Quando você nasceu, herdou metade de seus genes de sua mãe e metade de seu pai. Esse é o seu lote. Esses bits herdados de DNA permanecerão com você por toda a sua vida, sem mais acréscimos ou omissões. Você não pode ter nenhum dos meus genes, e eu não posso adquirir nenhum dos seus.
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Mas imagine um mundo diferente onde amigos e colegas possam trocar genes à vontade. Se seu chefe tem um gene que a torna resistente a vários vírus, você pode pegá-lo emprestado. Se seu filho tem um gene que o coloca em risco de doença, você pode trocá-lo pela sua versão mais saudável. Se os parentes distantes tiverem um gene que lhes permita digerir melhor certos alimentos, é seu. Nesse mundo, os genes não são apenas heranças passadas verticalmente de uma geração para outra, mas mercadorias a serem negociadas horizontalmente, de um indivíduo para outro.
Este é exatamente o mundo em que as bactérias vivem. Elas podem trocar o DNA com a mesma facilidade com que trocamos números de telefone, dinheiro ou ideias. Às vezes, eles se aproximam, criam um elo físico e espalham pedaços de DNA: o equivalente ao sexo. Eles também podem escavar pedaços de DNA descartados em seu ambiente, deixados por seus vizinhos mortos e em decomposição. Eles podem até confiar em vírus para mover genes de uma célula para outra. O DNA flui tão livremente entre eles que o genoma de uma bactéria típica é marmoreado com genes que chegam de seus pares. Mesmo cepas estreitamente relacionadas podem ter diferenças genéticas substanciais.
As bactérias vêm realizando essas transferências horizontais de genes, ou HGT, por bilhões de anos. Mas não foi até a década de 1920 que os cientistas perceberam o que estava acontecendo. Eles notaram que cepas inofensivas de Pneumococcus poderiam de repente começar a causar doenças depois de se misturarem com os restos mortos e descascados de cepas infecciosas. Algo nos extratos os havia mudado. Em 1943, um “revolucionário silencioso” e um microbiologista chamado Oswald Avery mostraram que esse material transformador era o DNA, que as cepas não infecciosas haviam absorvido e integrado em seus próprios genomas. Quatro anos depois, um jovem geneticista chamado Joshua Lederberg (que mais tarde popularizaria a palavra "microbioma") mostrou que as bactérias podem trocar o DNA mais diretamente.
Eu Contento Multidões: Os Micróbios Dentro de Nós e uma Visão Geral da Vida
ComprarSessenta anos depois, sabemos que a HGT é um dos aspectos mais profundos da vida bacteriana. Permite que as bactérias evoluam em velocidades de formação de bolhas. Quando eles enfrentam novos desafios, eles não precisam esperar que as mutações certas se acumulem lentamente dentro do DNA existente. Eles podem simplesmente emprestar adaptações por atacado, pegando genes de transeuntes que já se adaptaram aos desafios em questão. Esses genes geralmente incluem refeitórios para quebrar fontes inexploradas de energia, escudos que protegem contra antibióticos ou arsenais para infectar novos hospedeiros. Se uma bactéria inovadora desenvolve uma dessas ferramentas genéticas, seus vizinhos podem obter rapidamente os mesmos traços. Este processo pode instantaneamente transformar os micróbios de inofensivos residentes em monstros causadores de doenças, dos pacíficos Jekylls em sinistros Hydes.
Eles também podem transformar agentes patogênicos vulneráveis que são fáceis de matar em “superbactérias” de pesadelo que encolhem até mesmo nossos remédios mais potentes. A propagação dessas bactérias resistentes a antibióticos é, sem dúvida, uma das maiores ameaças à saúde pública do século XXI, e é um testemunho do poder desenfreado da HGT.
