Uma bactéria evoluiu para uma nova estrutura celular dentro de algas
1. Uma nova estrutura celular chamada "nitroplasto" foi descoberta em uma alga unicelular chamada Braarudosphaera bigelowii.
2. O nitroplasto evoluiu de uma bactéria fixadora de nitrogênio (UCYN-A) que se tornou uma organela dentro da célula da alga.
3. Este é apenas o quarto caso conhecido de uma bactéria de vida livre evoluindo para uma organela em células eucarióticas, as outras três supostamente sendo mitocôndrias, cloroplastos e cromatóforos.
4. A pesquisa foi conduzida por Tyler Coale e colegas da Universidade da Califórnia, Santa Cruz.
5. O estudo usou tomografia de raios X suaves para observar como a UCYN-A se divide em sincronia com a célula da alga, com cada célula filha herdando uma UCYN-A.
6. Cerca de metade das proteínas na UCYN-A vêm do hospedeiro da alga, indicando um alto nível de integração.
7. O nitroplasto representa uma nova maneira para as células eucarióticas fixarem nitrogênio, uma função que antes se pensava ser exclusiva dos procariontes.
8. Esta descoberta pode ter implicações para a compreensão de como integrar a fixação de nitrogênio em plantas cultivadas.
9. O documento fornece um contexto e um histórico científico mais detalhados, incluindo informações sobre endossimbiose, a evolução das organelas e a importância da fixação de nitrogênio na biologia.
10. Ele também inclui perspectivas adicionais de outros cientistas e explicações mais detalhadas dos métodos e descobertas da pesquisa.
1. Divergência evolutiva:
- Cerca de 91 milhões de anos atrás, no final do período Cretáceo, a cianobactéria ancestral de vida livre que se tornaria UCYN-A entrou em uma relação simbiótica com uma alga prymnesiófita.
- Esta simbiose inicial então divergiu em pelo menos duas linhagens distintas - UCYN-A1 e UCYN-A2 - cada uma se associando a um hospedeiro prymnesiófito diferente, mas intimamente relacionado.
2. Redução do genoma:
- À medida que a simbiose se tornou mais íntima, o genoma UCYN-A sofreu uma redução extensiva, perdendo muitos genes e vias que se tornaram desnecessários no estilo de vida simbiótico.
- Isso incluiu a perda de genes para o fotossistema II, fixação de carbono via ciclo de Calvin e o ciclo do ácido tricarboxílico.
3. Integração metabólica:
- Os simbiontes UCYN-A se tornaram especializados para fixação de nitrogênio, com os genes de fixação de nitrogênio (nif) estando entre os mais altamente expressos.
- As vias de produção de energia (ATP sintase, citocromo b6f, fotossistema I) tornaram-se fortemente acopladas à fixação de nitrogênio para fornecer o ATP necessário e o poder redutor.
4. Integração física:
- As células UCYN-A se tornaram fisicamente incorporadas em suas células hospedeiras.
- O UCYN-A1 normalmente existe como 1-2 células por célula hospedeira.
- UCYN-A2 forma uma estrutura "semelhante a um simbiosoma" com 3-10 células dentro do hospedeiro B. bigelowii.
5. Fidelidade do parceiro:
- Cada linhagem UCYN-A desenvolveu especificidade estrita para sua espécie hospedeira particular.
- Essa fidelidade do parceiro provavelmente impulsionou mais coevolução e especialização de cada par simbiótico.
6. Troca metabólica:
- Um relacionamento mutualístico se desenvolveu onde UCYN-A fornece nitrogênio fixo ao hospedeiro, enquanto o hospedeiro provavelmente fornece carbono fixo e outros nutrientes para UCYN-A.
7. Adaptação da expressão gênica:
- A expressão gênica UCYN-A se tornou simplificada, com um forte foco na fixação de nitrogênio e produção de energia associada.
Essa fusão representa um exemplo notável de uma suposta transição evolutiva de organismos de vida livre para simbiontes obrigatórios, com extensa integração metabólica e genômica entre os parceiros. O processo resultou em "organelas" fixadoras de nitrogênio altamente especializadas dentro dos hospedeiros prymnesiophyte.
O evento endossimbiótico descrito no caso de UCYN-A e Braarudosphaera bigelowii é fundamentalmente diferente da transição procariota-eucariota proposta na teoria endossimbiótica.
1. Complexidade preexistente:
- No caso de UCYN-A, o organismo hospedeiro (B. bigelowii) já é uma alga eucariótica complexa.
- A teoria endossimbiótica para a origem eucariota propõe uma transição de procariotas simples para eucariotas complexos, o que é um salto evolutivo muito maior.
