Investigando a comunidade microbiana no intestino grosso da térmita - Entrevista

Assim, as térmitas e seus microrganismos intestinais são um exemplo de uma simbiose mutualística muito fascinante e complexa. Estou interessado em estudar as térmitas e esses microrganismos para compreender melhor todos os papéis diferentes que os diversos componentes desempenham ao degradar uma fonte alimentar muito complexa, a lignocelulose, em produtos que tanto o inseto quanto os microrganismos podem utilizar. Sou Jared Ledbetter.

Sou professor associado de microbiologia ambiental no Instituto de Tecnologia da Califórnia, e participo do nosso programa de ciência e engenharia ambiental. Estou no Caltech há seis anos e meio, mas nos últimos 17 anos meus principais interesses de pesquisa têm se concentrado no estudo das comunidades microbianas que residem nos intestinos posteriores de térmitas diversos. Desde que encontrei pela primeira vez a microbiologia do intestino de térmitas como estudante no curso de verão sobre diversidade microbiana, ministrado em Woods Hole, Massachusetts, tenho me interessado muito pela identidade e função das diversas espécies microbianas que se encontram vivendo nos intestinos posteriores de térmitas.

As comunidades do intestino posterior de cupins são compostas por cerca de 250 espécies microbianas únicas, que representam os três domínios da vida. É possível identificar arqueias metagênicas, protozoários anaeróbicos decompositores de celulose, ou seja, eucariontes unicelulares, e uma grande diversidade de bactérias, incluindo muitas, muitas, muitas espécies novas de um grupo de bactérias chamado espiroquetas. Embora existam cerca de 250 espécies diferentes que vivem nos cupins e que não são encontradas em nenhum outro lugar da natureza, mesmo após cerca de cem anos de estudo, temos um entendimento muito limitado sobre a função de todos esses microrganismos distintos em uma simbiose mutualística extremamente fascinante que ocorre entre o inseto hospedeiro e a comunidade microbiana, a qual conjuntamente degrada a celulose em produtos que basicamente alimentam o metabolismo tanto do inseto hospedeiro quanto desses diversos microrganismos.

Então, nos últimos 16, 17 anos, tenho me interessado muito em identificar quais são essas espécies e o que estão fazendo. Como essas espécies interagem entre si no intestino posterior e qual é o benefício delas para o hospedeiro? Assim, as térmitas e os microrganismos em seus intestinos são um exemplo de uma simbiose mutualística muito fascinante e complexa.

Portanto, tenho interesse em estudar cupins e esses micróbios para compreender melhor todos os diferentes papéis que os diversos componentes desempenham ao degradar uma fonte alimentar muito complexa, a lignocelulose, em produtos que tanto o inseto quanto os micróbios podem utilizar. Outra razão para estudar cupins e seus micróbios intestinais é que os cupins são globalmente um grupo muito importante de animais que desempenham papéis críticos e fundamentais nos ciclos globais de carbono e nitrogênio; nos trópicos e subtropics, os cupins são extremamente diversos. Ou seja, existem muitas, muitas espécies diferentes de cupins, e eles são muito, muito abundantes.

E como um exemplo do sucesso desses insetos, eles são fontes pequenas, mas significativas de CO₂ global e metano global. Em virtude da quantidade de madeira que transformam nesses produtos, as térmitas contribuem com cerca de 2% do CO₂ global e cerca de 4% do metano global, o que é realmente significativo para qualquer grupo de animais. Assim, ao estudar os micróbios e suas atividades nesses insetos, compreendemos melhor esses insetos e a base de seu sucesso em escala global.

Estudar as térmitas e seus microrganismos intestinais também é interessante do ponto de vista de escala e reprodutibilidade. E em certos aspectos, estudo térmitas e seus microrganismos intestinais porque este é um ambiente muito empolgante e complexo. Mas o ambiente do intestino posterior, esse ecossistema do intestino posterior, é muito diferente de muitos outros ambientes.

O intestino posterior de cupim é muito pequeno, com volume de cerca de um microlitro, e é muito bem delimitado no sentido de que é revestido pelo epitélio intestinal ou pelo próprio inseto. Mas podemos definir de forma muito concreta quais são os limites desse ambiente. E o ambiente é muito pequeno; podemos coletar uma caixa de cupins e ter 200 cupins, e, em média, temos esse mesmo ambiente replicado repetidamente.

Se você comparar o ambiente do intestino de cupim, por exemplo, ao Mar de Sargaço, o Mar de Sargaço é imenso e enorme. Tem mil milhas de largura. Suas fronteiras são definidas, mas talvez apenas operacionalmente.

