Experimentos em proteínas antigas encontram mutações mais numerosas e diferenciadas do que se pensava.
A versão crocodiliana das hemoglobinas – os tanques de mergulho do sangue – funciona tão bem que os crocodilos podem passar horas sem ar. A hipereficiência dessa adaptação levou alguns biólogos a se perguntarem por que, de todos os vertebrados com mandíbulas, os crocodilianos foram o único grupo a encontrar uma solução ideal para aproveitar ao máximo a respiração. Depois de ressuscitar a hemoglobina dos antigos ancestrais crocodilianos, uma equipe pode ter uma resposta.
Ele pode pular a mais de 80 quilômetros por hora, saltando 30 pés em um único salto. Mas esse atletismo de medalha de platina cai no esquecimento em um rio subsaariano, a fonte de vida e morte para o impala arisco que se acalma para uma bebida em um calor de 100 graus. Um crocodilo do Nilo se batizou silenciosamente naquele mesmo rio lamacento durante a última hora. Quando o predador invisível ataca da água para agarrar o impala, seus infames dentes se prendem em um quarto traseiro, mandíbulas cerradas com 5.000 libras de força. No entanto, é a própria água que mata, com o réptil de respiração profunda arrastando sua presa para o fundo do poço para se afogar.
O sucesso da emboscada do crocodilo está nos tanques de mergulho nanoscópicos – hemoglobinas – que percorrem sua corrente sanguínea, descarregando oxigênio dos pulmões para os tecidos em um ritmo lento, mas constante, que permite que ele passe horas sem ar. A hipereficiência dessa hemoglobina especializada levou alguns biólogos a se perguntarem por que, de todos os vertebrados com mandíbula em todo o mundo, os crocodilianos foram o único grupo a encontrar uma solução tão ideal para aproveitar ao máximo a respiração.
Ao reconstruir estatisticamente e ressuscitar experimentalmente a hemoglobina de um arcossauro, o ancestral de 240 milhões de anos de todos os crocodilianos e pássaros, Jay Storz, da Universidade de Nebraska-Lincoln, e seus colegas obtiveram novos insights sobre esse motivo. Em vez de exigir apenas algumas mutações-chave, como sugeriram pesquisas anteriores, as propriedades únicas da hemoglobina do crocodiliano resultaram de 21 mutações interconectadas que contaminam o intrincado componente dos glóbulos vermelhos.
Essa complexidade e os múltiplos efeitos indiretos que qualquer mutação pode induzir na hemoglobina podem ter forjado um caminho evolucionário tão labiríntico que a natureza falhou em refazê-lo mesmo ao longo de dezenas de milhões de anos, disseram os pesquisadores.
“Se fosse um truque tão fácil – se fosse tão fácil de fazer, apenas fazendo algumas mudanças – todo mundo estaria fazendo isso”, disse Storz, autor sênior do estudo e professor Willa Cather de ciências biológicas em Nebraska. .
Toda a hemoglobina se liga ao oxigênio nos pulmões antes de nadar na corrente sanguínea e, eventualmente, liberar esse oxigênio para os tecidos que dependem dele. Na maioria dos vertebrados, a afinidade da hemoglobina para capturar e reter o oxigênio é ditada em grande parte por moléculas conhecidas como fosfatos orgânicos, que, ligando-se à hemoglobina, podem convencê-la a liberar sua preciosa carga.
Mas nos crocodilianos – crocodilos, jacarés e seus parentes – o papel dos fosfatos orgânicos foi suplantado por uma molécula, o bicarbonato, que é produzido a partir da quebra do dióxido de carbono. Como os tecidos trabalhadores produzem muito dióxido de carbono, eles também geram indiretamente muito bicarbonato, o que, por sua vez, estimula a hemoglobina a distribuir seu oxigênio aos tecidos que mais precisam dele.
“É um sistema supereficiente que fornece uma espécie de mecanismo de liberação lenta que permite aos crocodilianos explorar com eficiência seus estoques de oxigênio a bordo”, disse Storz. “É parte da razão pela qual eles conseguem ficar debaixo d’água por tanto tempo.”
Como pesquisadores de pós-doutorado no laboratório de Storz, Chandrasekhar Natarajan, Tony Signore e Naim Bautista já ajudaram a decifrar o funcionamento da hemoglobina do crocodiliano. Ao lado de colegas da Dinamarca, Canadá, Estados Unidos e Japão, a equipe de Storz decidiu embarcar em um estudo multidisciplinar de como surgiu a maravilha do transporte de oxigênio.
Esforços anteriores para entender sua evolução envolveram a incorporação de mutações conhecidas na hemoglobina humana e a busca por quaisquer alterações funcionais, que geralmente eram escassas. Descobertas recentes de seu próprio laboratório convenceram Storz de que a abordagem era falha. Afinal, havia muitas diferenças entre a hemoglobina humana e a das antigas criaturas reptilianas das quais os crocodilianos modernos evoluíram.