Animais não são tão rápidos. Nós nos adaptamos aos novos desafios da maneira lenta e constante. Indivíduos com mutações que os deixam mais adequados aos desafios da vida têm maior probabilidade de sobreviver e transmitir seus dons genéticos para a próxima geração. Com o tempo, mutações úteis tornam-se mais comuns, enquanto as prejudiciais desaparecem. Essa é uma seleção natural clássica - um processo lento e constante que afeta as populações, não os indivíduos. Os falcões de vespas e os humanos podem acumular gradualmente mutações benéficas, mas essa vespa individual, ou esse falcão específico, ou aqueles humanos em particular não conseguem captar genes benéficos para eles mesmos.
Exceto às vezes, eles podem. Eles poderiam trocar seus micróbios simbióticos, adquirindo instantaneamente um novo pacote de genes microbianos. Eles podem trazer novas bactérias ao contato com as do corpo, de modo que genes estranhos migram para o microbioma, impregnando novos micróbios nativos com novas habilidades. Em ocasiões raras, mas dramáticas, eles podem integrar genes microbianos em seus próprios genomas.
Jornalistas empolgantes às vezes gostam de afirmar que a HGT desafia a visão de evolução de Darwin, permitindo que os organismos escapem da tirania da herança vertical. (“Darwin estava errado”, proclamou uma infame capa da New Scientist - erroneamente.) Isso não é verdade. O HGT acrescenta uma nova variação no genoma de um animal, mas, uma vez que esses genes saltadores chegam a seus novos lares, eles ainda estão sujeitos à boa seleção natural.
Os prejudiciais morrem junto com seus novos hospedeiros, enquanto os benéficos são passados para a próxima geração. Isso é tão classicamente darwiniano quanto é - baunilha em seu sabor e excepcional apenas em sua velocidade. Ao nos associarmos com micróbios, podemos acelerar o adagio lento e deliberado de nossa música evolucionária para o allegro vivo e vivo deles.
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Ao longo das costas do Japão, uma alga marrom-avermelhada agarra-se às rochas varridas pelas marés. Este é Porphyra, mais conhecido como nori, e encheu os estômagos japoneses por mais de 1.300 anos. No início, as pessoas o colocaram em uma pasta comestível. Mais tarde, eles achataram-no em lençóis, que enrolaram em pedaços de sushi. Esta prática continua hoje e a popularidade da nori se espalhou pelo mundo todo. Ainda assim, tem um empate especial para o Japão. O longo legado de consumo nori do país deixou seu povo especialmente bem equipado para digerir o legume marinho. Não temos enzimas que possam quebrar as algas e nem a maioria das bactérias em nossas entranhas.
Mas o mar está cheio de micróbios melhor equipados. Um deles, uma bactéria chamada Zobellia galactanivorans, foi descoberta há apenas uma década, mas tem consumido algas por muito mais tempo. Picture Zobellia, séculos atrás, vivendo em águas costeiras japonesas, sentado em um pedaço de alga e digerindo-o. De repente, seu mundo é desenraizado. Um pescador recolhe as algas e usa-o para fazer nori colar. Sua família devora esses pedaços e, ao fazê-lo, engolem Zobellia . A bactéria se encontra em um novo ambiente. Água salgada fresca foi substituída por sucos gástricos. Seu círculo habitual de micróbios marinhos foi substituído por espécies estranhas e desconhecidas. E como se mistura com esses estranhos exóticos, faz o que as bactérias normalmente fazem quando se encontram: compartilha seus genes.
Sabemos que isso aconteceu porque Jan-Hendrick Hehemann descobriu um dos genes de Zobellia em uma bactéria intestinal humana chamada Bacteroides plebeius . A descoberta foi um choque total: o que diabos um gene marinho estava fazendo no intestino de um humano que vivia em terra? A resposta envolve o HGT. A zobellia não está adaptada à vida no intestino, então quando ela entrou em pedaços de nori, não ficou por perto. Mas durante seu breve mandato, poderia facilmente ter doado alguns de seus genes para B. plebeius, incluindo aqueles que constroem enzimas que digerem algas chamadas porfirranases.
De repente, esse micróbio intestinal ganhou a capacidade de quebrar os carboidratos únicos encontrados no nori, e pode se deleitar com essa fonte exclusiva de energia que seus pares não poderiam usar. Hehemann descobriu que está repleto de genes cujas contrapartes mais próximas existem em micróbios marinhos e não em outras espécies baseadas em intestinos. Ao emprestar repetidamente genes dos micróbios marinhos, tornou-se adepto da digestão de vegetais do mar.
