bacteriano antes. O outro exemplo examinado foi um produto natural bioativo que inibe uma enzima proteolítica.

Validação dos experimentos levou a uma surpresa

Em colaboração com o grupo liderado pelo Dr. Jörn Piel, os pesquisadores usaram experimentos para validar a estrutura e a função de ambos os produtos naturais. Como a E. malaspinii não podia ser cultivada, a equipe do Dr. Piel teve que enxertar genes em uma bactéria modelo para que atuassem como modelos para os produtos naturais. Esta bactéria então produziu as substâncias correspondentes. Por fim, os pesquisadores isolaram as moléculas das células, determinaram a estrutura e validaram a atividade biológica.

Isso foi necessário porque em um caso, a atividade enzimática prevista por programas de computador não coincidiu com os resultados dos experimentos. “As previsões de computador para quais reações químicas uma enzima desencadeará têm suas limitações. É por isso que essas previsões precisam ser validadas em laboratório se houver alguma dúvida”, explicou o professor Sunagawa.

Fazer isso é um esforço caro e demorado que simplesmente não é viável para um banco de dados de 40.000 produtos naturais em potencial. “No entanto, nosso banco de dados tem muito a oferecer e é acessível a todos os pesquisadores que desejam usá-lo”, destacou o professor Sunagawa.

Além da colaboração contínua com o grupo do Dr. Piel para descobrir novos produtos naturais, o Dr. Shinichi Sunagawa quer investigar questões não resolvidas na evolução e ecologia dos microrganismos oceânicos. Isso inclui como os microrganismos são dispersos no oceano, uma vez que podem se espalhar por grandes distâncias apenas passivamente. Ele também quer descobrir quais benefícios ecológicos ou evolutivos certos genes criam para os micróbios. O professor Sunagawa suspeita que os BGCs possam desempenhar um papel importante nessa dinâmica.

Os resultados foram publicados na revista científica Nature.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do Instituto Federal de Tecnologia de Zurique (em inglês).

Fonte: Peter Rüegg, ETH de Zurique. Imagem: Reprodução, ETH Zurique (adaptação).