2. Falta de formas intermediárias:
- Há uma falta de estágios intermediários observáveis entre procariotas e eucariotas, o que é um grande problema com a teoria endossimbiótica.
- O caso de UCYN-A não aborda essa questão, pois envolve dois organismos já distintos e complexos.
3. Complexidade das características eucarióticas:
- O aparecimento de características eucarióticas complexas é um desafio para a teoria endossimbiótica. Aqui está uma lista das principais inovações encontradas em eucariotos que não estão presentes em procariotos:
a. Núcleo
- Envelope nuclear com membrana dupla
- Complexos de poros nucleares
- Cromossomos organizados com histonas
b. Sistema de endomembrana
- Retículo endoplasmático (rugoso e liso)
- Aparelho de Golgi
- Lisossomos
- Sistema de transporte vesicular
c. Organelas complexas
- Mitocôndrias
- Cloroplastos (em plantas e algas)
- Peroxissomos
e. Citoesqueleto
- Microfilamentos (actina)
- Filamentos intermediários
- Microtúbulos
- Centrossomos e centríolos
f. Mecanismos de divisão celular
- Mitose com um aparelho de fuso
- Meiose e reprodução sexuada
g. Compartimentos ligados à membrana
- Vacúolos
- Vesículas especializadas
h. Regulação gênica complexa
- Íntrons e éxons
- Splicing alternativo
- Modificações epigenéticas
i. Cromossomos lineares com telômeros
j. Tamanho de célula maior (tipicamente 10-100 vezes maior que os procariontes)
k. Vias complexas de sinalização celular
l. Transmissão citoplasmática
m. Fagocitose e outras formas complexas de endocitose
n. Flagelos e cílios com estrutura de microtúbulos "9+2"
o. Produção de matriz extracelular
p. Especialização e diferenciação celular em organismos multicelulares
q. Regulação complexa do ciclo celular com pontos de verificação
r. Mecanismos sofisticados de reparo de DNA
s. Receptores de superfície celular ligados à membrana
t. Composição lipídica diversa da membrana
u. Capacidade de formar organismos multicelulares complexos com tecidos e órgãos especializados
Essas inovações eucarióticas representam um salto significativo na complexidade celular em comparação aos procariontes, e seu aparecimento repentino representa um desafio para explicações evolutivas graduais, incluindo a teoria endossimbiótica.
- O evento UCYN-A não explica a origem dessas características complexas (núcleo, RE, Golgi, etc.), pois elas já existem na alga hospedeira.
4. Diferenças de membrana:
- Há uma diferença significativa entre membranas eucarióticas e procarióticas.
- O caso UCYN-A não aborda essa diferença fundamental na arquitetura celular.
5. Complexos de poros nucleares e outras estruturas específicas de eucariotos:
- A origem de estruturas complexas como complexos de poros nucleares não é explicada pelo evento UCYN-A.
- Essas estruturas já existem na alga hospedeira, então essa simbiose não esclarece sua origem evolutiva.
6. Importação de proteína mitocondrial e redução do genoma:
- Embora o caso UCYN-A mostre alguma redução do genoma e importação de proteína, ele não aborda a extensa redução do genoma mitocondrial e os sistemas complexos de importação de proteína vistos em eucariotos.
7. Origem de outras organelas:
- O evento UCYN-A não explica a origem de outras organelas eucarióticas, como o retículo endoplasmático, o aparelho de Golgi ou os peroxissomos.
8. Evolução do citoesqueleto:
- Existem diferenças significativas entre os citoesqueletos eucarióticos e procarióticos.
- O caso UCYN-A não aborda esse aspecto fundamental da estrutura celular eucariótica.
9. Conteúdo do gene eucariótico:
- Muitos genes eucarióticos não têm homólogos procarióticos claros, o que não é explicado pelo evento UCYN-A.
10. Interdependência mitocondrial-nuclear:
- Há uma interdependência complexa entre as mitocôndrias e o núcleo em eucariotos.
- Embora o caso UCYN-A mostre alguma integração, ele não se aproxima do nível de interdependência visto em células eucarióticas com mitocôndrias.
11. Complexidade irredutível:
- Muitos sistemas eucarióticos exibem complexidade irredutível.
- O evento UCYN-A, ocorrendo entre dois organismos já complexos, não aborda como esses sistemas poderiam ter evoluído gradualmente.
Embora a simbiose UCYN-A e B. bigelowii seja um exemplo interessante de endossimbiose em andamento, ela ocorre entre dois organismos já complexos e não aborda os desafios fundamentais colocados à teoria endossimbiótica para a origem eucariota. A pré-existência de complexidade eucariótica neste caso significa que ela não pode servir como um modelo para a transição proposta de procarioto para eucarioto.
