Diversidade e classificação de procariontes

Diferentes grupos de procariontes. Relações evolutivas das bactérias e archaea. Extremófilos.

Pontos Principais:

  • Os domínios procariontes, Bactéria e Arquea, se separaram no início da evolução da vida.
  • As bactérias são muito diversas, variando de patógenos causadores de doenças até fotossintetizadoras e simbiontes benéficas.
  • As arqueas também são variadas, mas não são patogênicas, e muitas vivem em ambientes extremos.
  • Uma abordagem utilizando sequenciamento de DNA, chamada metagenômica, possibilita que cientistas identifiquem novas espécies de bactérias e arqueas, incluindo aquelas que não podem ser mantidas em cultura.

Introdução

Os procariontes, que incluem bactérias e archaea, são encontrados quase em toda parte – em todos os ecossistemas, em cada superfície de nossas casas e dentro de nossos corpos! Alguns vivem em ambientes muito extremos para outros organismos, tais como respiradouros quentes no fundo do mar.
Apesar de serem encontrados em toda a nossa volta, os procariontes podem ser difíceis de detectar, contar e classificar. As espécies procariontes que conhecemos atualmente são uma pequena fração de todas as espécies procariontes que, estima-se, existem. De fato, a própria ideia de uma "espécie" torna-se complicada no mundo dos procariontes!
Neste artigo, vamos primeiro examinar os grupos principais de procariontes. Em seguida, exploraremos por que muitas vezes é difícil identificá-los e classificá-los. Finalmente, veremos como métodos de sequenciamento de DNA estão nos ajudando a entender melhor os procariontes ao nosso redor.

"Árvore genealógica" de um procarionte

Por muito tempo, todos os procariontes eram classificados em um único domínio (o maior grupamento taxonômico).
Entretanto, um trabalho feito pelo microbiologista Carl Woese na década de 70 mostrou que os procariontes são divididos em duas linhagens distintas, ou linhas de descendência: Archaea e Bacteria. Hoje, esses grupos são considerados como formadores de dois dos três domínios da vida. O terceiro domínio (Eukarya) inclui todos os eucariontes, como as plantas, animais, e fungos.2^2
Desde que se separaram um do outro há milhões de anos, tanto Bacteria como Archaea se ramificaram em muitos grupos e espécies.

Bacteria

O Domínio Bacteria contém 55 grupos principais: proteobactérias, clamídias, espiroquetas, cianobactérias e bactérias gram-positivas.
As proteobactérias são subdivididas em cinco grupos, de alfa até epsilon. Espécie destes grupos têm uma ampla gama de estilos de vida. Algumas são simbióticas com plantas, outras vivem em respiradouros quentes sob o mar e outras ainda causam doenças humanas, tais como úlceras estomacais (Helicobacter pylori) e intoxicação alimentar (Salmonella).
Os outros quatro principais grupos de bactérias são igualmente diversos. Clamídias são patógenos que vivem dentro de células hospedeiras, enquanto cianobactérias são fotossintetizantes que produzem grande parte do oxigênio da Terra. Espiroquetas incluem tanto bactérias inofensivas quanto prejudiciais, como a Borrelia burgdorferi que causa a doença de Lyme. O mesmo é verdadeiro para bactérias gram-positivas, que variam de bactérias probióticas no iogurte até o Bacillus anthracis que causa antraz.4^ 4

Archaea

O domínio Archaea contém 44 grandes grupos. Curiosamente, até agora, não foi descoberta nenhuma archaea que seja patógeno humano.
As Arqueas vivem em nossos corpos e nos corpos de animais—por exemplo, no intestino—mas todas parecem ser inofensivas ou benéficas. Embora existam hipóteses, ninguém sabe ainda exatamente por que todas as arqueas são "amigáveis", isto é, por que nenhuma espécie causadora de doenças evoluiu.5^5
Simultaneamente às arqueas que apreciam o ambiente confortável do intestino humano, existem muitas espécies extremófilas que vivem em lugares muito mais inóspitos, como fontes termais vulcânicas, respiradouros vulcânicos submarinos e lugares muito salgados como o Mar Morto.

