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A vida em ambientes extremos: biologia molecular de extremófilos

Lidar com situações extremas de pressão atmosférica, temperatura ou até mesmo radiação pode parecer coisa de super-herói, mas para os seres extremófilos essas condições fazem parte da vida. Esses organismo foram apresentados aos alunos do Adote um Cientista, na tarde de 25 de abril, pela pesquisadora Marjorie Pontelli. O tema - que foi abordado anteriormente por sua orientadora, a professora Tie Koide, durante um encontro em 2011 com os jovens do programa - provocou a curiosidades dos alunos, que manifestaram diversas perguntas sobre as peculiaridades desses organismos.

Nas palavras da pesquisadora

A Biologia Sistêmica é o ramo da ciência que busca entender os organismos biológicos em todos os seus níveis, desde a caracterização de suas partes constituintes (genes, RNAs, proteínas, metabólitos), a elucidação das interconexões entre os distintos membros dessas redes de interações, até a compreensão do organismo como um todo. Para enfrentar esse desafio, a Biologia Sistêmica utiliza uma abordagem multidisciplinar, empregando ferramentas moleculares, computacionais, matemáticas e estatísticas a fim de ter uma visão mais completa dos comportamentos que regem os circuitos celulares. Um organismo modelo muito atrativo para esse ramo da ciência é o extremófilo Halobacterium salinarum. Como faz parte do domínio arqueia, H. salinarum possui características compartilhadas entre o domínio dos eucariontes e também das bactérias. Um exemplo disso são seus mecanismos de replicação, transcrição e tradução, os quais utilizam proteínas e estruturas muito próximos dos eucariotos; enquanto, ao mesmo tempo, apresenta uma genoma com poucas regiões intergênicas, com muito genes dispostos em operons como em bactérias. Desta forma, pretende-se criar modelos quantitativos que integrem os diversos níveis de informação, de forma a não só descrever como também, prever o comportamento de H. salinarum em resposta a perturbações ambientais.

Marjorie Cornejo Pontelli

Laboratório de Biologia Sistêmica de Microorganismos (LaBiSisMi) - FMRP/USP.

 

Extremófilos, a complexidade de organismos simples

Com um pouco de bom-senso, facilmente conseguimos distinguir uma situação agradável de uma hostil, o que nos leva a crer que não haja vida em ambientes extremos como um vulcão, ou numa geleira eterna, bem como numa salina ou num lago de ácido sulfúrico. Entretanto, conhecer os organismos extremófilos nos proporciona um diálogo profundo com nossos conhecimentos para entender a vida em nível molecular.
Ilustre representante dos seres procariontes – que não possuem organelas membranosas e cujo DNA não se restringe ao núcleo (envolvido por uma membrana nuclear) –, uma arqueia é bastante parecida com uma bactéria, se diferenciando pela estrutura da membrana, razão pela qual são mais resistentes a essas situações extremas (de onde vem o nome extremófilo).
“Acima da classificação de Reino existe o Domínio, categoria em que se encaixam as Archaeas”. A afirmação surpreendeu o Aluno Hugo Valadão, que frenquenta o Adote um Cientista há 2 anos: "Nossa, existe classificação acima de Reino?". 
Sendo um procarionte, a arqueia é um organismo simples, não é mesmo? Até certo ponto, pois o que intriga muitos pesquisadores é sua capacidade de reparo e regulação da expressão gênica, que é muito semelhante à de células eucarióticas (presentes em animais e vegetais). Essa propriedade, associada ao fato de serem facilmente cultiváveis em laboratório (no caso da Halobacterium salinarium, que se contenta com altas concentrações de sal) elegeu as arqueias como organismos modelo em ciência.
Contudo, para nos debruçarmos no estudo dos extremófilos, a Biologia Sistêmica se mostra imprescindível, afinal, é por meio de recursos interdisciplinares das ciências da biologia, matemática, computação e engenharia que conseguimos penetrar nos mecanismos celulares, usando-os como simulação para algumas situações comuns a nós, seres humanos.
Fugindo do heroísmo das arqueias, os alunos também foram surpreendidos ao conhecer condições inferiores às previstas na escala de potencial hidrogeniônico, além de conceitos sobre regulação gênica e como essa expressão de genes pode influenciar em elementos fenotípicos.


Para Pensar...
Conforme vimos no experimento “Abalando as Estruturas”, se uma proteína é exposta a condições de pH ou temperatura inóspitas, tende a se desnaturar, mudando sua estrutura e, consequentemente, perdendo sua função. Sabendo disso, por que as proteínas da arqueia resistem à desnaturação?

Marjorie explica que a desnaturação de proteínas consiste da perda da estrutura tridimensional destas moléculas, sem a ruptura das ligações entre os aminoácidos. A estrutura terciária ou tridimensional das proteínas é mantida por um conjunto de forças, são elas: interação eletrostática (atração ou repulsão dos radicais carregados dos aminoácidos), pontes de hidrogênio (tanto com os radicais dos aminoádicos quanto com a água) e pela hidrofobicidade (aversão a água). Logo, a desnaturação ocorre quando essas forças são rompidas de alguma forma, seja temperatura, sal, solventes orgânicos ou pH. Dentro do Domínio Archaea encontramos várias estratégias adotadas para suportar as condições extremas. Os acidófilos e os alcalófilos mantém o pH intracelular próximo a neutralidade, portanto, a maquinaria enzimática não necessita de nenhuma mudança. Os halófilos, que vivem em ambientes próximos a saturação do sal, acumulam íon potássio (atrai menos água que o sódio) no interior da célula, por isso, as proteínas apresentam mair número de aminoácidos carregados negativamente para atraírem cátions (íons positivos) hidratados, mantendo a proteína solúvel. Já as proteínas dos hipertermófilos são ricas em aminoácidos carregados que quando interagem formam redes de pontes de sal, uma combinação entre interações eletrostáticas e pontes de hidrogênio, aumentando a força total que mantém a estrutura terciária.

 


Espaço dos alunos

A partir da análise das filipetas do encontro do dia 25 de abril, a equipe da Casa da Ciência produziu este infográfico destacando as principais dúvidas manifestadas pelos alunos e os principais conceitos aprendidos no encontro. A finalidade deste instrumento é a avaliação dos momentos de aprendizagem do aluno e valorização da sua dúvida.

 As informações reportadas no infográfico referem-se a um exercício de avaliação realizado pelos alunos, que participam registrando um conceito e uma dúvida que surgiu durante a conversa com o pesquisador.

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