1. Uma nova estrutura celular chamada "nitroplasto" foi descoberta em uma alga unicelular chamada Braarudosphaera bigelowii.
2. O nitroplasto evoluiu de uma bactéria fixadora de nitrogênio (UCYN-A) que se tornou uma organela dentro da célula da alga.
3. Este é apenas o quarto caso conhecido de uma bactéria de vida livre evoluindo para uma organela em células eucarióticas, as outras três supostamente sendo mitocôndrias, cloroplastos e cromatóforos.
4. A pesquisa foi conduzida por Tyler Coale e colegas da Universidade da Califórnia, Santa Cruz.
5. O estudo usou tomografia de raios X suaves para observar como a UCYN-A se divide em sincronia com a célula da alga, com cada célula filha herdando uma UCYN-A.
6. Cerca de metade das proteínas na UCYN-A vêm do hospedeiro da alga, indicando um alto nível de integração.
7. O nitroplasto representa uma nova maneira para as células eucarióticas fixarem nitrogênio, uma função que antes se pensava ser exclusiva dos procariontes.
8. Esta descoberta pode ter implicações para a compreensão de como integrar a fixação de nitrogênio em plantas cultivadas.
9. O documento fornece um contexto e um histórico científico mais detalhados, incluindo informações sobre endossimbiose, a evolução das organelas e a importância da fixação de nitrogênio na biologia.
10. Ele também inclui perspectivas adicionais de outros cientistas e explicações mais detalhadas dos métodos e descobertas da pesquisa.
1. Divergência evolutiva:
- Cerca de 91 milhões de anos atrás, no final do período Cretáceo, a cianobactéria ancestral de vida livre que se tornaria UCYN-A entrou em uma relação simbiótica com uma alga prymnesiófita.
- Esta simbiose inicial então divergiu em pelo menos duas linhagens distintas - UCYN-A1 e UCYN-A2 - cada uma se associando a um hospedeiro prymnesiófito diferente, mas intimamente relacionado.
2. Redução do genoma:
- À medida que a simbiose se tornou mais íntima, o genoma UCYN-A sofreu uma redução extensiva, perdendo muitos genes e vias que se tornaram desnecessários no estilo de vida simbiótico.
- Isso incluiu a perda de genes para o fotossistema II, fixação de carbono via ciclo de Calvin e o ciclo do ácido tricarboxílico.
3. Integração metabólica:
- Os simbiontes UCYN-A se tornaram especializados para fixação de nitrogênio, com os genes de fixação de nitrogênio (nif) estando entre os mais altamente expressos.
- As vias de produção de energia (ATP sintase, citocromo b6f, fotossistema I) tornaram-se fortemente acopladas à fixação de nitrogênio para fornecer o ATP necessário e o poder redutor.
4. Integração física:
- As células UCYN-A se tornaram fisicamente incorporadas em suas células hospedeiras.
- O UCYN-A1 normalmente existe como 1-2 células por célula hospedeira.
- UCYN-A2 forma uma estrutura "semelhante a um simbiosoma" com 3-10 células dentro do hospedeiro B. bigelowii.
5. Fidelidade do parceiro:
- Cada linhagem UCYN-A desenvolveu especificidade estrita para sua espécie hospedeira particular.
- Essa fidelidade do parceiro provavelmente impulsionou mais coevolução e especialização de cada par simbiótico.
6. Troca metabólica:
- Um relacionamento mutualístico se desenvolveu onde UCYN-A fornece nitrogênio fixo ao hospedeiro, enquanto o hospedeiro provavelmente fornece carbono fixo e outros nutrientes para UCYN-A.
7. Adaptação da expressão gênica:
- A expressão gênica UCYN-A se tornou simplificada, com um forte foco na fixação de nitrogênio e produção de energia associada.
Essa fusão representa um exemplo notável de uma suposta transição evolutiva de organismos de vida livre para simbiontes obrigatórios, com extensa integração metabólica e genômica entre os parceiros. O processo resultou em "organelas" fixadoras de nitrogênio altamente especializadas dentro dos hospedeiros prymnesiophyte.
O evento endossimbiótico descrito no caso de UCYN-A e Braarudosphaera bigelowii é fundamentalmente diferente da transição procariota-eucariota proposta na teoria endossimbiótica.
1. Complexidade preexistente:
- No caso de UCYN-A, o organismo hospedeiro (B. bigelowii) já é uma alga eucariótica complexa.
- A teoria endossimbiótica para a origem eucariota propõe uma transição de procariotas simples para eucariotas complexos, o que é um salto evolutivo muito maior.
