MANKIND’S REMOTEST RELATIVE (comentado)

Mankind’s remotest relative is a very rare micro-organism from south-Norway. The discovery may provide an insight into what life looked like on earth almost one thousand million years ago.

GLIMPSE INTO PRIMORDIAL TIMES: Genetic analyses of a micro-organism that lives in the sludge of a lake in Ås, 30 km south of Oslo i Norway, are providing researchers with an insight into what the first life on Earth looked like. Foto: UiO/MERG

Biologists all over the world have been eagerly awaiting the results of the genetic analysis of one of the world’s smallest known species, hereafter called the protozoan, from a little lake 30 kilometer south of Oslo in Norway.

When researchers from the University of Oslo, Norway compared its genes with all other known species in the world, they saw that the protozoan did not fit on any of the main branches of the tree of life. The protozoan is not a fungus, alga, parasite, plant or animal.

“We have found an unknown branch of the tree of life that lives in this lake. It is unique! So far we know of no other group of organisms that descend from closer to the roots of the tree of life than this species. It can be used as a telescope into the primordial micro-cosmos,” says an enthusiastic associate professor, Kamran Shalchian-Tabrizi, head of the Microbial Evolution Research Group (MERG) at the University of Oslo.

His research group studies tiny organisms hoping to find answers to large, biological questions within ecology and evolutionary biology, and works across such different fields as biology, genetics, bioinformatics, molecular biology and statistics. 

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World’s oldest creature.

Life on Earth can be divided up into two main groups of species, prokaryotes and eukaryotes. The prokaryote species, such as bacteria, are the simplest form of living organisms on Earth. They have no membrane inside their cell and therefore no real cell nucleus. Eukaryote species, such as animals and mankind, plants, fungi and algae, on the other hand do.

The family tree of the protozoan from Ås starts at the root of the eukaryote species.

“The micro-organism is among the oldest, currently living eukaryote organisms we know of. It evolved around one billion years ago, plus or minus a few hundred million years. It gives us a better understanding of what early life on Earth looked like.”, Kamran says to the research magazine Apollon.

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How they move.

The tree of life can be divided into organisms with one or two flagella. Flagella are important when it comes to a cell’s ability to move. Just like all other mammals, human sperm cells have only one flagellum. Therefore, mankind belongs to the same single flagellum group as fungi and amoebae.

On the other hand it is believed that our distant relatives from the family branches of plants, algae and excavates (single-celled parasites) originally had two flagella.

The protozoan from Ås has four flagella. The family it belongs to is somewhere between excavates, the oldest group with two flagella, and some amoebae, which is the oldest group with only one flagellum.

“Were we to reconstruct the oldest, eukaryote cell in the world, we believe it would resemble our species. To calculate how much our species has changed since primordial times, we have to compare its genes with its nearest relatives, amoebae and excavates,” says Shalchian-Tabrizi.

RELATIONSHIP; The primordial animal from Ås, 30 km south of Oslo, does not fit on any of the main branches of the tree of life. Kamran Shalchian-Tabrizi had to create a new main branch. It is called Collodictyon. Foto; Yngve Vogt.


Caught with a tasty morsel.

The protozoan is not easy to spot. It lives down in the sludge at the bottom of a lake.

It is 30 to 50 micrometres long and can only be seen with a microscope. When Professor Dag Klaveness of MERG wants to catch the protozoan he sticks a pipe down into the lakebed, removes a column of sludge and pours a bile green algae mixture over it.

The algae are such tempting morsels for the small protozoa that they swim up.

“We can then pick them out, one by one, with a pipette,” says Klaveness.

There are not many of them. And the University of Oslo biologists have not found them anywhere else other than in this lake-

“We are surprised. Enormous quantities of environmental samples are taken all over the world. We have searched for the species in every existing DNA database, but have only found a partial match with a gene sequence in Tibet. So it is conceivable that only a few other species exist in this family branch of the tree of life, which has survived all the many hundreds of millions of years since the eukaryote species appeared on Earth for the first time.”

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Not very sociable.

