A Cela Que não Existia

Kyoko Hagino é uma cientista especializada em algas, natural de Kochi, no Japão. Assim como Jon Zehr, sua história também começou no final da década de 90, com um microrganismo que mudou o rumo de sua carreira. Ela fazia parte de uma equipe de pesquisa paleontológica, estudando minúsculos fósseis de algas no fundo do oceano, para reunir informações sobre o clima passado da Terra.

Entre os inúmeros fósseis microscópicos que examinou, havia um que a cativou completamente. Era um tipo de alga chamada Braarudosphaera bigelowii . Hagino carinhosamente a chama apenas de Bigelowii.

Em certos momentos da vida de Bigelowii, ela se envolve com essa bela concha geométrica, e Hagino encontrou esses esqueletos pentagonais em suas amostras. "Quando vi Bigelowii pela primeira vez, achei que tinha uma forma tão bonita", disse ela. "Tem uma forma muito bonita, como uma joia."

Mas ninguém sabia ao certo nada sobre as algas que viviam lá dentro. Era isso que Hagino queria estudar. Mas ninguém mais parecia compartilhar seu fascínio.

“Quando comecei a pesquisa, meu chefe na época se opôs”, disse ela. “[Me disseram] que mesmo que eu fizesse uma pesquisa que ninguém lesse, isso não me garantiria um emprego.”

Naquela época, Hagino estava com dificuldades para encontrar uma vaga em uma universidade. Ao mesmo tempo, cuidava dos filhos pequenos e estava se mudando para uma nova cidade onde o marido havia conseguido emprego. Tudo em sua vida parecia indicar claramente que ela deveria desistir e procurar outra coisa para estudar. Mas Hagino simplesmente não conseguia fazer isso. Por algum motivo, havia algo naquela alga que a fascinava profundamente, e ela queria aprender tudo sobre ela. Mesmo que isso significasse estudá-la sozinha.

Então Hagino e sua filha começaram a ir à praia, coletando amostras de água do mar na esperança de encontrar essa alga esquiva. Ao longo dos anos, elas acabaram fazendo centenas dessas viagens. Elas faziam isso com tanta frequência que a filha realmente não sabia que as pessoas iam à praia por outros motivos, como nadar.

“'O oceano — não é esse o lugar para coletar água do mar?'”, Hagino relatou que sua filha disse.

Hagino passava horas em casa com o microscópio, procurando células de Bigelowii e selecionando-as individualmente quando as encontrava. Era um processo incrivelmente demorado, mas era praticamente a única maneira de estudá-las. Não importava o que ela fizesse, as células pareciam não querer crescer em um tubo de ensaio.

Durante anos, Hagino trabalhou no cultivo de uma cultura sem receber qualquer salário universitário. Para se sustentar, acabou aceitando um emprego de meio período lavando tubos de ensaio em um laboratório. Um dia, conversando com um dos cientistas de lá, ele sugeriu adicionar um ingrediente incomum à sua cultura. Não era um produto químico nem nada que se encontrasse normalmente em um laboratório. Era tokoroten, um tipo de macarrão gelatinoso tradicional japonês feito de algas marinhas.

Para espanto de Hagino, o macarrão era exatamente o que Bigelowii precisava.

“Eu vi Bigelowii nadando e em número crescente”, disse ela. “Fiquei extremamente feliz.”

Agora que tinha uma cultura, finalmente poderia cultivar células suficientes para responder a algumas das grandes questões sobre esse organismo. E havia uma grande questão que intrigava Hagino. Ao longo de seus muitos anos estudando Bigelowii, ela notou algo estranho. Possuía todos os componentes normais de uma célula de alga. Mas também tinha algo que ela não conseguia explicar — algo que nunca vira em nenhum livro didático. Era um ponto preto no centro da alga.

Hagino estava se preparando para publicar um artigo sobre esse ponto misterioso quando se deparou com um artigo recém-publicado na revista americana Science. O artigo descrevia a busca por uma bactéria fixadora de nitrogênio aparentemente invisível, que o autor teorizava estar vivendo dentro de uma espécie de alga. O autor do artigo era Jon Zehr, e ele se referia à Braarudosphaera bigelowii .

Hagino pensou no estranho objeto que havia descoberto dentro de Bigelowii. As peças se encaixavam. Ela realizou um teste genético em Bigelowii e o resultado foi positivo: ela havia encontrado a bactéria fixadora de nitrogênio que Zehr havia passado tantos anos procurando.

“Nunca imaginei que alguém estivesse pesquisando sobre Bigelowii”, disse ela. “Fiquei chocada ao pensar que tinha sido ultrapassada.”

Zehr também ficou surpreso quando Hagino entrou em contato para compartilhar sua descoberta com ele — o mesmo quebra-cabeça, resolvido do outro lado do oceano. "Nenhum de nós sabia que as duas coisas estavam relacionadas!", disse ele.

Hagino e Zehr dedicaram suas carreiras a tentar resolver um enigma científico, sem imaginar que cada um possuía a peça que faltava para o outro. Agora que tinham uma cultura em comum, surgia a oportunidade de desvendar um mistério que se revelaria muito mais profundo do que jamais imaginaram.

Juntos, eles revelariam um nível de cooperação que reescreveria uma regra fundamental da biologia.

A natureza está repleta de relações simbióticas: dois organismos que se ajudam mutuamente. O peixe-palhaço de Procurando Nemo é um bom exemplo disso — ele cuida de sua parceira, uma anêmona-do-mar , em troca de um lugar seguro para viver. Mas essas relações de ajuda mútua podem se tornar cada vez mais estreitas. Existem organismos que vivem dentro de outros organismos, como os corais , que obtêm alimento das algas zooxantelas que vivem em seu interior. E existem até células que vivem dentro de outras células. Em certo ponto, a relação se torna tão próxima que não conseguimos distinguir onde um organismo começa e o outro termina.

