Cientistas descobrem estrutura celular que transformam nitrogênio e demandam menos fertilizantes

Pesquisadores da Universidade da Califórnia descobriram uma organela (estrutura celular que desempenham importantes funções para garantir a sobrevivencia da célula) em uma alga capaz de transformar o gás nitrogênio em uma forma útil para o crescimento celular.

A descoberta da estrutura, chamada nitroplasto, nas algas poderá reforçar os esforços de engenharia genética das plantas para converter, ou “fixar”, o seu próprio azoto, o que poderá aumentar o rendimento das colheitas e reduzir a necessidade de fertilizantes. O trabalho foi publicado na Science em 11 de abril.

“Os livros dizem que a fixação de nitrogênio só ocorre em bactérias e arqueas”, diz o ecologista oceânico Jonathan Zehr, da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, coautor do estudo. Esta espécie de alga é o “primeiro eucariota fixador de azoto”, acrescenta, referindo-se ao grupo de organismos que inclui plantas e animais.

Em 2012, Zehr e os seus colegas relataram que a alga marinha Braarudosphaera bigelowii interagia estreitamente com uma bactéria chamada UCYN-A que parecia viver dentro ou sobre as células da alga. Os pesquisadores levantaram a hipótese de que o UCYN-A converte o gás nitrogênio em compostos que as algas usam para crescer, como a amônia. Em troca, pensava-se que as bactérias ganhavam uma fonte de energia baseada em carbono das algas.

Mas no último estudo, Zehr e seus colegas concluíram que a UCYN-A deveria ser classificada como organelas dentro das algas, e não como um organismo separado. De acordo com a análise genética de um estudo anterior, os ancestrais das algas e bactérias entraram numa relação simbiótica há cerca de 100 milhões de anos, diz Zehr. Eventualmente, isso deu origem à organela nitroplasta, agora vista em B. bigelowii.

Definindo organelas

Os pesquisadores usam dois critérios principais para decidir se uma célula bacteriana se tornou uma organela em uma célula hospedeira. Primeiro, a estrutura celular em questão deve ser transmitida através de gerações da célula hospedeira. Em segundo lugar, a estrutura deve depender das proteínas fornecidas pela célula hospedeira.

Ao visualizar dezenas de células de algas em vários estágios de divisão celular, a equipe descobriu que o nitroplasto se divide em dois pouco antes de toda a célula da alga se dividir. Dessa forma, um nitroplasto é transmitido da célula-mãe para sua descendência, como acontece com outras estruturas celulares.

Uma erva marinha abriga uma parceira bacteriana fixadora de nitrogênio

Em seguida, os pesquisadores descobriram que o nitroplasto obtém as proteínas necessárias para crescer a partir da célula mais ampla da alga. O próprio nitroplasto – que representa mais de 8% do volume de cada célula hospedeira – carece de proteínas essenciais necessárias para a fotossíntese e para a produção de material genético, diz Zehr. “Muitas destas proteínas [das algas] estão apenas a preencher essas lacunas no metabolismo”, diz ele.

A descoberta foi possível graças ao trabalho da autora do estudo, Kyoko Hagino, da Universidade de Kochi, no Japão, que passou cerca de uma década aperfeiçoando uma forma de cultivar algas em laboratório – o que permitiu que ela fosse estudada com mais detalhes, diz Zehr.

“É bastante notável”, diz Siv Andersson, que estuda como as organelas evoluem na Universidade de Uppsala, na Suécia. “Eles realmente veem todas essas marcas que consideramos características das organelas.”

Plantas atualizadas

Compreender como o nitroplasto interage com a sua célula hospedeira pode apoiar os esforços para desenvolver culturas que possam fixar o seu próprio nitrogénio, diz Zehr. Isto reduziria a necessidade de fertilizantes à base de azoto e evitaria alguns dos danos ambientais que causam. “Os truques envolvidos para fazer esse sistema funcionar poderiam ser usados ​​na engenharia de plantas terrestres”, diz ele.

“O rendimento das colheitas é principalmente limitado pela disponibilidade de azoto”, diz Eva Nowack, que estuda bactérias simbióticas na Universidade Heinrich Heine em Düsseldorf, na Alemanha. “Ter uma organela fixadora de nitrogênio em uma planta cultivada seria, obviamente, fantástico.” Mas introduzir esta capacidade nas plantas não será uma tarefa fácil, alerta ela. As células vegetais contendo o código genético do nitroplasto precisariam ser projetadas de tal forma que os genes fossem transferidos de forma estável de geração em geração, por exemplo. “Essa seria a coisa mais difícil de fazer”, diz ela.

“É um prazer e muito impressionante ver este trabalho evoluir para o que é certamente um importante trampolim para a compreensão”, diz Jeffrey Elhai, biólogo celular da Virginia Commonwealth University, em Richmond.

*Com informações da Science.

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