Pesquisadoras do Instituto Oceanográfico (IO) da Universidade de São Paulo (USP) identificaram uma nova espécie de arqueia em um vulcão ativo na Antártida.

O microrganismo unicelular da família Pyrodictiaceae foi encontrado em uma fumarola da Ilha Deception, local onde gases quentes de origem vulcânica escapam do solo em temperaturas que ultrapassam os 100°C, apesar de o ambiente ao redor ser cercado por gelo e neve.

O material genético da arqueia foi recuperado a partir de amostras coletadas em sedimentos da fumarola e, posteriormente, analisado por meio de ferramentas de sequenciamento e reconstrução genômica. A partir desse trabalho, a equipe conseguiu identificar características ligadas à sobrevivência do organismo em condições extremas.

A professora Amanda Bendia, do IO, atua na área de ecologia e evolução microbiana em ambientes marinhos extremos, com foco em oceano profundo e Antártida. Em 2014, ela participou de uma expedição científica do Programa Antártico Brasileiro a bordo do Navio Polar Almirante Maximiano, ocasião em que as amostras foram coletadas na Ilha Deception.

Na época, Bendia era doutoranda no IO e era orientada pela professora Vivian Pellizari, considerada pioneira no Brasil nos estudos de microrganismos que vivem em condições extremas. Anos depois, o material genético sequenciado voltou a ser analisado e revelou um novo gênero e espécie de arqueia da família Pyrodictiaceae. A nova espécie recebeu o nome de Pyroantarcticum pellizari, em homenagem à Pellizari.

Também participaram do estudo Ana Carolina Butarelli, doutoranda em microbiologia pelo Instituto de Ciências Biomédicas (ICB) da USP e pesquisadora do Laboratório de Ecologia Microbiana (Lecom) do IO, e Francielli Vilela Peres, pós-doutoranda em Oceanografia Biológica no instituto.

Reconstrução genética permitiu descoberta

A identificação do microrganismo foi possível por meio da técnica de montagem de metagenome-assembled genome (Mags);

O método permite reconstruir genomas a partir de dados de sequenciamento obtidos diretamente de amostras ambientais, sem necessidade de cultivo prévio em laboratório;

Segundo as pesquisadoras, a técnica é especialmente importante para organismos hipertermófilos, capazes de sobreviver em temperaturas acima de 60°C e que frequentemente não conseguem ser cultivados em laboratório;

“Cada organismo presente na amostra tem um genoma, e muitas vezes temos milhões de microrganismos no material. Então, imagine ter que segmentar e sequenciar o DNA para reconstruir o genoma desses seres”, explicou Butarelli ao Jornal da USP;

O domínio Archaea reúne microrganismos unicelulares procariontes, sem núcleo celular, semelhantes morfologicamente às bactérias, mas geneticamente e bioquimicamente distintos tanto delas quanto dos eucariontes, grupo que inclui animais, plantas, fungos e algas.

A consolidação do sistema de classificação em três domínios — Bacteria, Archaea e Eukarya — ocorreu apenas na década de 1990. Por isso, as descobertas relacionadas às arqueias ainda são relativamente recentes. “A todo tempo estamos descobrindo algo novo sobre as arqueias. A Pyrodictiaceae, por exemplo, foi descoberta há cerca de dez anos”, afirmou Butarelli.

Vulcão da Ilha Deception favorece organismos hipertermófilos

Atualmente, a Antártida possui quatro vulcões ativos, sendo três no continente e um na Ilha Deception. Segundo as pesquisadoras, os vulcões localizados no continente atingem temperaturas de até 65°C, condição considerada insuficiente para selecionar arqueias hipertermófilas.

Já as fumarolas da Ilha Deception ultrapassam os 100°C, criando condições adequadas para a sobrevivência desses microrganismos.

Antes da descoberta da Pyroantarcticum pellizari, outro grupo de arqueias hipertermófilas já havia sido identificado em fumarolas antárticas por pesquisadores estrangeiros. No entanto, organismos do gênero Pyrodictium, pertencentes à família Pyrodictiaceae, eram encontrados principalmente em fontes hidrotermais do oceano profundo.

