Comunidades microbianas na Natureza e Laboratório - Entrevista

Meu nome é Ed DeLong, e sou professor do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. Tenho uma nomeação dupla, na engenharia civil e ambiental e na engenharia biológica, o que pode parecer uma combinação incomum, porque estou realmente com um pé em dois lugares diferentes. Um dos aspectos da nossa pesquisa está relacionado ao meio ambiente e especificamente aos microrganismos, como eles influenciam o ambiente, como o ambiente os influencia, e essa é a parte da engenharia civil e ambiental, a parte ambiental do nosso programa.

A outra coisa que estudamos tem mais a ver com engenharia biológica. O que faz os micróbios funcionarem? Como eles são organizados?

Como as diferentes partes que compõem um microrganismo, micróbios ou comunidades microbianas funcionam juntas em sinergia? Assim, o tipo de aliança entre esses dois campos funciona bastante bem. Minha própria formação específica está na microbiologia geral, misturada um pouco com oceanografia.

Eu me formei em bacteriologia na UC Davis, com o meu diploma de graduação. Depois, obtive meu doutorado no Scripps Institute of Oceanography. Na verdade, meu doutorado é em biologia marinha, se você puder acreditar.

E aqui estou eu no MIT. Como isso aconteceu? O campo da microbiologia tem mudado realmente com muita rapidez.

E uma das, as influências, grandes influências no que entendemos atualmente sobre micróbios tem sido realmente os avanços tecnológicos na área da genômica. Normalmente, os micróbios, se você os observar ao microscópio, são muito difíceis de identificar. Existem algumas formas e tamanhos diferentes, mas eles realmente não revelam muito sobre quem é aquele organismo ou o que ele está fazendo.

E assim, tipicamente, os microbiologistas foram praticamente limitados a observar micróbios no laboratório, o que tem sido incrivelmente poderoso. É uma espécie de desdobramento da microbiologia médica. Assim, você pode isolar um micróbio do ambiente, da mesma forma que pode isolar uma substância química.

E uma vez que você tenha esse microrganismo puro, essa espécie microbiana pura, pode estudar seu fenótipo, suas características, os diferentes atributos que permitem seu funcionamento no ambiente, entre outros. No entanto, existem dois problemas com relação a isso, no que diz respeito à compreensão do mundo microbiano completo. E é que os microrganismos em laboratório nem sempre se comportam da mesma maneira como poderiam se comportar no ambiente.

E o outro problema, que é ainda maior, é que espécies microbianas, em sua maioria, são realmente difíceis de domesticar. Os zoológicos microbianos que temos no laboratório normalmente representam apenas cerca de 0,1% do que existe na natureza. Assim, há uma grande parcela do mundo microbiano que simplesmente ainda não conseguimos cultivar em laboratório, e por isso não a compreendemos.

E ainda assim isso representa a grande proporção da biomassa na natureza. E há muitas razões pelas quais isso é importante. Mas uma das principais é que os microrganismos são os motores, por assim dizer, das transformações de energia e matéria na natureza.

Assim, os fluxos de coisas como gases de efeito estufa e energia através dos ecossistemas, que são vastos em proporção em termos de alguns desses gases sobre os quais estamos falando, são realmente mediados por espécies microbianas de forma distribuída, embora sejam muito pequenas. É o poder dos números e a natureza distribuída do mundo microbiano em todo o planeta que movimenta grandes quantidades de massa e energia.

E, essa é uma das razões convincentes para compreender microrganismos em seu próprio ambiente, entendê-los na natureza. Bem, quando a Genômica passou a ter destaque, tornou-se cada vez mais fácil e mais barato sequenciar genomas microbianos completos. E, é claro, isso começou a ocorrer por volta da metade dos anos noventa.

E uma vez que isso começou a acontecer, as pessoas perceberam que poderiam usar essas mesmas técnicas para investigar as propriedades de genomas de micróbios presentes no ambiente natural, sem sequer precisar cultivá-los. Esse campo é um desdobramento de estudos anteriores realizados principalmente por Carl Woese e Norm Pace. E no meio dos anos oitenta, Norm Pace percebeu que, ei, eu posso identificar micróbios sem precisar cultivá-los.

E a forma como isso foi feita consistiu em ir a qualquer habitat microbiano e isolar a biomassa, e então extrair DNA ou RNA desses ácidos nucleicos. Poderia-se, por exemplo, sequenciar moléculas informativas do ponto de vista taxonômico, como os RNAs ribossomais. Assim, obter-se-ia uma lista de diferentes RNAs ribossomais.

Eles são quase como códigos de barras para tipos taxonômicos específicos. E você pode identificar os tipos de microrganismos em qualquer habitat particular. A limitação dessa abordagem é que tudo o que se tem é um gene RN.