Não há um limite bem definido para o mar dos Sargaços e existe apenas um deles. Portanto, podemos aprender muito sobre ciências marinhas por meio do estudo do mar dos Sargaços, e é muito importante estudar o mar dos Sargaços. No entanto, existem certas complicações, pois é necessário conseguir embarcar em um navio e ir até lá.

Se você tem uma descoberta sobre alguns dos micróbios presentes, pode não saber onde esses micróbios estão em um determinado momento, e eles podem diferir em localização por milhas, além de, é claro, haver apenas um deles. Assim, é difícil estudar o mar dos Sargaços e perturbá-lo de alguma forma, tendo um mar dos Sargaços controle para comparar. Ao estudar os micróbios em seus intestinos, temos na verdade um exemplo de um ambiente que é passível de técnicas laboratoriais.

Podemos reproduzir esse ambiente, podemos perturbá-lo e compará-lo a grupos controle. E sempre sabemos, com precisão de cerca de um milímetro, onde todos esses diferentes grupos microbianos e espécies microbianas estão interagindo, interagindo nesse único ambiente intestinal de um microlitro. Assim, no meu laboratório, gostamos de estudar essa comunidade microbiana utilizando realmente qualquer técnica disponível que possa nos ajudar a revelar os segredos dessa comunidade.

Certamente, um aspecto disso tem sido tentar cultivar espécies que residem nessa comunidade microbiana. In vitro, no laboratório, 250 espécies é algo muito complexo, e há uma clareza sem paralelo na interpretação da pesquisa quando se pode estudar uma cultura pura de uma bactéria. Alguns de nossos esforços têm se concentrado em adentrar essa comunidade intestinal, tentando cultivar e crescer espécies isoladas dessa comunidade, estudar em detalhes a fisiologia, genética e genômica dessas espécies e, então, tentar relacionar de volta o que acreditamos significar sobre a função dessas espécies nessa comunidade.

Um exemplo disso é o nosso estudo sobre o intestino de cupins. Spiro keets, Spiro keets são organismos em forma de espiral, que se encontram abundantes em quase todos os cupins. Nos cupins, há espiroquetas, que na verdade são bastante aparentadas ao agente causador da sífilis, mas em todos os cupins saudáveis se observam essas SPI keets.

E assim, por muitos e muitos anos, sabíamos que esses espiroquetas provavelmente tinham uma relação simbiótica e faziam algo positivo para o hospedeiro, mas não sabíamos o quê. Cerca de 10 anos atrás, consegui cultivar alguns desses espiroquetas SPI in vitro e, agora, podemos estudar esses espiroquetas SPI e aprendemos muito sobre sua fisiologia e o que esses espiroquetas provavelmente fazem no ambiente. Antes desse período, não tínhamos ideia do que esses espiroquetas estavam fazendo em seu ambiente.

E assim fizemos muitas descobertas possibilitadas por culturas puras ao estudar essas culturas puras. Também utilizamos métodos baseados em genes para estudar esta comunidade microbiana. Pode haver um tipo específico de gene que representa uma determinada fisiologia, e podemos investigar nesta comunidade e começar a perguntar quantas variações desse gene estão presentes e quais são os organismos que codificam esses genes essenciais?

E assim podemos começar a dissecar funcionalmente o que está ocorrendo nesse intestino posterior, estudando a diversidade de genes envolvidos com o metabolismo do nitrogênio e aspectos-chave do metabolismo do carbono. Também podemos usar mecanismos ou abordagens baseados em genes para avaliar a diversidade de organismos no cupim. Podemos utilizar genes de RNA ribossômico como genes marcadores ou códigos de barras para realmente avaliar quantas espécies estão presentes nesta comunidade, talvez em que abundância, e como nossas culturas puras refletem essa diversidade. Assim, usamos diversas técnicas baseadas em genes no meu laboratório.

Também estamos envolvidos em metagenômica, área na qual temos interesse em estudar o conteúdo genômico completo desse ecossistema microbiano, a fim de obter uma ideia de quais são todos os diferentes metabolismos que ocorrem nessa comunidade. Assim, em meu laboratório, estudamos culturas puras. Utilizamos técnicas baseadas em genes com auxílio de PCR, empregamos metagenômica e analisamos atividades, especialmente atividades enzimáticas presentes nesse intestino.

