Dos trópicos aos pólos, da superfície do mar até centenas de metros abaixo, os oceanos do mundo estão repletos de um dos menores organismos: um tipo de bactéria chamada Prochlorococcus, que, apesar de seu tamanho minúsculo, é coletivamente responsável por uma porção considerável de a produção de oxigênio dos oceanos. Mas a notável capacidade desses organismos diminutos de se diversificar e se adaptar a ambientes tão profundamente diferentes permaneceu um mistério.

Agora, uma nova pesquisa revela que essas minúsculas bactérias trocam informações genéticas umas com as outras, mesmo quando muito separadas, por um mecanismo não documentado anteriormente. Isso lhes permite transmitir blocos inteiros de genes, como os que conferem a capacidade de metabolizar determinado tipo de nutriente ou de se defender de vírus, mesmo em regiões onde sua população aquática é relativamente escassa.

As descobertas descrevem uma nova classe de agentes genéticos envolvidos na transferência horizontal de genes, na qual a informação genética é transmitida diretamente entre organismos – sejam da mesma espécie ou de espécies diferentes – por outros meios além da descendência linear. Os pesquisadores apelidaram os agentes que realizam essa transferência de "tycheposons", que são sequências de DNA que podem incluir vários genes inteiros, bem como sequências vizinhas, e podem se separar espontaneamente do DNA circundante. Então, eles podem ser transportados para outros organismos por um ou outro sistema de transporte possível, incluindo pequenas bolhas conhecidas como vesículas que as células podem produzir a partir de suas próprias membranas.

A pesquisa, que incluiu o estudo de centenas de genomas de Prochlorococcus de diferentes ecossistemas ao redor do mundo, bem como amostras de diferentes variantes cultivadas em laboratório, e até processos evolutivos realizados e observados em laboratório, é relatada hoje na revista Cell , em uma artigo dos ex-pós-doutorandos do MIT Thomas Hackl e Raphaël Laurenceau, visitando o pós-doutorando Markus Ankenbrand, Professor do Instituto Sallie "Penny" Chisholm e 16 outros no MIT e outras instituições.

Chisholm, que desempenhou um papel na descoberta desses organismos onipresentes em 1988, diz sobre as novas descobertas: "Estamos muito entusiasmados com isso porque é um novo agente horizontal de transferência de genes para bactérias e explica muitos dos padrões que vemos em Prochlorococcus na natureza, a incrível diversidade." Agora considerado o organismo fotossintético mais abundante do mundo, as minúsculas variantes do que são conhecidas como cianobactérias também são os menores de todos os fotossintetizadores.

O que Hackl, Laurenceau e Ankenbrand investigaram foram "ilhas" de material genético que pareciam ser focos de variabilidade e muitas vezes continham genes associados a processos-chave de sobrevivência conhecidos, como a capacidade de assimilar nutrientes essenciais e muitas vezes limitantes, como ferro, ou nitrogênio ou fosfato. Essas ilhas continham genes que variavam enormemente entre espécies diferentes, mas sempre ocorriam nas mesmas partes do genoma e às vezes eram quase idênticos mesmo em espécies muito diferentes — um forte indicador de transferência horizontal.

Mas os genomas não mostraram nenhuma das características usuais associadas ao que é conhecido como elementos genéticos móveis, então inicialmente isso permaneceu um quebra-cabeça. Tornou-se gradualmente aparente que esse sistema de transferência e diversificação de genes era diferente de qualquer um dos vários outros mecanismos observados em outros organismos, inclusive em humanos.

Hackl descreve o que eles encontraram como sendo algo como um conjunto genético de LEGO, com pedaços de DNA agrupados de maneiras que podem conferir quase instantaneamente a capacidade de adaptação a um ambiente específico. Por exemplo, uma espécie limitada pela disponibilidade de determinados nutrientes pode adquirir genes necessários para aumentar a absorção desse nutriente.

Os micróbios parecem usar uma variedade de mecanismos para transportar esses tycheposons (um nome derivado do nome da deusa grega Tyche, filha de Oceanus). Uma delas é o uso de vesículas de membrana, pequenas bolhas retiradas da superfície de uma célula bacteriana e liberadas com tycheposons dentro dela. Outra é "sequestrar" infecções por vírus ou fagos e permitir que carreguem os tycheposons junto com suas próprias partículas infecciosas, chamadas capsídeos. Essas são soluções eficientes, diz Hackl, "porque em mar aberto, essas células raramente têm contatos célula a célula, por isso é difícil para elas trocar informações genéticas sem um veículo".

E com certeza, quando os capsídeos ou vesículas coletadas do oceano aberto foram estudados, "eles são realmente bastante enriquecidos" nesses elementos genéticos, diz Hackl. Os pacotes de códigos genéticos úteis estão "na verdade nadando nessas partículas extracelulares e potencialmente podendo ser absorvidos por outras células".

Chisholm diz que "no mundo da genômica, há muitos tipos diferentes desses elementos" - sequências de DNA capazes de serem transferidas de um genoma para outro. No entanto, "este é um novo tipo", diz ela. Hackl acrescenta que "é uma família distinta de elementos genéticos móveis. Tem semelhanças com outras, mas não há conexões realmente estreitas com nenhuma delas".

Embora este estudo tenha sido específico para o Prochlorococcus, Hackl diz que a equipe acredita que o fenômeno pode ser mais generalizado. Eles já encontraram elementos genéticos semelhantes em outras bactérias marinhas não relacionadas, mas ainda não analisaram essas amostras em detalhes. "Elementos análogos foram descritos em outras bactérias e agora pensamos que eles podem funcionar de maneira semelhante", diz ele.

"É uma espécie de mecanismo plug-and-play, onde você pode ter peças com as quais pode brincar e fazer todas essas combinações diferentes", diz ele. "E com o enorme tamanho da população de Prochlorococcus, ele pode brincar muito e tentar várias combinações diferentes."

Nathan Ahlgren, professor assistente de biologia na Clark University, que não esteve associado a esta pesquisa, diz: "A descoberta dos tycheposons é importante e emocionante porque fornece uma nova compreensão mecanicista de como os Prochlorococcus são capazes de trocar dentro e fora de novos genes, e, portanto, características ecologicamente importantes. Tycheposons fornecem uma nova explicação mecanicista de como isso é feito." Ele diz: "eles adotaram uma maneira criativa de pescar e caracterizar esses novos elementos genéticos 'escondidos' nos genomas do Prochlorococcus".

Ele acrescenta que as ilhas genômicas, as porções do genoma onde esses tycheposons foram encontrados, “são encontradas em muitas bactérias, não apenas em bactérias marinhas , então trabalhos futuros com tycheposons têm implicações mais amplas para nossa compreensão da evolução dos genomas bacterianos”.

A equipe incluiu pesquisadores do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental do MIT, da Universidade de Würzburg na Alemanha, da Universidade do Havaí em Manoa, da Ohio State University, da Oxford Nanopore Technologies na Califórnia, do Bigelow Laboratory for Ocean Sciences no Maine e do Wellesley College.