Isso indica quem é o microrganismo, mas não informa exatamente o que ele está fazendo. Agora, com a aplicação da genômica, é possível avançar um passo adiante: você pode isolar ácidos nucleicos de quase qualquer habitat microbiano que imaginar, utilizando diversas técnicas. Isso inclui a isolamento de fragmentos genômicos grandes, que são alguns dos protocolos experimentais que vamos mostrar a vocês hoje.

Ou você pode fragmentar esse DNA em pequenos pedaços e realizar o sequenciamento tipo shotgun. E a maneira mais simples de pensar sobre isso é que você está obtendo uma lista de componentes das partes de todos os micróbios que compunham aquela comunidade. E, no entanto, essa é uma lista de componentes à qual nunca tivemos acesso anteriormente.

Assim, a partir dessa lista de componentes, podemos de certa forma desvendar o que compõe os micróbios presentes, quais são algumas de suas funções potenciais. E, na verdade, o que acabamos fazendo é gerar hipóteses que podemos então testar por meio de métodos bioquímicos, ou métodos fisiológicos, voltando ao ambiente e rastreando genes no espaço e no tempo.

E toda essa área que evoluiu, que de certa forma combina genômica com abordagens ecológicas, passou a ser denominada atualmente metagenômica ou genômica ambiental. E o que se observa hoje é que essas abordagens estão sendo aplicadas em muitos habitats diferentes, em solos, em ambientes agrícolas e no oceano. Um dos primeiros e maiores estudos desse tipo foi conduzido por Craig Venter no mar de Sargaço, e também, de forma importante, no microbioma humano.

A maioria das pessoas pode não perceber, mas associadas ao corpo humano existem mais células microbianas do que células humanas. Há cerca de 10 elevado à 14ª potência de micróbios e apenas 10 elevado à 13ª potência de nós. Então, o que gosto de dizer às vezes é que Deus deve ter tido um gosto descomunal por micróbios, porque há mais deles do que de nós.

Mas esses conceitos são realmente importantes. Pense em nós. Nunca estamos sozinhos.

Nós sempre temos uma comunidade microbiana ao nosso lado, que provavelmente possui muitas funções diferentes. Há evidências de que, na verdade, em alguns distúrbios, como a obesidade, o componente microbiano pode ter grande influência sobre, sobre, sobre, sobre basicamente o fenótipo humano e a quantidade de energia ou não que extraímos de nossas fontes alimentares. Assim, somos um sistema vivo composto não apenas por nós mesmos, mas pela simbiose, se assim se pode dizer, que carregamos conosco.

O que essas novas abordagens que utilizam a genômica nos permitem fazer é começar a dissecar aquelas partes do mundo biológico que não conseguíamos observar anteriormente. E é aí, é aí que reside o seu poder. O que está acontecendo no campo neste momento vai além da simples coleta de uma lista de componentes, mas realmente chega à noção de que existe um processo dinâmico real em andamento.

Inicialmente, quando os genomas começaram a ser sequenciados, é claro, uma única sequência genômica, realmente como uma entidade singular, você tem uma linhagem purificada de um microrganismo, ela possui um genoma, e você pode determinar, por exemplo, os 2 milhões de bases, pares de bases que compõem esse genoma. E parece ser uma entidade muito fixa e estática. O que descobrimos, no entanto, quando vamos observar a natureza, é que raramente existe algo como uma única linhagem de um microrganismo.

Quando você analisa essas populações microbianas naturais, o que se descobre é que existe um tema, um tema genômico ao redor do qual uma espécie é montada, por assim dizer. Mas em qualquer população específica, há muitas, muitas, muitas variantes, muitas variações sobre esse tema, muitas linhagens. E o que estamos começando a perceber é que os genomas não são entidades realmente estáticas, mas estão em constante mudança.

Eles são dinâmicos. E, de fato, isso ocorre em populações. Assim, é possível imaginar que, diante de variações sutis no ambiente, que podem estar relacionadas a nutrientes, temperatura ou salinidade, alguma proporção dessas variantes na população possa responder um pouco melhor a essa alteração ambiental.

E há uma mudança constante, mas eles também estão se alterando novamente. Assim, a variação é continuamente fornecida pela deriva neutra e, em seguida, atuada pela seleção. Isso proporciona uma perspectiva diferente, uma visão mais dinâmica do que são os genomas.

E é mais do que isso, em vez de ser como uma imagem estática de um genoma, é mais como observar um filme. E uma das coisas mais poderosas em alguns dos novos estudos é que estamos começando a obter os quadros parados necessários para montar o filme de como os genomas evoluem, o que isso significa em relação ao fenótipo do organismo, sua resposta ao ambiente e também sua influência sobre o ambiente. Portanto, isso é realmente empolgante, porque representa uma área nova para a genética de populações em microbiologia, mesmo que se possa pensar que esse campo já estivesse bem desenvolvido na microbiologia, o que na verdade não é o caso, pois nunca tivemos realmente um modo de estudar a genética de populações microbianas naturais de maneira muito detalhada.

