THE BLACK QUEEN HYPOTHESIS: A NEW EVOLUTIONARY THEORY. (comentado)

Microorganisms can sometimes lose the ability to perform a function that appears to be necessary for their survival, and yet they still somehow manage to endure and multiply. How can this be? The authors of an opinion piece appearing in mBio®, the online open-access journal of the American Society for Microbiology, on March 27 explain their ideas about the matter. They say microbes that shed necessary functions are getting others to do the hard work for them, an adaptation that can encourage microorganisms to live in cooperative communities.

The Black Queen Hypothesis, as they call it, puts forth the idea that some of the needs of microorganisms can be met by other organisms, enabling microbes that rely on one another to live more efficiently by paring down the genes they have to carry around. In these cases, it would make evolutionary sense for a microbe to lose a burdensome gene for a function it doesn’t have to perform for itself. The authors, Richard Lenski and J. Jeffrey Morris of Michigan State University, and Erik Zinser of the University of Tennessee, named the hypothesis for the queen of spades in the game Hearts, in which the usual strategy is to avoid taking this card.

“It’s a sweeping hypothesis for how free-living microorganisms evolve to become dependent on each other,” says Richard Losick of Harvard University, who edited the paper. “The heart of the hypothesis is that many genetic functions provide products that leak in and out of cells and hence become public goods,” he says.

As an illustration of the hypothesis, the authors apply it to one particular microbial system that has been a source of some confusion: one of the most common plankton species in the open ocean, Prochlorococcus, which has a much smaller genome than you might expect. Scientists have wondered how Prochlorococcus has managed to be extremely successful while shedding important genes, including the gene for catalase-peroxidase, which allows it to neutralize hydrogen peroxide, a compound that can damage or even kill cells. Prochlorococcus relies on the other microorganisms around it to remove hydrogen peroxide from the environment, say the authors, allowing it to fob off its responsibilities on the unlucky card holders around it. This is an instance of how one species can profit from paring down while relying on other members of the community to help out.

Losick says the Black Queen Hypothesis offers a new way of looking at complicated, inter-dependent communities of microorganisms. “I have a special interest in how bacteria form biofilms, complex natural communities that often consist of many different kinds of bacteria. The Black Queen Hypothesis provides a valuable new way to think about how the members of these biofilm communities coevolved.”

Fonte: American Society For Microbiology

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Resenha do autor

Há uma tendência no discurso evolucionista para descrever a história da vida que leva as pessoas a pensar em progressão, na complexidade crescente.

Não há razão alguma para supor que a complexidade seja o sucesso evolutivo. Stephen Jay Goul argumentou que a aparência de progresso no registro fóssil é uma mera ilusão.

O que o artigo apresenta é que em certas ocasiões, microrganismos podem perder a capacidade de executar uma função que parece ser necessário para sua sobrevivência, e ainda assim eles de alguma maneira conseguem resistir multiplicar. Como isso é possível?

Isso é explicado pela mais recente descoberta evolutiva, a Hipótese da Rainha Negra.

Ela oferece uma nova forma de verificar como os membros de diversas comunidades microbiológicas co-evoluíram.

A hipótese trata-se em dizer que algumas das necessidades de microrganismos podem ser satisfeitas por outros organismos. Isso permite que microrganismos que dependem um dos outros para viver possam passar por um enxugamento genético.

Prochlorococcus

Isso quer dizer que um microrganismos de vida livre pode evoluir de tal forma a se tornar dependente do outro e portanto tem a regalia de perder genes que não lhe serve mais uma vez que os membros de seu nicho ecológico fazem o serviço para ele.

Uma das espécies mais comuns de plâncton no oceano aberto é a Prochlorococcus (ou Proclorocócus) que tem um genoma muito menor do que esperado.

Os cientistas se perguntam como a Proclorococus conseguiu ser extremamente bem sucedida enquanto perdiam genes relativamente importantes para sua sobrevivência. Isso inclui inclusive o gene da catalase-peroxidase que lhes permite neutralizar o peróxido de hidrogênio, um composto que pode danificar ou mesmo matar as células.

