Como Bill Murray no filme "Feitiço do Tempo", espécies de bactérias em um lago de Wisconsin estão em um tipo de loop infinito que elas parecem não conseguir sacudir. Só que neste caso, é mais como o Ano da Marmota.

De acordo com um estudo publicado na Nature Microbiology , pesquisadores descobriram que, ao longo de um ano, a maioria das espécies individuais de bactérias no Lago Mendota evoluem rapidamente, aparentemente em resposta a mudanças drásticas nas estações.

Variantes genéticas aumentariam e diminuiriam ao longo de gerações, mas centenas de espécies separadas retornariam, quase completamente, a cópias próximas do que eram geneticamente antes de cerca de mil gerações de pressões evolutivas. (Micróbios individuais têm vida útil de apenas alguns dias — não estações inteiras — então o trabalho dos cientistas envolveu comparar genomas bacterianos para examinar mudanças em espécies ao longo do tempo.)

Essa mesma mudança sazonal se repetia ano após ano, como se a evolução fosse um filme que voltava ao início a cada vez e era exibido novamente, aparentemente sem chegar a lugar nenhum.

"Fiquei surpreso que uma porção tão grande da comunidade bacteriana estivesse passando por esse tipo de mudança", disse Robin Rohwer, pesquisador de pós-doutorado na Universidade do Texas em Austin, no laboratório do coautor Brett Baker. "Eu esperava observar apenas alguns exemplos legais, mas havia literalmente centenas."

Rohwer liderou a pesquisa, primeiro como aluno de doutorado trabalhando com Trina McMahon na Universidade de Wisconsin-Madison e depois na UT.

O Lago Mendota muda muito de estação para estação — durante o inverno, ele fica coberto de gelo e, durante o verão, fica coberto de algas. Dentro da mesma espécie bacteriana , as cepas que são mais bem adaptadas a um conjunto de condições ambientais superarão outras cepas por uma estação, enquanto outras cepas terão a chance de brilhar durante estações diferentes.

A equipe usou um arquivo exclusivo de 471 amostras de água coletadas ao longo de 20 anos no Lago Mendota por McMahon, Rohwer e outros pesquisadores da UW-Madison como parte de projetos de monitoramento de longo prazo.

Para cada amostra de água, eles montaram um metagenoma, todas as sequências genéticas de fragmentos de DNA deixados para trás por bactérias e outros organismos. Isso resultou na mais longa série temporal de metagenoma já coletada de um sistema natural.

"Este estudo é uma virada de jogo total em nossa compreensão de como as comunidades microbianas mudam ao longo do tempo", disse Baker. "Este é apenas o começo do que esses dados nos dirão sobre ecologia microbiana e evolução na natureza."

Este arquivo também revelou alterações genéticas mais duradouras.

Em 2012, o lago passou por condições incomuns: a cobertura de gelo derreteu mais cedo, o verão foi mais quente e seco do que o normal, o fluxo de água de um rio que deságua no lago diminuiu e as algas, que são uma importante fonte de nitrogênio orgânico para bactérias, estavam mais escassas do que o normal.

Como Rohwer e a equipe descobriram, muitas das bactérias no lago naquele ano sofreram uma grande mudança nos genes relacionados ao metabolismo do nitrogênio, possivelmente devido à escassez de algas.

"Eu pensei que, entre centenas de bactérias, eu poderia encontrar uma ou duas com uma mudança de longo prazo", disse Rohwer. "Mas, em vez disso, uma em cada cinco teve grandes mudanças de sequência que se desenrolaram ao longo dos anos. Só conseguimos nos aprofundar em uma espécie, mas algumas dessas outras espécies provavelmente também tiveram grandes mudanças genéticas."

A maioria das espécies de bactérias no Lago Mendota evoluiu rapidamente com a mudança das estações, retornando a um estado semelhante a cada ano, por 20 anos. Os pontos azuis representam o quanto as espécies individuais dentro do gênero Nanopelagicus mudaram geneticamente ao longo do tempo. A linha preta representa uma média móvel de 6 meses. Crédito: University of Texas em Austin

Cientistas do clima preveem eventos climáticos mais extremos — como o verão quente e seco experimentado no Lago Mendota em 2012 — para o centro-oeste dos EUA durante os próximos anos.

Diferentemente de outro famoso experimento de evolução bacteriana na UT, o Long-Term Evolution Experiment , o estudo de Rohwer e Baker envolveu a evolução bacteriana sob condições complexas e em constante mudança na natureza. Os pesquisadores usaram os recursos de supercomputação do Texas Advanced Computing Center (TACC) para reconstruir genomas bacterianos a partir de sequências curtas de DNA nas amostras de água .

O mesmo trabalho que levou alguns meses para ser concluído no TACC levaria 34 anos com um laptop, estimou Rohwer, envolvendo mais de 30.000 genomas de cerca de 2.800 espécies diferentes.

"Imagine que o genoma de cada espécie é um livro, e cada pequeno fragmento de DNA é uma frase", disse Rohwer. "Cada amostra tem centenas de livros, todos cortados nessas frases. Para remontar cada livro, você tem que descobrir de qual livro cada frase veio e colocá-las de volta em ordem."

Outros coautores do novo estudo são Mark Kirkpatrick, da UT; Sarahi Garcia, da Universidade Carl von Ossietzky de Oldenburg (Alemanha) e da Universidade de Estocolmo; e Matthew Kellom, do Instituto Conjunto do Genoma do Departamento de Energia dos EUA.

Este é um dos dois artigos relacionados publicados no periódico; o artigo complementar se concentra na ecologia e evolução de vírus das mesmas amostras de lagos.