Bendia explicou que essas fontes hidrotermais podem atingir temperaturas superiores a 400°C e oferecem elementos químicos essenciais para a manutenção da vida microbiana. Ao mesmo tempo, a água ao redor permanece em torno de 4°C, característica típica de regiões profundas do oceano.

Segundo a pesquisadora, essas diferenças de temperatura e pressão indicam a capacidade de sobrevivência em ambientes extremos e levantam hipóteses sobre mecanismos biológicos capazes de permitir a adaptação a condições tão contrastantes.

Inicialmente, as cientistas acreditavam que o microrganismo encontrado pertencia ao mesmo gênero das arqueias conhecidas em fontes hidrotermais marinhas profundas. No entanto, a arqueia identificada vive em uma fumarola de superfície, em ambiente polar e sob condições atmosféricas diferentes.

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Genoma revelou mecanismos de adaptação do microrganismo

Para classificar um novo gênero e espécie, as pesquisadoras utilizaram protocolos que envolvem análises de filogenia, adaptações moleculares, genômica comparativa e funções biológicas desempenhadas pelos organismos.

Como os microrganismos não podem ser cultivados em laboratório, devido à dificuldade de reproduzir artificialmente as condições extremas em que vivem, a obtenção de um genoma de alta qualidade se tornou fundamental. Segundo o estudo, o material analisado apresentou menos de 10% de contaminação.

A análise genética permitiu identificar relações de parentesco entre organismos e também inferir atividades metabólicas e possíveis comportamentos.

“Quando acessamos o genoma, temos acesso a uma foto do material genético, só que não sabemos se aquele organismo está realmente transcrevendo e traduzindo aquele material para produzir uma proteína. Porém, nós podemos inferir que ele tem essa habilidade, já que aquele gene está dentro do seu genoma”, explicou Butarelli.

As pesquisadoras também identificaram proteínas relacionadas à adaptação ao calor extremo. Entre elas está a girase reversa, proteína capaz de impedir que o DNA se desnature em altas temperaturas, característica considerada comum em arqueias hipertermófilas.

A análise dos genes exclusivos do genoma revelou ainda mecanismos relacionados à ciclagem de enxofre e nitrogênio, além de estruturas como cânulas e sistemas de resistência ao estresse.

Segundo o estudo, essas características apontam para estratégias de sobrevivência associadas à disponibilidade transitória de energia, ao estresse provocado por metais e às interações entre microrganismos presentes nos sedimentos.

As cientistas destacaram que o genoma obtido oferece informações relevantes sobre o potencial da vida microbiana em ambientes extremos, tema considerado importante para pesquisas em astrobiologia, bioprospecção microbiana e estudos sobre mudanças climáticas em ecossistemas polares.

“Ao tratar de um organismo que não é muito estudado, ou no nosso caso, um gênero e uma espécie nova, ter o genoma completo implica diretamente na quantidade de informações sobre esse organismo. Então, a taxa de 97% de pureza no genoma é um caminho importante para divulgar a descoberta em todo o mundo, além de contribuir com os bancos de dados científicos”, afirmou Peres.

Desafios científicos e próximos passos

Segundo as pesquisadoras, recuperar o DNA da amostra levou aproximadamente um ano de trabalho. Além das dificuldades logísticas de pesquisa na Ilha Deception, a equipe enfrentou obstáculos relacionados à escassez de estudos disponíveis sobre esses microrganismos.

A análise laboratorial e computacional também exigiu ampla infraestrutura da universidade e conhecimento técnico especializado. “Apesar de parecer muito glamuroso, legal e incrível nosso trabalho, também existe a parte complexa de ser cientista. Estudar um organismo que ninguém conhece é um enorme desafio”, ressaltou Araújo.

A espécie Pyroantarcticum pellizari foi submetida ao registro oficial do SeqCode, sistema internacional de nomenclatura para Archaea e Bacteria baseado em informações genéticas. O nome já foi oficialmente reconhecido.

As pesquisadoras pretendem retornar futuramente à Ilha Deception para realizar novas coletas na fumarola e tentar cultivar a espécie em laboratório.

O estudo, intitulado Hot life in Antarctica: a novel metabolically versatile Pyrodictiaceae genus thriving at a volcanic–cryosphere–marine interface, foi publicado na revista científica ISME Communications.

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