Também utilizamos microscopia para tentar descobrir onde os organismos estão localizados no intestino e com quais outras células eles estão interagindo. No total, o que queremos fazer é compreender quantas espécies estão presentes no intestino posterior, o que todas elas estão fazendo e como estão interagindo entre si. Existem diversos desafios no estudo de comunidades microbianas, que são distintos de outros tipos de comunidades na natureza.

Sabe, é relativamente simples dar um passeio por uma floresta ou pela savana e observar as diferentes espécies de plantas e animais que você encontra ao longo do caminho. E certamente, na ecologia de comunidades, muitos métodos foram desenvolvidos e abordagens adotadas ao longo dos últimos cem anos para começar a fazer perguntas sobre quantas espécies de plantas ou animais estão presentes em uma determinada comunidade e com que frequência você as encontra nessa comunidade. E então, realmente observar alguns desses organismos em sua comunidade ao longo do tempo, para ver que tipo de adaptações eles possuem frente às dinâmicas ambientais e aos danos ambientais aos quais estão expostos.

Sabe, você pode observar um elefante ou um leão na savana e analisar alguns de seus comportamentos em relação às suas adaptações, à forma como obtêm sua energia e seu alimento e como interagem uns com os outros. Tudo isso é relativamente simples de observar quando se estudam micróbios, organismos que podem ser vistos a olho nu. Também é bastante simples diferenciar se você está lidando com uma planta ou um animal.

Não me refiro em termos de espécie, mas em termos do que eles fazem. Você pode observar um organismo e dizer com quase certeza que se trata de um fototrófico, ou seja, um organismo que absorve radiação solar e transforma essa energia em algo útil. Ou estou observando um animal heterotrófico e que utiliza principalmente proteínas como fonte de energia.

Portanto, existem várias observações que você pode fazer ao caminhar pela comunidade de Havana ou por uma comunidade florestal. É muito mais difícil fazer essas observações e conclusões quando se estudam comunidades microbianas. Os organismos são pequenos e nem sempre é evidente, mesmo com um microscópio muito bom, o que difere e como organismos diferentes se distinguem uns dos outros.

Ou seja, se você observar uma comunidade microbiana em si, pode ser muito difícil determinar quantas espécies existem e quais são suas distribuições relativas. Também pode ser muito difícil observar essa comunidade microbiana usando um microscópio e responder à pergunta: o que esses organismos fazem? Assim, um grande desafio nas comunidades microbianas é determinar quem está presente e o que estão fazendo.

Portanto, precisamos usar diferentes técnicas no estudo de comunidades microbianas para extrair informações dessa comunidade sobre quem está presente, quem está ativo, o que esses organismos fazem e como respondem, bem como quais são suas adaptações às mudanças em seu ambiente. Desde que me interessei pela primeira vez pelo estudo das comunidades microbianas do intestino de cupins, há 17 anos, por volta de 1990, houve uma série de avanços tecnológicos na minha área em geral, os quais realmente me permitiram, assim como a outros pesquisadores, aprender muito mais sobre comunidades microbianas e, no meu caso específico, sobre comunidades intestinais de cupins. Em grande parte, essas técnicas são baseadas em genes.

Quando comecei a estudar cupins, era possível usar microscopia, observar uma comunidade microbiana como a do cupim e avaliar as diferentes formas presentes nessa comunidade, obtendo uma estimativa aproximada do número de espécies distintas presentes nela. Mas, nos últimos 15 a 17 anos, tornaram-se disponíveis tantas técnicas baseadas em genes e tantas técnicas de genômica que nossa capacidade de extrair informações de comunidades microbianas, como o intestino posterior do cupim, mudou muito rapidamente. Atualmente, podemos usar genes como marcadores quase que de código de barras para identificar diferentes organismos no ambiente.

Podemos analisar uma comunidade microbiana, como o intestino posterior de um cupim, e determinar quantas espécies diferentes estão presentes utilizando certos genes como indicadores dessa diversidade. E podemos usar esse gene como um código de barras para verificar se temos esses organismos em cultura ou para usar esse código de barras no acompanhamento de flutuações na abundância de diferentes espécies nessa comunidade. Utilizando outras técnicas baseadas em genes, podemos investigar se os genes que codificam enzimas para essa função específica estão presentes nessa comunidade.

E quantas variações, ou seja, quantas espécies de organismos existem que catalisam isso, e temos esses organismos em cultura? Assim, tem havido diversas abordagens baseadas em genes e reação em cadeia da polimerase (PCR) para estudar comunidades microbianas, as quais mudaram radicalmente a forma como entendemos as comunidades microbianas. E essas mudanças se manifestaram todas ao longo dos últimos 20 anos.