Agora, a convergência de dois organismos — passando de entidades consideradas separadas para parte de um mesmo ser — é algo bastante surpreendente, e essa linha divisória só foi cruzada algumas vezes na história da vida na Terra. Os dois exemplos mais famosos disso são as mitocôndrias, as usinas de energia das células presentes em todas as formas de vida complexas na Terra, e os cloroplastos, as partes das células vegetais que usam a fotossíntese para transformar a luz solar e o dióxido de carbono em alimento. Ambos os exemplos começaram como células independentes que, com o tempo, se aproximaram tanto de suas parceiras que se tornaram organelas: pequenos órgãos dentro de outras células.

Mas e quanto à Bigelowii e suas bactérias internas? Não havia dúvida de que a relação entre as duas era estreita. Zehr e Hagino estavam ansiosos para descobrir exatamente como as duas funcionavam juntas. Então, eles se uniram. Ela enviou uma cultura para o laboratório de John com a esperança de visitar a Califórnia conforme o experimento prosseguisse.

Quando a cultura chegou ao escritório de Zehr, ele ficou tão entusiasmado que tirou uma foto para registrar o momento. Sua equipe debateu sobre quais experimentos seriam realizados primeiro.

“Nós nos reunimos como um laboratório e decidimos as dez coisas que faríamos primeiro, porque não sabíamos por quanto tempo a cultura sobreviveria”, disse ele. “E em três dias, começou o lockdown da Covid.”

A pandemia atrapalhou todos os planos deles. O Japão impôs restrições de viagem muito rígidas que acabaram permanecendo em vigor por anos. Depois de todo o seu trabalho árduo, Hagino não pôde se juntar a Zehr pessoalmente. Mas os dois ainda estavam ávidos por respostas e decidiram que o laboratório de Zehr deveria prosseguir com os testes. Hagino, que tinha financiamento de uma bolsa que compartilhava com Zehr, ajudaria o máximo que pudesse à distância.

E, muito rapidamente, começaram a encontrar indícios de que a relação entre as algas e as bactérias não era um caso típico de simbiose. A *Bigelowii* e as bactérias sempre se dividiam ao mesmo tempo. Elas também cresciam na mesma velocidade e de maneiras muito semelhantes às mitocôndrias ou aos cloroplastos.

Mas a evidência mais convincente veio de Tyler Coale, um pós-doutorando no laboratório de Zehr. Ele estava estudando as proteínas dentro dos dois organismos quando notou algo estranho: as bactérias estavam repletas de proteínas para as quais não possuíam os genes necessários. Em vez disso, essas proteínas estavam sendo produzidas a partir de genes extras encontrados em Bigelowii. E nas extremidades de cada um desses genes extras, havia a mesma pequena sequência de DNA que continuava aparecendo repetidamente.

Esse padrão lembrou Coale de um mistério anterior: as bactérias fixadoras de nitrogênio que, de alguma forma, haviam perdido muitos dos genes para as proteínas necessárias à sua sobrevivência. Seria possível que a Bigelowii estivesse fornecendo esses genes? Para descobrir, ele realizou um experimento, alinhando os genes ausentes de um organismo com os genes extras do outro. A correspondência foi impressionante. Para quase todos os genes que as bactérias haviam perdido, a Bigelowii havia desenvolvido uma cópia extra. E cada um desses genes extras estava marcado com a mesma sequência de DNA na extremidade — instruções moleculares para enviar a proteína para as bactérias.

Essa descoberta foi enorme porque esse tipo de sistema só havia sido observado pouquíssimas vezes em mitocôndrias e cloroplastos e agora, no minúsculo ponto que Zehr e Hagino encontraram dentro da Bigelowii. As bactérias fixadoras de nitrogênio não eram mais bactérias. Elas haviam se tornado parte da Bigelowii, um microrganismo independente transformado em organela.

Zehr e sua equipe decidiram chamá-lo de Nitroplast.

Isso também significava que a Bigelowii havia quebrado a regra fundamental de que apenas organismos simples, como bactérias, podiam extrair nitrogênio do ar. As algas são os primeiros organismos conhecidos no lado complexo da árvore da vida capazes de extrair nitrogênio do ar.

Embora ainda seja cedo, Coale afirma que a descoberta pode ter grandes implicações para setores como a agricultura. "Este organismo fez o que décadas de biotecnologia não conseguiram, certo? Ele incorporou essa capacidade a essa célula. É natural pensar que possamos aprender lições valiosas com isso", disse ele.

Zehr, embora cautelosamente otimista, acredita que plantas autopolinizáveis ​​ainda estão longe de se tornarem realidade. "O problema é que é realmente difícil partir do que sabemos sobre o nitroplasto para a engenharia de uma planta", disse ele. "Mas se você não der um passo, não vai dar cem."

Zehr e Hagino estão entusiasmados para ver aonde a pesquisa os levará. Mas, para eles, nunca se tratou realmente de mudar o mundo. Eles dedicaram suas carreiras a estudar suas pequenas peças do quebra-cabeça, sem saber o que encontrariam, mas com a esperança de que qualquer descoberta pudesse lhes ensinar um pouco mais sobre como o mundo natural funciona.

E nesse aspecto, ainda há muito a aprender.

“Essa experiência mostrou que não sabemos quais pesquisas serão úteis e quando”, disse Hagino.

“Alguns dos maiores avanços podem vir de coisas que você não esperava”, disse Zehr. “E este pode ser um desses casos.”