Os muitos "procariontes misteriosos"

Por muitos anos, a principal abordagem para o estudo dos procariontes era cultivá-los no laboratório. Se um organismo podia ser cultivado em laboratório numa placa de ágar ou em um meio de cultura líquido, então ele podia ser estudado, analisado e adicionado ao nosso crescente catálogo de espécies e cepas procarióticas.
Alguns procariontes, contudo, não podem crescer em laboratório (ao menos, não sob as condições tentadas pelos cientistas). De fato, são estimados que 99%99\% das bactérias e arqueas não crescem em meio de cultura!
Isso representa uma grande lacuna no nosso entendimento de quais procariontes estão por aí. Para contextualizar, existem 8.78.7 milheso˜\text{milhões} de espécies eucariontes conhecidas6^6. Se o problema de manutenção de cultura se aplicassem aos eucariontes da mesma maneira que aos procariontes, nós conheceríamos apenas 87.87.000000 dessas espécies. Isso geraria uma árvore da vida muito vazia e a um entendimento muito incompleto do que são os eucariontes (como grupo). Por exemplo, nós poderíamos saber que existem animais, mas não ter nenhuma ideia sobre plantas ou fungos!

O que é uma espécie procarionte?

Para falar sobre encontrar espécies procarióticas, provavelmente precisamos definir o que elas são. Isto pode parecer uma questão básica, mas é uma pergunta complexa e controversa se você é um microbiologista.
A maioria dos cientistas define uma espécie para os eucariontes, como sendo um grupo de organismos que podem cruzar entre si e produzir descendentes férteis. Essa definição faz sentido para espécies que se reproduzem sexuadamente, mas não funciona tão bem para organismos como bactérias. Bactérias se reproduzem assexuadamente produzindo clones de si mesmas - elas não cruzam entre si.
Cientistas, ao invés de utilizarem essa definição, classificam bactérias e arqueas em grupos taxonômicos com base em similaridades fenotípicas, fisiológicas e genéticas.7^7 Muitos grupos procariontes recebem nomes utilizando-se a tradicional taxonomia Lineana, com gênero e espécie. No entanto, a questão de como e se os procariontes deveriam ser agrupados em espécies permanece um tópico de debate entre cientistas. O "conceito de espécie" certo para estes organismos é ainda um trabalho em andamento.

Metagenomics: A new window on microbes

Cientistas estimam que devem existir milhões de espécies de procariontes (ou grupos parecidos com espécies), mas sabemos muito pouco sobre a maioria deles.1^1 Isso está começando a mudar graças ao sequenciamento de DNA em larga escala.
O sequenciamento de DNA torna possível aos cientistas estudar comunidades de procariontes inteiras em seus habitats naturais - incluindo os muitos procariontes que não podem ser mantidos em culturas, e teriam sido "invisíveis", previamente, para os pesquisadores.
O genoma coletivo de uma comunidade como essa é chamado do seu metagenoma e a análise das sequências do metagenoma é conhecida como metagenômica. A metagenômica de procariontes é uma das áreas da biologia que eu considero mais legal e misteriosa.
Por exemplo, uma amostra de DNA pode ser tomada a partir de um tapete microbiano de fonte termal, tais como os tapetes lindos e multicoloridos encontrados no Parque Nacional de Yellowstone. Até mesmo uma amostra minúscula desta rica comunidade inclui muitos, muitos indivíduos de espécies diferentes.9^ 9
Através do sequenciamento e análise de amostras metagenômicas de DNA, os cientistas podem, algumas vezes, montar genomas inteiros de espécies anteriormente desconhecidas. Em outros casos, eles usam informação da sequência de genes específicos para descobrir que tipos de procariontes estão presentes (e como eles se relacionam uns aos outros ou a uma espécie conhecida). Os genes encontrados nas amostras de DNA também fornecem pistas sobre as estratégias metabólicas dos organismos da comunidade.10^{10}
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