The protozoan lives off algae, but the researchers still do not know what eats the protozoan. Nor do they know anything about its life cycle. But one thing is certain:

“They are not sociable creatures. They flourish best alone. Once they have eaten the food, cannibalism is the order of the day,” notes Klaveness.

The protozoan has a special cell indentation. It looks like a groove.

“The species has the same intracellular structure as excavates. And it uses the same protuberances as amoebae to catch its food. This means that the species combines two characteristics from each family branch of the main eukaryote groups. This further supports the hypothesis that the species from this lake belongs to a primordial group. Perhaps it descended from the antecedents of both the excavates and amoeba?” asks Shalchian-Tabrizi.

The protozoan was discovered as early as 1865, but it is only now that, thanks to very advanced genetic analyses, researchers understand how important the species is to the history of life on Earth.

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Breeding enormous quantities of the protozoan.

Dag Klaveness has, together with research fellow Jon Bråte, managed to breed large quantities of the species. No one has done this before. Klaveness has spent the last 40 years specialising in breeding organisms that are difficult to breed or that are difficult to isolate from other species.

Breeding is important if we want to analyse the creature’s genes. More than just a few are needed for a genetic test. Researchers have needed to breed large quantities. The work is demanding and has taken many months.

The protozoan’s favourite food is green algae, but since both the protozoan and the green algae are eukaryote species, i.e. species with real cell nuclei, it is easy to confuse the genes of the protozoan with those of its food in the gene sequencing. Therefore, Klaveness has chosen to feed the protozoan with blue green bacteria, which are genetically very different to the protozoan. Blue green bacteria are not exactly its favourite dish, but the protozoan can only choose between eating or dying.

Blue green bacteria are prokaryotes, i.e. species without membranes or real cell nuclei. This allows the researchers to differentiate between the genes of the protozoan and its food in the gene sequencing.

Klaveness has a number of vats of the protozoan in the laboratory. The algae mixture sinks to the bottom. The protozoan dives down when it wants to eat.

In optimum conditions they divide every second day. However, with blue green bacteria on the menu, which is just as boring as if you only got carrots for several months and nothing else, the protozoan grows much more slowly.

When the protozoa have reproduced enough, they are centrifuged out and gene sequenced. The genes are then compared with equivalent gene sequences from other species. “We have gene sequenced 300,000 parts of the genome (the total genetic material), but we still do not know how large the genome is. We are currently only looking for the most important parts,” explains Kamran Shalchian-Tabrizi.

40 YEARS’ EXPERIENCE; Professor Dag Klaveness has spent the last 40 years specialising in breeding micro-organisms. Large quantities are required to analyse the genes. Foto; Yngve Vogt.


Traces from primordial times.

The problem is that DNA sequences change a lot over time. Parts of the DNA may have been wiped away during the passing of the years. Since the protozoan is a very old species, an extra large amount of gene information is required.

“It is often the case with such ancient organisms that features they share in common with other known species have been wiped away from the DNA sequence because of long-term mutations. You can compare it with tarmacing. If you tarmac a road enough times, you will no longer see the cobblestones. Therefore, you have to collect large gene sequences to find common traces from prehistoric times.”

Research fellow Sen Zhao was responsible for the extensive, statistical calculations. In order to calculate the family link they have used information from the research group’s own Bioportal in cooperation with the high performance computing group at the University of Oslo.

 

Resolving evolutionary mysteries.

Kamran Shalchian-Tabrizi explains that the tree of life can provide fundamental answers to great evolutionary mysteries.

“In order to understand what a species is today, we have to understand how they have changed genetically. The tree of life allows us to explain cellular change processes by connecting the genome and morphology (appearance) with its way of life.”

Among other things, Shalchian-Tabrizi wants to use the protozoan to investigate when photosynthesis arose among eukaryote organisms. Photosynthesis takes place in chloroplast.

Chloroplasts were originally free-living, blue green bacteria. If the researchers find genetic residues of these bacteria in the protozoan from Ås, this may indicate that photosynthesis arose earlier than supposed.

“There are many likely scenarios, but we still do not know the answer,” acknowledges Shalchian-Tabrizi.

