O mundo pareceria muito diferente sem organismos multicelulares – tirando as plantas, animais, fungos e algas marinhas, a Terra começa a parecer uma versão mais úmida e verde de Marte. Mas exatamente como os organismos multicelulares evoluíram de ancestrais unicelulares permanece pouco compreendido. A transição aconteceu centenas de milhões de anos atrás, e as primeiras espécies multicelulares foram em grande parte perdidas para a extinção.

Para investigar como a vida multicelular evolui do zero, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia decidiram fazer a evolução por conta própria. Liderada por William Ratcliff, professor associado da Escola de Ciências Biológicas e diretor do Programa de Pós-Graduação Interdisciplinar em Biociências Quantitativas, uma equipe de pesquisadores iniciou o primeiro experimento de evolução de longo prazo com o objetivo de desenvolver novos tipos de organismos multicelulares a partir de ancestrais unicelulares . no laboratório.

Mais de 3.000 gerações de evolução de laboratório, os pesquisadores observaram como seu organismo modelo , " levedura floco de neve floco de neve ", começou a se adaptar como indivíduos multicelulares. Na pesquisa publicada na Nature , a equipe mostra como o fermento do floco de neve evoluiu para ser fisicamente mais forte e mais de 20.000 vezes maior que seu ancestral.

Esse tipo de evolução biofísica é um pré-requisito para o tipo de grande vida multicelular que pode ser vista a olho nu. O estudo é o primeiro grande relatório sobre o Multicelularity Long-Term Evolution Experiment (MuLTEE) em andamento, que a equipe espera realizar por décadas.

"Conceitualmente, o que queremos entender é como grupos simples de células evoluem em organismos, com especialização, crescimento coordenado, comportamentos multicelulares emergentes e ciclos de vida - o que diferencia uma pilha de espuma de lagoa de um organismo capaz de evolução sustentada ", disse Ratcliff. "Entender esse processo é um dos principais objetivos do nosso campo."

Ozan Bozdag, cientista pesquisador e ex-pesquisador de pós-doutorado no grupo de Ratcliff e primeiro autor do artigo, iniciou o MuLTEE em 2018, começando com levedura de floco de neve unicelular. Bozdag cultivou a levedura em incubadoras de agitação e a cada dia selecionava tanto para um crescimento mais rápido quanto para um tamanho de grupo maior.

A equipe selecionou o tamanho do organismo porque todas as linhagens multicelulares começaram pequenas e simples, e muitas evoluíram para serem maiores e mais robustas ao longo do tempo. Acredita-se que a capacidade de desenvolver corpos grandes e resistentes desempenhe um papel no aumento da complexidade, pois requer novas inovações biofísicas. No entanto, essa hipótese nunca havia sido testada diretamente em laboratório.

Ao longo de cerca de 3.000 gerações de evolução, sua levedura evoluiu para formar grupos que eram mais de 20.000 vezes maiores que seu ancestral. Elas passaram de invisíveis a olho nu para o tamanho de moscas-das-frutas, contendo mais de meio milhão de células. A levedura de floco de neve individual desenvolveu novas propriedades de material: embora começassem mais fracas que a gelatina, evoluíram para serem tão fortes e resistentes quanto a madeira.

Ao investigar como a levedura do floco de neve se adaptou para se tornar maior, os pesquisadores observaram que as células da levedura se alongaram, reduzindo a densidade das células agrupadas no grupo. Esse alongamento celular desacelerou o acúmulo de estresse célula a célula que normalmente causaria a fratura dos aglomerados, permitindo que os grupos ficassem maiores. Mas esse fato por si só deveria ter resultado apenas em pequenos aumentos de tamanho e resistência multicelular.

Para descobrir os mecanismos biofísicos precisos que permitiram o crescimento em tamanho macroscópico, os pesquisadores precisaram olhar dentro dos aglomerados de levedura para ver como as células interagiam fisicamente. Os microscópios de luz normais não conseguiram penetrar nos grupos grandes e densamente compactados, então os pesquisadores usaram um microscópio eletrônico de varredura para obter imagens de milhares de fatias ultrafinas da levedura, que lhes deram sua estrutura interna.

"Descobrimos que havia um mecanismo físico totalmente novo que permitia que os grupos crescessem até esse tamanho muito, muito grande", disse Bozdag. "Os ramos da levedura ficaram emaranhados - as células do aglomerado desenvolveram um comportamento semelhante ao da videira, envolvendo-se umas nas outras e fortalecendo toda a estrutura."

Simplesmente selecionando o tamanho do organismo, os pesquisadores descobriram como alavancar o mecanismo biomecânico de emaranhamento, que acabou tornando a levedura cerca de 10.000 vezes mais resistente como material.

“O emaranhamento já foi estudado em sistemas totalmente diferentes, principalmente em polímeros”, disse Peter Yunker, professor associado da Escola de Física e coautor do artigo. “Mas aqui estamos vendo o emaranhamento por meio de um mecanismo totalmente diferente – o crescimento das células, e não apenas por meio de seu movimento”.

Observar o emaranhamento foi um ponto de virada na compreensão dos pesquisadores de como grupos multicelulares simples evoluem. Como um novo organismo multicelular, a levedura floco de neve carece dos sofisticados mecanismos de desenvolvimento que caracterizam os organismos multicelulares modernos. Mas depois de apenas 3.000 gerações de evolução em laboratório, a levedura descobriu como conduzir e cooptar o emaranhamento celular como um mecanismo de desenvolvimento.

Investigações preliminares de outros fungos multicelulares mostram que eles também formam corpos multicelulares altamente emaranhados, sugerindo que o emaranhamento é uma característica multicelular difundida e importante neste ramo da vida multicelular.

“Estou muito animado por ter um sistema modelo onde podemos desenvolver a vida multicelular ao longo de milhares de gerações, aproveitando o incrível poder da ciência moderna”, disse Ratcliff. "Em princípio, podemos entender tudo o que está acontecendo, desde a biologia celular evolutiva até os traços biofísicos que estão diretamente sob seleção."

Por muito tempo, os humanos trabalharam com a biologia para desenvolver coisas novas – desde o milho que comemos até cães domesticados, galinhas e pombos-exibição. De acordo com Ratcliff, o que sua equipe está fazendo não é tão diferente.

“Ao colocar o dedo na escala da evolução de um organismo unicelular, podemos descobrir como eles evoluíram para organismos multicelulares progressivamente mais complexos e integrados, e podemos estudar esse processo ao longo do caminho”, disse ele. “Esperamos que este seja apenas o primeiro capítulo de uma longa história de descoberta multicelular enquanto continuamos a desenvolver levedura de floco de neve no MuLTEE”.