E, e essa é outra componente desse tipo de pesquisa, ou seja, agora podemos aprofundar-nos na genética populacional e na genômica populacional para assistir ao filme em movimento. E, e isso é algo realmente poderoso e tem muitas implicações práticas para aquilo que compreendemos sobre como os microrganismos adquirem funções, sobre como funções e propriedades se espalham entre comunidades. E uma das coisas surpreendentes para nós é que isso muda um pouco a nossa noção de como propriedades fenotípicas, como propriedades funcionais podem se mover entre microrganismos na biologia; é claro que, na biologia de organismos sexuados, geralmente pensamos em características sendo transmitidas da mãe para a filha e assim por diante.

E é assim que as propriedades biológicas são propagadas por meio desse tipo de transmissão hereditária genética. No entanto, o mundo microbiano possui uma dinâmica diferente, e estamos começando a observar isso em algumas dessas pesquisas metagenômicas, que estão relacionadas ao chamado transferência lateral, pela qual genes ou até mesmo arons inteiros são transferidos entre organismos muito diferentes por meio do processo de transferência de DNA; e se esse DNA for expresso no organismo receptor e tiver valor seletivo positivo, ele pode começar a se propagar entre muitos organismos diferentes. Recentemente, temos observado isso utilizando os tipos de técnicas que estamos analisando no laboratório; o modo como isso funciona é que somos capazes de isolar fragmentos genômicos muito grandes de populações microbianas.

E fazemos isso em diferentes pontos no tempo e no espaço. Neste caso, o que temos sido capazes de fazer é isolar grandes porções de genomas ao longo de um gradiente energético, o gradiente de luz que penetra no oceano. E esse é um gradiente muito bem definido nos locais que estudamos no oceano aberto.

A zona fótica é na verdade bastante profunda. Ela se estende até 200 metros abaixo da superfície do mar. E, embora a energia, é claro, mude em qualidade e quantidade.

À medida que a luz é atenuada, ela se torna cada vez mais azulada conforme a profundidade aumenta, de modo que resta apenas uma faixa mais estreita de comprimentos de onda disponíveis para os organismos que vivem nas profundezas. Além disso, a energia da luz também é menor. Assim, pode-se começar a investigar como os organismos que utilizam a luz podem se adaptar e mudar em função do gradiente de energia, da qualidade e da quantidade de luz.

O interessante é que é possível rastrear genes específicos e os tipos de microrganismos associados a eles ao longo desses gradientes de luz. E, resumindo, o que descobrimos é que certos genes particulares envolvidos na captação de energia luminosa, chamados rodopsinas, são tão fáceis de expressar e requerem tão poucos genes para formar o sistema fotossensível que saltaram entre todos os tipos diferentes de micróbios.

E a razão pela qual podemos afirmar isso é que isolamos fragmentos genômicos de grupos conhecidos e realmente muito diferentes, distintos como bactérias em ArcHa. E encontramos o mesmo sistema fotossintético com propriedades quase idênticas. Assim, é possível rastrear essas porções de genes funcionais enquanto se movem entre organismos no ambiente.

Não se trata apenas de mapear genes em organismos, mas também de mapear esses genes ao longo do gradiente ambiental. Assim, a outra coisa que observamos ao analisar esses grandes fragmentos genôm游戏副本icos que contêm esses sistemas fotossintéticos é que eles são bastante abundantes na zona fotossintética, desde profundidades de aproximadamente zero metros até 130 metros. No entanto, ao atingir a base da zona fotossintética e logo abaixo dela, esses genes desaparecem.

Eles desapareceram, embora os mesmos organismos existam em profundidades maiores. E o que isso nos mostra é que, na ausência de seleção, ou seja, na ausência de luz, que permite o funcionamento desses genes, eles são perdidos entre diversos tipos de organismos em função da profundidade. Assim, a razão pela qual isso é interessante, bem, antes de tudo, nos informa sobre um mecanismo específico de geração de energia que utiliza a luz, onde ele se encontra no ambiente, como está distribuído entre os organismos e a dinâmica que o movimenta.

Mas também é, em geral, interessante, uma nova maneira de pensar sobre como mapear genes e genomas, não apenas em organismos, mas onde esses organismos ocorrem no tempo e no espaço, e onde esses genes ocorrem no tempo e no espaço, e onde está a interseção. Estamos apenas começando a aprender como fazer isso. Esse foi um exemplo de apenas um conjunto de genes.

Mas você poderia fazer a pergunta geral: bem, quantas categorias desses genes cosmopolitas que gostam de se mover muito existem? Não conhecemos a resposta a essa pergunta em nenhum habitat específico, nem com que frequência isso ocorre, nem quais são os mecanismos responsáveis por mover esses genes. Será o DNA livre no ambiente? Será um vírus que propaga os genes de organismo para organismo?