B. plebeius não está sozinho em enzimas marinhas ladrões. Os japoneses têm comido nori por tanto tempo que seus micróbios intestinais são salpicados com genes digestivos de espécies oceânicas. É improvável que tais transferências ainda estejam acontecendo: chefs modernos assam e cozinham o nori, incinerando qualquer micróbio de carona. Os comensais de séculos passados só conseguiram importar tais micróbios em suas entranhas comendo as coisas cruas.
Eles então passaram seus micróbios intestinais, agora carregados de genes de porfiranase que impedem as algas marinhas, para seus filhos. Hehemann viu sinais da mesma herança acontecendo hoje. Uma das pessoas que ele estudou foi uma menina desmamada, que nunca havia comido um bocado de sushi em sua vida. E, no entanto, suas bactérias intestinais tinham um gene da porfiranase, assim como o da mãe. Seus micróbios vieram pré-adaptados para devorar nori.
Hehemann publicou sua descoberta em 2010 e continua sendo uma das histórias de microbioma mais marcantes do mundo. Apenas comendo algas marinhas, os comensais japoneses de séculos passados reservaram um grupo de genes digestivos para uma incrível viagem de mar a terra. Os genes se moviam horizontalmente dos micróbios marinhos para os intestinos e, em seguida, verticalmente de um intestino para outro. Suas viagens podem ter ido ainda mais longe. Inicialmente, Hehemann só conseguiu encontrar os genes para as porfiranases nos microbiomas japoneses e não nos norte-americanos. Isso mudou agora: alguns americanos têm claramente os genes, mesmo aqueles que não são de ascendência asiática.
Como isso aconteceu? B. plebeius saltou das tripas japonesas para as americanas? Os genes provinham de outros micróbios marinhos escondidos em diferentes alimentos? Os galeses e irlandeses usaram por muito tempo algas Porphyra para fazer um prato chamado laver; eles poderiam ter adquirido porfiranases que eles carregavam através do Atlântico? Por enquanto, ninguém sabe. Mas o padrão "sugere que, uma vez que esses genes atinjam o hospedeiro inicial, onde quer que isso aconteça, eles podem se dispersar entre os indivíduos", diz Hehemann.
Este é um exemplo glorioso da velocidade adaptativa que a HGT confere. Os seres humanos não precisam evoluir um gene que pode quebrar os carboidratos em algas marinhas; se engolirmos micróbios suficientes para digerir essas substâncias, há sempre a chance de que nossas próprias bactérias "aprendam" o truque com a HGT.
O HGT depende da proximidade e nossos corpos planejam a proximidade em grande escala, reunindo micróbios em multidões densas. Diz-se que as cidades são centros de inovação porque concentram as pessoas no mesmo lugar, permitindo que ideias e informações fluam mais livremente. Da mesma forma, os corpos dos animais são centros de inovação genética, porque permitem que o DNA flua mais livremente entre as massas de micróbios. Feche os olhos e imagine meadas de genes que se movem ao redor de seu corpo, passando de um micróbio para outro. Somos mercados movimentados, onde os comerciantes de bactérias trocam suas mercadorias genéticas.
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Corpos animais são o lar de tantos micróbios que, ocasionalmente, seus genes entram nos nossos genomas. E, às vezes, esses genes conferem a seus novos hospedeiros habilidades incríveis.
O besouro da broca do café é uma praga que incorporou um gene bacteriano em seu próprio genoma, que permite que suas larvas digerissem os exuberantes banquetes de carboidratos dentro dos grãos de café. Nenhum outro inseto - nem mesmo parentes muito próximos - tem o mesmo gene ou algo parecido; apenas bactérias fazem. Saltando para uma antiga broca do café, o gene permitiu que esse despretensioso besouro se espalhasse por regiões de cultivo de café em todo o mundo e se tornasse uma dor real no café expresso.