The researchers also want to question when other characteristics arose, e.g. mitochondria, which are the energy motors of our cells.

 

Purifying drinking water in Japan.

In recent years researchers have found some apparently matching examples of the protozoan from Ås in Japan and South East Asia. A researcher from Japan arrived in Oslo with a glass of the species solely so that Klaveness could breed them.

“We are now going to gene sequence these organisms, because it is not certain that the genes are the same, even if the morphology is similar,” says Klaveness.

The Japanese hope that the protozoan can be used to purify drinking water by removing toxic, blue green bacteria.

Fonte: Research Magazine Apollon/University of Oslo

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Resenha do autor

Biólogos de todo mundo aguardam os resultados da análise genética de um protozoário encontrado em um pequeno lago a 30 km ao sul de Oslo, na Noruega, o protozoário de Ås, devido a sua localidade.

O protozoário foi descoberto em 1865 e só agora esta sendo analisado geneticamente. Ele nos permitirá entender as principais transformações que ocorreram na história da vida na Terra.

Ele vive na lama do fundo de um lago e mede cerca de 30 a 50 micrómetros de comprimento.

Pesquisadores da Universidade de Oslo Noruega compararam parte de seus genes com o de outras espécies conhecidas no mundo e viram que o protozoário não se encaixava em nenhum dos principais ramos da árvore da vida.

O protozoário não é um fungo, alga, parasita, planta ou animal, portanto é um ramo desconhecido da árvore da vida que até o momento representa o ser mais próximo das raízes da árvore da vida.

A árvore genealógica do protozoário da Ås começa na raiz das espécies eucarióticas. Ele originou-se a cerca de um bilhão de anos atrás, com uma margem de erro de 100 milhões de anos (que constitui é uma medição exata).

É difícil classificar bactérias em espécies. O conceito tradicional da biologia diz que uma espécie é constituída por animais semelhantes que tem a capacidade de reproduzir e gerar descendentes férteis, igualmente aos pais.

O problema é que bactérias não fazem sexo, então a espécie nesse nível da biologia pode ser classificada de acordo com a presença de flagelos e com base na relação entre estruturas e DNA dos microrganismos.

Flagelos são importantes quando se trata de capacidade de uma célula a se mover.

Assim como todos os outros mamíferos, as células do esperma humano tem apenas um flagelo. Portanto, a humanidade pertence ao grupo dos flagelados como fungos e amebas. Como veremos mais adiante, mesmo sendo flagelados o homem e o protozoário de Ås ainda são classificados em ramos diferentes dentro do grupo dos eucariotos.
Nossos parentes distantes dos ramos dos eucariotos são as plantas, algas e os excavatas que originalmente tem dois flagelos. É exatamente onde o protozoário de Ås se encaixa, no grupo dos excavate, pois ao contrario da regra geral de dois flagelos eles tem quatro.

Na classificação microobiologica os organismos mais primitivos tinham mais flagelos e foram perdendo dentro do grupo dos eucariotos

Enormes quantidades de amostras ambientais foram feitas no mundo todo.

Os pesquisadores têm procurado espécies e, banco de dados de DNA universais, mas só encontraram uma correspondência parcial com uma seqüência de genes de um grupo de microrganismos que vivem no Tibete.

Parece que somente algumas espécies existem neste ramo familiar da árvore da vida e sobreviveu a todo esse bilhão de anos desde as espécies eucarióticas aparecera na Terra pela primeira vez.

O protozoário vive fora das algas, mas os pesquisadores ainda não sabem muito sobre sua biologia ou ciclo de vida.

O que se sabe é que não são seres sociáveis, de fato, além de se alimentarem de algas podem se alimentar um dos outros, canibalismo.

O protozoário tem uma reentrância célula especial semelhante a um sulco e a mesma estrutura intracelular dos membro do reino  excavate.

Ele utiliza as mesmas estruturas que as amebas para capturar o seu alimento.

Isto significa que a espécie combina duas características de cada ramo da família dos grupos principais eucarióticas. Isso quer dizer que as espécies de microrganismos presentes neste lago podem pertencer a um grupo primordial.