“O importante é entender os efeitos das mutações no background genético em que elas realmente evoluíram, o que significa fazer comparações verticais entre proteínas ancestrais e descendentes, em vez de comparações horizontais entre proteínas de espécies contemporâneas”, disse Storz. “Ao usar essa abordagem, você pode descobrir o que realmente aconteceu.”
Assim, com a ajuda de princípios bioquímicos e estatísticas, a equipe partiu para reconstruir os esquemas de hemoglobina de três fontes: o ancestral arcossauro de 240 milhões de anos; o último ancestral comum de todas as aves; e o ancestral compartilhado de 80 milhões de anos dos crocodilianos contemporâneos. Depois de testar todas as três hemoglobinas ressuscitadas no laboratório, a equipe confirmou que apenas a hemoglobina do ancestral crocodiliano direto carecia de ligação ao fosfato e apresentava sensibilidade ao bicarbonato.
A comparação dos esquemas de hemoglobina dos ancestrais arcossauros e crocodilianos também ajudou a identificar mudanças nos aminoácidos – essencialmente as articulações do esqueleto da hemoglobina – que podem ter se mostrado importantes. Para testar essas mutações, Storz e seus colegas começaram a introduzir certas mutações específicas do crocodilo na hemoglobina ancestral do arcossauro. Ao identificar as mutações que fizeram a hemoglobina do arcossauro se comportar mais como a de um crocodiliano moderno, a equipe reuniu as mudanças responsáveis por essas propriedades únicas e específicas do crocodilo.
Ao contrário da sabedoria convencional, Storz e seus colegas descobriram que as mudanças evoluídas na capacidade de resposta da hemoglobina ao bicarbonato e aos fosfatos eram impulsionadas por diferentes conjuntos de mutações, de modo que o ganho de um mecanismo não dependia da perda do outro. A comparação também revelou que, embora algumas mutações fossem suficientes para subtrair os locais de ligação ao fosfato, várias outras eram necessárias para eliminar a sensibilidade ao fosfato. Da mesma forma, duas mutações pareciam conduzir diretamente ao surgimento da sensibilidade ao bicarbonato – mas apenas quando combinadas ou precedidas por outras mutações fáceis de perder em regiões remotas da hemoglobina.
Storz disse que as descobertas falam do fato de que uma combinação de mutações pode produzir mudanças funcionais que transcendem a soma de seus efeitos individuais. Uma mutação que não produz nenhum efeito funcional por conta própria pode, de várias maneiras, abrir caminho para outras mutações com consequências claras e diretas. Na mesma linha, disse ele, essas mutações posteriores podem influenciar pouco sem os predecessores de configuração de palco adequados já em vigor. E todos esses fatores podem ser sobrecarregados ou atrapalhados pelo ambiente em que se desenvolvem.
“Quando você tem essas interações complexas, isso sugere que certas soluções evolucionárias só são acessíveis a partir de certos pontos de partida ancestrais”, disse Storz. “Com a hemoglobina do arcossauro ancestral, você tem uma base genética que possibilita a evolução das propriedades únicas que vemos nas hemoglobinas dos crocodilianos modernos. Em contraste, com o ancestral dos mamíferos como ponto de partida, pode ser que haja alguma maneira que você poderia desenvolver a mesma propriedade, mas teria que ser através de um mecanismo molecular completamente diferente, porque você está trabalhando dentro de um contexto estrutural completamente diferente.”
Para o bem ou para o mal, disse Storz, o estudo também ajuda a explicar a dificuldade de criar uma hemoglobina humana que possa imitar e se aproximar do desempenho do crocodiliano.
“Não podemos simplesmente dizer: ‘OK, é principalmente devido a essas cinco mutações. Se pegarmos a hemoglobina humana e apenas introduzirmos essas mutações, voilà, teremos uma com as mesmas propriedades exatas e seremos capazes de fique debaixo d’água por duas horas também'”, disse Storz. “Acontece que não é o caso.
“Existem muitos problemas de não conseguir sair daqui na árvore da vida.”
Storz, Natarajan e Bautista conduziram o estudo com Signore, agora na Universidade de Manitoba; Angela Fago, da Universidade de Aarhus; Federico Hoffmann, da Universidade Estadual do Mississippi; e Jeremy Tame, da Yokohama City University. Os pesquisadores detalharam suas descobertas na revista Current Biology , recebendo apoio da National Science Foundation e do National Institutes of Health.
Fonte da história:
Materiais fornecidos pela Universidade de Nebraska-Lincoln. Original escrito por Scott Schrage.
Referência do periódico :
- Chandrasekhar Natarajan, Anthony V. Signore, Naim M. Bautista, Federico G. Hoffmann, Jeremy RH Tame, Angela Fago, Jay F. Storz. Evolução e base molecular de uma nova propriedade alostérica da hemoglobina de crocodilo . Biologia Atual , 2023; 33 (1): 98 DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.049