Os agricultores, então, têm motivos para abominar a HGT - mas também motivos para celebrá-la. Para um grupo de vespas, os braconídeos, genes transferidos, permitiram uma forma bizarra de controle de pragas. As fêmeas dessas vespas depositam seus ovos em lagartas ainda vivas, que seus jovens então devoram vivos. Para dar uma mão às larvas, as fêmeas também injetam as lagartas com vírus, que suprimem seus sistemas imunológicos. Estes são chamados de bracovírus e não são apenas aliados das vespas: eles fazem parte das vespas. Seus genes se tornaram completamente integrados ao genoma do braconídeo e estão sob seu controle.
Os bracovírus são vírus domesticados! Eles são totalmente dependentes das vespas para sua reprodução. Alguns podem dizer que não são verdadeiros vírus, são todos; eles são quase como secreções do corpo da vespa em vez de entidades por direito próprio. Eles devem ter descido de um vírus antigo, cujos genes invadiram o DNA de um braconídeo ancestral e ficaram lá. Essa fusão deu origem a mais de 20.000 espécies de vespas braconídeas, todas com bracovírus em seus genomas - uma imensa dinastia de parasitas que usa vírus simbióticos como armas biológicas.
Outros animais usaram genes transferidos horizontalmente para se defender de parasitas. As bactérias, afinal, são a melhor fonte de antibióticos. Eles estão em guerra entre si há bilhões de anos e inventaram um extenso arsenal de armas genéticas para derrotar seus rivais. Uma família de genes, conhecida como tae, produz proteínas que perfuram as paredes externas das bactérias, causando vazamentos fatais. Estes foram desenvolvidos por micróbios para uso contra outros micróbios. Mas esses genes também foram encontrados nos animais. Escorpiões, ácaros e carrapatos os têm. O mesmo acontece com anêmonas do mar, ostras, pulgas de água, lapas, lesmas do mar e até mesmo o lancelet - um parente muito próximo de animais com ossos de costas como nós.
A família tae exemplifica o tipo de genes que se espalham com facilidade pela HGT. Eles são auto-suficientes e não precisam de um elenco de apoio de outros genes para fazer seu trabalho. Eles também são universalmente úteis, porque eles fazem antibióticos. Todo ser vivo tem que lutar contra as bactérias, então qualquer gene que permita ao seu dono controlar as bactérias de forma mais eficaz encontrará empregos lucrativos em toda a árvore da vida. Se puder dar o salto, terá uma boa chance de se estabelecer como parte produtiva de seu novo hospedeiro. Esses saltos são ainda mais impressionantes porque nós humanos, com toda nossa inteligência e tecnologia, lutamos positivamente para criar novos antibióticos. Estamos tão desconcertados que não descobrimos nenhum tipo novo há décadas. Mas animais simples, como carrapatos e anêmonas do mar, podem fazer o seu próprio, alcançando instantaneamente o que precisamos para muitas rodadas de pesquisa e desenvolvimento - tudo isso por meio da transferência horizontal de genes.
Essas histórias retratam a HGT como uma força aditiva, que infunde tanto micróbios quanto animais com novos e maravilhosos poderes. Mas também pode ser subtrativo. O mesmo processo que confere habilidades microbianas úteis aos receptores de animais pode fazer com que os próprios micróbios murchem e se decomponham, a ponto de desaparecerem completamente e apenas seus legados genéticos permanecerem.
A criatura que melhor exemplifica esse fenômeno pode ser encontrada em estufas e campos ao redor do mundo, para o desgosto de fazendeiros e jardineiros. É a covinha das frutas cítricas: um pequeno inseto sugador de seiva que parece uma caspa curta ou um woodlouse que foi polvilhado com farinha. Paul Buchner, aquele super-estudioso estudioso de simbiontes, fez uma visita ao clã das cochonilhas em sua visita ao mundo dos insetos. Para surpresa de ninguém, ele encontrou bactérias dentro de suas células. Mas, mais incomum, ele também descreveu "glóbulos mucilaginosos arredondados ou longos nos quais os simbiontes estão incrustados". Esses glóbulos permaneceram na obscuridade por décadas até 2001, quando os cientistas descobriram que não eram apenas casas para bactérias. Eles eram bactérias em si.