O estudo das térmitas e seus microrganismos intestinais é interessante tanto do ponto de vista da pesquisa básica ou acadêmica quanto do ponto de vista da pesquisa biotecnológica e aplicada. As térmitas comem e degradam madeira. E para mim é muito importante tentar compreender por meio de quais mecanismos as térmitas e seus microrganismos intestinais realmente atacam a madeira, que é na verdade o primeiro material compósito da natureza.

É um compósito triplamente laminado e é, é um material resistente. E compreender como esse inseto, com a ajuda de microrganismos em seu intestino, desamina esse compósito e degrada todos os seus componentes em produtos que podem ser aproveitados como fonte de energia tanto pelo inseto quanto pelos microrganismos, é algo muito fascinante para mim, mas também possui relevância fundamental para a biotecnologia e para a indústria.

Como sociedade, realmente não compreendemos completamente. Na verdade, não entendemos quase nada sobre como a madeira é degradada em qualquer coisa. E atualmente há um grande interesse em obter uma melhor compreensão de como a lignocelulose vegetal, cascas de arroz, espigas de milho e os resíduos da cana-de-açúcar após a extração do açúcar seriam degradados.

Existe um grande interesse em compreender como podemos transformar commodities de baixo valor, como lignina e celulose, em produtos de maior valor, como etanol, hidrogênio, metano ou qualquer outro produto. Na verdade, é importante considerar que cupins degradam continuamente a madeira de celulose e lignina e a convertem em seu próprio biocombustível. Industrialmente, há um grande interesse em entender quais enzimas estão envolvidas nesse ataque inicial à madeira.

E talvez então fosse possível obter essas enzimas e acoplá-las a outros processos downstream, criando um novo processo distinto daqueles que ocorrem atualmente na indústria e diferente também do que ocorre na natureza hoje, mas que realmente aproveite o melhor de cada um para gerar algo novo, convertendo madeira em um produto de interesse, como etanol, hidrogênio, metano ou qualquer outra substância. No meu laboratório, o foco principal é alcançar uma compreensão fundamental dessa comunidade microbiana, sua interação com o hospedeiro e o papel que o hospedeiro desempenha na comunidade microbiana na degradação de lignocelulose.

Mas há um grande interesse em tentar utilizar algumas dessas informações e aproveitá-las no desenvolvimento de novos processos industriais. Acredito que houve muita discussão sobre biocombustíveis nos últimos dois anos, o que chamou a atenção para a necessidade e até mesmo o potencial da pesquisa em biocombustíveis. Tenho que ser honesto, no entanto: não acho que o nível de iniciativas de financiamento seja proporcional ao interesse que isso tem recebido.

Não existe um projeto Manhattan para biocombustíveis. Não houve nenhum investimento em grande escala e dramático em pesquisa básica que se relacione à pesquisa de biocombustíveis. E como nosso entendimento fundamental sobre a degradação da celulose lignosa é tão limitado neste momento, acho que, se tivermos uma iniciativa em biocombustíveis, ela precisa incluir investimentos direcionados em todos os níveis, desde a pesquisa acadêmica fundamental até a indústria, para tornar isso possível.

E se as pessoas quiserem que isso aconteça em dois, cinco ou dez anos, também teremos que investir recursos para que as pessoas invistam seu tempo e esforços para tornar isso possível. Ao longo dos últimos 20 anos, nossa capacidade de usar técnicas baseadas em genes para estudar comunidades microbianas progrediu de forma extremamente rápida. Acho que todos podemos sonhar um pouco com o que pode acontecer nos próximos cinco a dez anos, e acredito que há uma chance muito grande de que, em dez anos, tenhamos a capacidade de conhecer, sequenciar e analisar o genoma completo de cada espécie existente.

No intestino posterior das térmitas, existem pelo menos 250, e acho que haverá a oportunidade de ter esse arquivo, por assim dizer, de informações no qual conhecemos o conteúdo genômico de cada uma dessas espécies. E essa será uma descoberta muito marcante, pois apenas 10 anos atrás estávamos sequenciando os genomas de microrganismos muito bem conhecidos pela primeira vez. E em mais 10 anos, acredito que seremos capazes de investigar comunidades microbianas complexas e obter acesso às informações genômicas de organismos que nunca, em hipótese alguma, estudamos em detalhes, podendo utilizá-las para impulsionar estudos sobre esses organismos pela primeira vez.