O protozoário se alimenta principalmente de algas verdes. Uma vez que tanto protozoários e as algas verdes são espécies eucarióticas os pesquisadores estão tendo muito cuidado com os núcleos da célula do protozoário e o das algas para que não se misturem e interfiram na análise genética do microrganismo.

Em condições ideais os protozoários de Ås se dividem uma vez ao dia. Quando o protozoário têm se reproduzido o suficiente eles são centrifugados e tem os seus genes seqüenciado. Então o sequenciamento é comparado com sequências de genes equivalentes de outras espécies.

Há mais de 300.000 partes do genoma, mas ainda pouco se sabe a respeito da extensão do genoma desse ser.

O pesquisador da Universidade de Oslo Shalchian-Tabrizi quer usar o protozoário para investigar quando a fotossíntese surgiu entre os organismos eucariotos.

A fotossíntese ocorre no cloroplasto que segundo estudos evolutivos mostrou que eram seres de vida livre. Se os pesquisadores encontrarem resíduos genéticos desses cloroplastos no protozoário da Ås isso pode indicar que a fotossíntese se levantou mais cedo do que supunha.

Os pesquisadores também querem questionar quando outras características surgiram, por exemplo, mitocôndrias, que são os motores de energia de nossas células. Isso porque de acordo com o grupo dos excavates nem todos os representantes tem mitocôndrias e produzem energia através de outras bases bioquímicas.

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De onde vieram os excavates.

O excavate encontrado em Oslo realmente representa um organismo muito antigo, mas para o domínio dos eucariotos. É fundamental compreender a classificação deste animal e o seu peso representativo na árvore da vida, pois não é qualquer biólogo que conhece esse miolo da origem e da classificação dos primeiros seres vivos. Pelo simples fato de que isso não se explica na Universidade. O curso de biologia explica superficialmente o desenrolar da vida ao longo do tempo, mas não se foca nas características e classificações dos primeiros seres, mesmo porque são muito difíceis de se fazer considerando a raridades que esses seres são.

Como vimos acima, os excavates pertencem ao grupo dos Eucariotos. Este é dividido em duas classificações informais na biologia. Os Bikonta e os Unikonta.

Unikonta são os eucariotos que possuem um único flagelo, os dois grupos que eles foram são chamados de amebozoários e os Opistokonta. Neste último estão os fungos, os coanoflagelados, os animais, inclusive nós humanos.

Os excavates são classificados como Bikontas, pois são mais antigos. O termo refere-se a células eucariotas com dois flagelos e com a fusão de dois genes; o que produz a timidilato sintase e dihidrofolato reductase que codificam uma única proteína com dupla função enzimática. Diferente dos Unikonta que apresentam dois genes distintos para tais enzimas.

O excavate em questão representa um ancestral do grupo dos eucariotos justamente por apresentar diversas características primitivas, como a presença de quatro flagelos. Mas ele não é o ancestral mais próximo da primeira célula por diversos motivos.

A primeira célula foi um procarioto, e é datada em cerca de 4 bilhões de anos enquanto os excavates são datados em somente 1 bilhão. Eles remontam somente os primórdios dos eucariotos.

Em uma caminhada reversa, voltando no tempo em busca do último ancestral comum, na raiz monofilética da vida vemos a junção dos eucariotos com os procariotos e agrupamentos de bactérias com características cada vez mais primitivas até o suposto ancestral de todos. Nesse caminho há dois grupos hipotéticos, os neomura e o próprio ancestral comum, que ainda não foram encontrados.

O clado Neomura (designa Novas Membranas) ainda é ancestral especulativo. É o ancestral comum entre o domínio das arqueobacterias e os eucariotos.

O grupo é supostamente originário de bactérias  chamadas de Actinobacteria que evoluíram produzindo novas membranas celulares. De acordo com Cavalier-Smith, a distinção entre Neomura e as bactérias foi marcada por cerca de vinte adaptações evolucionárias que acompanharam ou derivaram de outras adaptações importantes como o desenvolvimento de histonas para substituir a enzima DNA girase e substituição da parede celular de peptidio-glicano por outras glicoproteínas.