A proclorococus depende de muitos outros microrganismos em torno dela, que compartilham o mesmo nicho ecológico para remover o peróxido de hidrogênio a partir do ambiente.

Assim ficam exímios de suas responsabilidades metabólicas e podem lucrar com o enxugamento gênico. De fato é isso que a hipótese apresenta, a evolução pela perda de genes ou pela reestruturação funcional genômica para outras funções.

A natureza oferece vários exemplos de “evolução redutiva”, onde os organismos simples derivam a partir de ancestrais mais complexas.

Este fenômeno é visto em parasitas e simbiontes micro e macroscópicos, em particular aqueles que residem dentro de seus hospedeiros.

As tênias não têm trato digestivo para absorver todos os seus nutrientes necessários da parede do intestino de seu hospedeiro.

Muitos hospedeiros associados bactérias (como os Lactobacillus spp.) não são capazes de sintetizar metabolitos essenciais e certos aminoácidos.

Em experimentos populações de Salmonella entérica evoluíram pela deriva genética, passaram por gargalos populacionais, perda de genes e desenvolveram o habito endossimbiontes. Há exemplos de evolução pela perda de genes até mesmo em populações de Escherichia coli.

Eis outro exemplo feito em laboratório. Os vírus podem ter seu material hereditário formado por RNA ou DNA envolvidos em uma capsula proteica.

O vírus QB tem seu material genético formado em RNA. Ele usa uma enzima para replicar seu RNA, QB-replicase. Ele é um bacteriófago, ou seja parasita bactérias e tem preferência pela Escherichia coli.

A bactéria reconhece as capsulas proteicas do vírus, recebe-o e então o RNA é liberado e a maquinaria celular das bactérias replica traduz esse RNA em proteína.

Ela sintetiza 4 proteínas, uma proteína que atua como uma capa que protege o vírus, uma proteína “cola” para gruda-lo na célula bacteriana, a proteína de fator de replicação e a proteína “bomba” para destruir a célula bacteriana.

O biólogo Sol Spiegelman da Universidade de Columbia fez um experimento bastante interessante que evidencia como a perda de genes pode ocorrer como mecanismo de sobrevivência diante de determinados fatores ambientais.

Ele isolou dois componentes do vírus, a QB-replicase QB-RNA. Juntou ambos em uma solução aquosa com alguns blocos de construção de RNA e simplesmente observou.

O RNA pegou os blocos e construiu copias de si mesmo usando a proteína usando as regras de emparelhamento do DNA de Watson e Crick.

Então Spielgman fez mais vezes esse experimento, em vários tubos de ensaio e cada qual usando a enzima e os blocos de construção sempre usando a geração anterior do tubo de ensaio anterior.

Cada tubo de ensaio servia como uma geração que daria origem a geração do próximo tubo.

Ao longo de diversas gerações ele notou que a seleção natural trabalhou a favor da perda de informação. A cada geração o vírus se tornou menos infectante quando eram expostas as bactérias Escherichia coli. Após 74 gerações o RNA se tornou uma fração muito menor do que a inicial. Mutações espontâneas no RNA ocorreram em toda a linha e as gerações mudadas que sobreviveram estavam aptas a viver no ambiente do tubo de ensaio.

Assim, quando expostas ao antigo contexto ambiental, que era parasitar a bactéria tinham um índice de virulência milhares de vezes inferior. O que aconteceu é que a seleção atuou de tal forma que a menor molécula reproduz mais rapidamente do que suas competidoras e portanto a seleção natural aumento gradualmente sua ocorrência na população, ou seja, aqueles fragmentos menores.

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Scritto da Rossetti

Palavra chave: NetNature, Rossetti, Genes, Hipótese da Rainha Negra, Evolução, Microrganismo, Genética.

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Referências

* J. Jeffrey Morris, Richard E. Lenski and Erik R. Zinser. The Black Queen Hypothesis: Evolution of Dependencies through Adaptive Gene Loss. American Society For Microbiology. March 27, 2012
* Richard Dawkins. A grande história da evolução. ED. Companhia das letras. 2008.

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