A cochonilha cítrica é uma boneca matryoshka viva. Tem bactérias vivendo dentro de suas células, e essas bactérias têm mais bactérias vivendo dentro delas. Bugs dentro de bugs dentro de bugs. O maior é agora chamado Tremblaya depois de Ermenegildo Tremblay, um entomologista italiano que estudou com Buchner. O menor é chamado de Moranella, após Nancy Moran. ("É uma espécie de pequena coisa patética a ser nomeada depois de você", ela me disse com um sorriso.)
John McCutcheon descobriu as origens dessa estranha hierarquia - e é quase inacreditável em suas reviravoltas. Começa com Tremblaya, a primeira das duas bactérias a colonizar as cochonilhas. Tornou-se um residente permanente e, como muitos simbiontes de insetos, perdeu genes que eram importantes para uma existência de vida livre. Nos confins acolhedores de seu novo hospedeiro, ele poderia se dar ao luxo de sobreviver com um genoma mais simplificado. Quando Moranella se juntou a essa simbiose de mão dupla, Tremblaya podia se dar ao luxo de perder ainda mais genes, na certeza de que a nova chegada iria compensar a folga. Aqui, a HGT é mais uma questão de evacuar genes bacterianos de um navio de torção. Ele preserva genes que de outra forma seriam perdidos pela inevitável decadência que aflige os genomas simbiontes.
Por exemplo, todos os três parceiros cooperam para produzir nutrientes. Para criar o aminoácido fenilalanina, eles precisam de nove enzimas. Tremblaya pode construir 1, 2, 5, 6, 7 e 8; Moranella pode fazer 3, 4 e 5; e a cochonilha só faz o 9º. Nem a cochonilha nem as duas bactérias podem produzir fenilalanina sozinhas; eles dependem uns dos outros para preencher as lacunas em seus repertórios. Isso me lembra os Graeae da mitologia grega: as três irmãs que compartilham um olho e um dente entre elas. Qualquer coisa a mais seria redundante: seu arranjo, embora estranho, ainda lhes permite ver e mastigar. Assim é com a cochonilha e seus simbiontes. Eles acabaram com uma única rede metabólica, distribuída entre seus três genomas complementares. Na aritmética da simbiose, um mais um mais um pode ser igual a um.
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O mundo ao nosso redor é um gigantesco reservatório de potenciais parceiros microbianos. Cada bocado poderia trazer novos micróbios que digerem uma parte previamente inquebrável de nossas refeições, ou que desintoxica os venenos em um alimento previamente não comestível, ou que matam um parasita que anteriormente suprimiu nossos números. Cada novo parceiro pode ajudar seu anfitrião a comer um pouco mais, viajar um pouco mais, sobreviver um pouco mais.
A maioria dos animais não pode usar essas adaptações de código aberto deliberadamente. Eles devem confiar na sorte para dotá-los dos parceiros certos. Mas nós humanos não somos tão restritos. Somos inovadores, planejadores e solucionadores de problemas. E temos uma enorme vantagem que falta a todos os outros animais: sabemos que micróbios existem! Nós inventamos instrumentos que podem vê-los.
Nós podemos cultivá-los deliberadamente. Temos ferramentas que podem decifrar as regras que governam sua existência e a natureza de suas parcerias conosco. E isso nos dá o poder de manipular essas parcerias intencionalmente. Nós podemos substituir as comunidades vacilantes de micróbios por novas que levarão a uma saúde melhor. Podemos criar novas simbioses que combatem doenças. E nós podemos quebrar alianças antigas que ameaçam nossas vidas.
A partir do próximo livro, EU CONTÉM MULTITUDES: Os Micróbios Dentro de Nós e uma Visão Geral da Vida, de Ed Yong. Copyright © 2016 por Ed Yong. A ser publicado em 9 de agosto pela Ecco, uma editora da HarperCollins Publishers. Reimpresso por permissão .