As actinobacterias e endobacterias são grupo irmãos de bactérias que tem como suas prováveis ancestrais as Eubactérias.

As endobacterias recebem este nome porque formam endósporos, tornando-as assim resistentes à dissecação, e podem sobreviver em condições extremas. A cada momento que se volta no tempo geológico e há essa aproximação ao ancestral comum de toda a vida vemos grupos de seres microscópicos com resistência a situações extremas.

As eubactérias são remanescentes das cianobacterias. Foram durante muito tempo classificadas como algas na divisão Cyanophyta. Atualmente a classificação biológica não trata mais estes organismos como algas já que não têm relação filogenética com qualquer dos grupos de algas fotossintetizantes, mantendo seu relacionamento histórico sendo visto como prováveis antepassados dos cloroplastos que posteriormente foram responsáveis pela fotossíntese nas algas como as conhecemos em botânica.

O grupo das Gracilicutes é um antigo grupo abandonado pela classificação já que não representava um agrupamento com características especiais, seus membros foram distribuídos dentro dos grupos paralelos.

As cianobacterias descendem diretamente de hadobactérias e são formadas por indivíduos em forma de cocos extremamente resistente às condições ambientais extremas. Possuem uma parede celular espessa que oferece uma coloração gram-positiva embora possam ser revestidas por uma segunda membrana que é semelhante a estrutura das bactérias gram-negativas.

A hadobacteria como a Deinococcus radiodurans é um exemplo de como alguns tipos de bactéria conseguem sobreviver a situações extremas como a radiação ultravioleta do espaço, ambientes extremamente frios e oxidativos ou ainda severamente ionizados, além de poder atravessar o vácuo do espaço (MOLÉCULAS ESSENCIAIS PARA A VIDA NA TERRA PODEM TER VINDO DO ESPAÇO).

Assim, as hadobacterias são descendentes diretos do ancestral comum, ou LUCA (Last universal common ancestor).

Parece que um grupo denominado Chloroflexi formado por bactérias verdes não sulfurosas esta relacionado também com este ancestral comum. Eles obtêm energia mediante fotossíntese. A sua denominação deve-se ao fato de possuírem um pigmento verde, que se encontra geralmente associado a estruturas membranosas internas chamadas clorossomas.

As bactérias deste grupo são filamentosas e se movem deslizando. São seres aeróbios facultativos que não produzem oxigênio durante a fotossíntese. É um tipo muito diferente de fotossíntese denominada de anoxigénica.

A via de fixação de carbono delas também difere da de outras bactérias fotossintéticas. De fato, há diversos exemplos nesses seres primitivos que seguem configurações celulares diferentes das tradicionalmente conhecidas na biologia.

Por exemplo, os excavates do filo metamonada raramente possuem mitocôndrias. De fato, pensou-se que eram os mais primitivos eucariotos pelo fato de não apresentarem essas organelas. No entanto, descobriu-se que eles perderam as mitocôndrias secundariamente, retendo genes nucleares derivados delas. Essa relíquias de mitocôndrias incluem estruturas como a hidrogenossomas e mitossomas.

Ainda no grupo dos excavates os representantes do filo Heterolobosea apresentam mitocôndrias com crista discoidal que e um tipo bem primitivo de estrutura.

O Protozoário encontrado em Oslo entra em um das cinco classificações de excavates (Jakobida, Malawimonas, Metamonada, Euglenozoa ou Heterolobosea) e somente depois de analises de DNA saberemos qual é o seu relacionamento genético e como a arvore dos eucariotos vai ser reconfigurada.

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Scritto da Rossetti

Palavra chave: NetNature, Rossetti, Oslo, Noruega, Origem da Vida, Bactérias, Protozoários, Excavates, Eucariotos, Procariotos.

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Referências. 

* Thomas Cavalier-Smith. The origin of eukaryote and archaebacterial cells. Ann NY Acad Sci 503: 17–54 (1987).
* Patrick Keeling, Brian S. Leander, and Alastair Simpson. Eukaryota, Organisms with nucleated cells. Tree of Life Web Project.

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