2. Falta de formas intermediárias:
- Há uma falta de estágios intermediários observáveis entre procariotas e eucariotas, o que é um grande problema com a teoria endossimbiótica.
- O caso de UCYN-A não aborda essa questão, pois envolve dois organismos já distintos e complexos.
3. Complexidade das características eucarióticas:
- O aparecimento de características eucarióticas complexas é um desafio para a teoria endossimbiótica. Aqui está uma lista das principais inovações encontradas em eucariotos que não estão presentes em procariotos:
a. Núcleo
- Envelope nuclear com membrana dupla
- Complexos de poros nucleares
- Cromossomos organizados com histonas
b. Sistema de endomembrana
- Retículo endoplasmático (rugoso e liso)
- Aparelho de Golgi
- Lisossomos
- Sistema de transporte vesicular
c. Organelas complexas
- Mitocôndrias
- Cloroplastos (em plantas e algas)
- Peroxissomos
e. Citoesqueleto
- Microfilamentos (actina)
- Filamentos intermediários
- Microtúbulos
- Centrossomos e centríolos
f. Mecanismos de divisão celular
- Mitose com um aparelho de fuso
- Meiose e reprodução sexuada
g. Compartimentos ligados à membrana
- Vacúolos
- Vesículas especializadas
h. Regulação gênica complexa
- Íntrons e éxons
- Splicing alternativo
- Modificações epigenéticas
i. Cromossomos lineares com telômeros
j. Tamanho de célula maior (tipicamente 10-100 vezes maior que os procariontes)
k. Vias complexas de sinalização celular
l. Transmissão citoplasmática
m. Fagocitose e outras formas complexas de endocitose
n. Flagelos e cílios com estrutura de microtúbulos "9+2"
o. Produção de matriz extracelular
p. Especialização e diferenciação celular em organismos multicelulares
q. Regulação complexa do ciclo celular com pontos de verificação
r. Mecanismos sofisticados de reparo de DNA
s. Receptores de superfície celular ligados à membrana
t. Composição lipídica diversa da membrana
u. Capacidade de formar organismos multicelulares complexos com tecidos e órgãos especializados
Essas inovações eucarióticas representam um salto significativo na complexidade celular em comparação aos procariontes, e seu aparecimento repentino representa um desafio para explicações evolutivas graduais, incluindo a teoria endossimbiótica.
- O evento UCYN-A não explica a origem dessas características complexas (núcleo, RE, Golgi, etc.), pois elas já existem na alga hospedeira.
4. Diferenças de membrana:
- Há uma diferença significativa entre membranas eucarióticas e procarióticas.
- O caso UCYN-A não aborda essa diferença fundamental na arquitetura celular.
5. Complexos de poros nucleares e outras estruturas específicas de eucariotos:
- A origem de estruturas complexas como complexos de poros nucleares não é explicada pelo evento UCYN-A.
- Essas estruturas já existem na alga hospedeira, então essa simbiose não esclarece sua origem evolutiva.
6. Importação de proteína mitocondrial e redução do genoma:
- Embora o caso UCYN-A mostre alguma redução do genoma e importação de proteína, ele não aborda a extensa redução do genoma mitocondrial e os sistemas complexos de importação de proteína vistos em eucariotos.
7. Origem de outras organelas:
- O evento UCYN-A não explica a origem de outras organelas eucarióticas, como o retículo endoplasmático, o aparelho de Golgi ou os peroxissomos.
8. Evolução do citoesqueleto:
- Existem diferenças significativas entre os citoesqueletos eucarióticos e procarióticos.
- O caso UCYN-A não aborda esse aspecto fundamental da estrutura celular eucariótica.
9. Conteúdo do gene eucariótico:
- Muitos genes eucarióticos não têm homólogos procarióticos claros, o que não é explicado pelo evento UCYN-A.
10. Interdependência mitocondrial-nuclear:
- Há uma interdependência complexa entre as mitocôndrias e o núcleo em eucariotos.
- Embora o caso UCYN-A mostre alguma integração, ele não se aproxima do nível de interdependência visto em células eucarióticas com mitocôndrias.
11. Complexidade irredutível:
- Muitos sistemas eucarióticos exibem complexidade irredutível.
- O evento UCYN-A, ocorrendo entre dois organismos já complexos, não aborda como esses sistemas poderiam ter evoluído gradualmente.
Embora a simbiose UCYN-A e B. bigelowii seja um exemplo interessante de endossimbiose em andamento, ela ocorre entre dois organismos já complexos e não aborda os desafios fundamentais colocados à teoria endossimbiótica para a origem eucariota. A pré-existência de complexidade eucariótica neste caso significa que ela não pode servir como um modelo para a transição proposta de procarioto para eucarioto.
