A competição e a cooperação são forças fundamentais que governam a dinâmica evolutiva e ecológica entre as espécies. O equilíbrio entre estas forças varia entre os contextos ecológicos, com alguns ambientes favorecendo comportamentos cooperativos que promovem o benefício mútuo, enquanto outros recompensam estratégias competitivas que maximizam a aptidão individual.



Entre as comunidades microbianas, os produtos químicos que são segregados para o ambiente proporcionam oportunidades tanto para a cooperação como para a exploração, dando origem, em alguns casos, a "trapaceiros" microbianos. Estes trapaceiros exploram os comportamentos cooperativos dos seus homólogos, beneficiando-se dos compostos secretados sem pagar os custos metabólicos de produção.

Em um novo artigo publicado em Molecular Biology and Evolution , pesquisadores da Universidade de Wisconsin-Madison e da Universidade Vanderbilt revelam a história evolutiva das moléculas de absorção de ferro secretadas em leveduras, lançando uma nova luz sobre a dinâmica cooperativa e competitiva que molda as comunidades microbianas limitadas em ferro.

A maioria dos organismos necessita de ferro para numerosos processos biológicos, mas são incapazes de absorver a forma mais comum de ferro no meio ambiente. O ferro é, portanto, frequentemente um recurso limitado nas comunidades biológicas. Para superar essa escassez, os microrganismos desenvolveram a capacidade de eliminar o ferro do meio ambiente por meio de sideróforos, moléculas com alta afinidade pelo tipo de ferro encontrado no meio ambiente.

Os sideróforos são sintetizados dentro da célula e depois secretados no meio ambiente, onde se ligam ao ferro; as moléculas ligadas ao ferro devem então ser importadas de volta para a célula antes que o ferro possa ser liberado e usado no metabolismo celular. Os sideróforos secretados no meio ambiente podem ser explorados por trapaceiros, que ganham uma vantagem de aptidão ao consumir sideróforos ligados ao ferro sem investir energia em sua produção.

Embora a maioria das leveduras seja incapaz de produzir sideróforos, uma equipe de pesquisa liderada por Chris Hittinger descobriu que as leveduras do clado Wickerhamiella/Starmerella (W/S) poderiam produzir um sideróforo chamado enterobactina. Os genes necessários para sintetizar a enterobactina foram aparentemente transferidos horizontalmente de uma bactéria antiga para o ancestral das leveduras W/S.

Curiosamente, no entanto, as leveduras W/S não tinham nenhuma forma aparente de reimportar o sideróforo da enterobactina, uma vez ligado ao ferro. “Não encontramos nenhum gene bacteriano que codifique um transportador de enterobactina em seus genomas”, diz Liang Sun, principal autor do novo artigo.

"Secretar enterobactina sem trazê-la de volta para a célula para absorção de ferro não seria uma jogada inteligente para uma célula de levedura, por isso estávamos muito curiosos para saber como essas leveduras poderiam potencialmente utilizar o ferro ligado à enterobactina."

Para resolver esse quebra-cabeça, a equipe pesquisou no genoma de Starmerella bombicola um mecanismo alternativo para o transporte de sideróforos. Através de experimentos direcionados de interrupção genética e análises filogenômicas, a equipe identificou um gene conhecido como ENB1 como crucial para a absorção de ferro ligado à enterobactina em St. Surpreendentemente, o ENB1 é um gene fúngico antigo que provavelmente remonta a centenas de milhões de anos, antecedendo a divergência das linhagens fúngicas Basidiomycota e Ascomycota.

Análises adicionais revelaram uma história complexa de ENB1 em leveduras. Os pesquisadores propuseram que o ENB1 foi transferido horizontalmente de um ancestral do clado W/S para uma antiga linhagem de Saccharomycetales, grupo que inclui Saccharomyces cerevisiae, usado para fazer pão, cerveja e vinho. Esta transferência, juntamente com subsequentes duplicações e perdas genéticas, moldou a distribuição irregular da utilização de enterobactina atualmente observada entre leveduras.

Estas descobertas têm várias implicações interessantes para a história da absorção de ferro nas leveduras. Como a absorção de enterobactina aparentemente antecede a capacidade de produzir enterobactina em leveduras W/S, os ancestrais deste clado eram provavelmente trapaceiros que se beneficiaram da produção de enterobactina por outros micróbios em seu ambiente.

Posteriormente, o clado W/S adquiriu genes de biossíntese de enterobactina de uma bactéria dentro de um contexto ecológico em que ser produtor era mais vantajoso do que ser trapaceiro.

Com base no que se sabe sobre a distribuição dessas leveduras, os autores do estudo propõem que isso ocorreu no intestino de um inseto, onde a competição pelo ferro entre bactérias, leveduras e o hospedeiro pode ser acirrada. A capacidade das leveduras W/S de produzir enterobactina e importá-la usando o transportador Enb1 pode ter proporcionado uma vantagem de aptidão neste ambiente altamente competitivo e limitado em ferro.

Em contraste, a retenção de ENB1 em trapaceiros como S. cerevisiae “pode estar associada a nichos ecológicos onde coabitantes bacterianos e fúngicos produzem enterobactina em resposta à escassez de ferro”, segundo os autores do estudo. “Por outro lado, a perda de ENB1 pode ter ocorrido em leveduras que vivem em ambientes com disponibilidade relativamente alta de ferro ou onde os produtores de enterobactina estão ausentes”.

Embora estes resultados sejam intrigantes, são necessárias pesquisas adicionais para descobrir completamente os mecanismos pelos quais os genes da enterobactina fúngica e bacteriana foram integrados nas leveduras W/S. Segundo Sun, esses genes devem ser fortemente co-regulados, pois “a secreção e importação desequilibradas de enterobactina podem impedir a absorção de ferro e, subsequentemente, levar a defeitos de crescimento nas leveduras”.

Infelizmente, Sun observa que as redes metabólicas e reguladoras destas leveduras não são bem compreendidas, o que poderia tornar os estudos futuros um desafio:“Estudar a regulação desta via específica pode, portanto, exigir um esforço adicional para preencher algumas destas lacunas”.

Apesar destes obstáculos, este sistema oferece um modelo único para futuras pesquisas sobre a dinâmica evolutiva dos transportadores de sideróforos em leveduras e o seu papel na promoção da cooperação e da trapaça nas comunidades microbianas.

Mais informações: Liang Sun et al, Integração Funcional e Evolutiva de um Gene Fúngico com um Operon Bacteriano, Biologia Molecular e Evolução (2024). DOI:10.1093/molbev/msae045
Informações do diário: Biologia Molecular e Evolução

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