Essas são todas coisas amplamente desconhecidas, mas que agora podem ser abordadas utilizando esses tipos de técnicas de mapeamento de genes em organismos naturalmente presentes, mapeamento desses organismos no ambiente e compreensão de sua variabilidade. Portanto, é, é, é realmente um momento novo para a microbiologia, e agora temos acesso a observar o filme dinâmico da genômica no ambiente, o que realmente nos coloca em uma nova posição para entender melhor como o mundo microbiano realmente funciona na natureza. Um dos desafios, é claro, e este é um desafio tanto para a ciência ambiental quanto, diria eu, para a ciência biomédica, é capturar todos os tipos corretos de dados.

E neste caso, estou me referindo a metadados, sendo os metadados, é claro, dados sobre dados. Se você pensar no exemplo que dei no oceano, há várias coisas que você deseja saber. Você deseja saber qual é a radiância espectral, como, como, qual é o fluxo de fótons, quais são os comprimentos de onda da luz que atravessam, qual era a temperatura dessa água, a salinidade, a pressão, porque cada uma dessas variáveis tem consequências importantes com relação à forma como os organismos evoluem.

Portanto, além de obter dados sobre os genomas e sobre os organismos, precisamos coletar dados ambientais bastante detalhados, que possam ser comparados com outros momentos, outros locais e dados de outros pesquisadores. Embora cientistas ambientais trabalhem com conjuntos de dados como este há bastante tempo, a integração entre bioinformática, genômica e ciência ambiental é relativamente nova. E os bancos de dados, na forma como existem atualmente, nem sempre estão preparados para acomodar esse tipo de informação.

E então, há um certo processo evolutivo em andamento no momento, digamos eu, tanto do ponto de vista ambiental quanto, como sou oceanógrafo e biólogo marinho, do ponto de vista da oceanografia, tentando estabelecer diálogo com pesquisadores que trabalham com genômica e bioinformática, e vice-versa. Posso dar um exemplo. Estou envolvido com um Centro de Ciência e Tecnologia da NSF chamado Centro de Pesquisa e Educação em Oceanografia Microbiana ou Seymour.

E na Seymour estamos muito interessados em capturar essa dinâmica completa, o continuum de genomas a biomas, todos esses diferentes níveis de complexidade biológica, do genoma ao transcriptoma, ao proteoma, às células, às populações, às comunidades e aos ecossistemas. Essa é uma grande quantidade de informações diferentes. É algo bastante ambicioso.

E então, este projeto, este Centro de Ciência e Tecnologia da NSF, Seymour, está sediado no Havaí e reúne um grupo de oceanógrafos, microbiologistas e biólogos moleculares que estão tentando se unir para descobrir como caracterizar um sistema específico dessa maneira. Neste caso, o sistema é principalmente a camada superior do oceano no Pacífico Central. Um motivo importante para isso é que isso abrange um vasto componente biológico que cobre nosso globo, dois terços do nosso planeta. Em colaboração, Seymour está na verdade colaborando com outro projeto financiado pela Fundação Moore chamado camera.

E o Camera é liderado por Larry Smar e Craig Venter como um local para reunir grandes quantidades de dados genômicos coletados no ambiente e apresentá-los juntamente com dados sinópticos ou ambientais. Assim, os dados ambientais que foram coletados ao mesmo tempo em que os dados genômicos. Isso é realmente algo totalmente novo.

É apenas o começo e vai exigir mais coordenação e discussões sobre padrões de dados e padrões de metadados. E como você constrói um banco de dados capaz de conter tais informações? Porque, no momento, o foco está principalmente no oceano, o que dá uma direção específica.

Mas você pode imaginar que certamente as pessoas que estudam o microbioma humano precisarão de tipos semelhantes de conjuntos de dados, juntamente com dados clínicos, dados sobre indivíduos, entre outros. É um conjunto completamente diferente de problemas, mas, de muitas maneiras, é o mesmo tipo de problema: capturar dados genômicos de populações microbianas naturais, juntamente com todos os metadados associados e relevantes sobre onde vivem, quais as condições eram, e assim por diante. A expectativa é, é claro, que existam grandes bancos de dados relacionais nos quais se possa fazer perguntas bastante interessantes sobre tipos ou categorias específicas de genes.

Você poderia pensar em certos genes que normalmente associamos a características patogênicas, como pilI: existem tipos específicos de pilI sempre associados, por exemplo, a ambientes clínicos ou patogênicos, ou esses pilI são mais amplamente distribuídos e realmente adaptados a circunstâncias particulares no que diz respeito à formação de patógenos e assim por diante? Há muita interação que potencialmente poderia ocorrer entre esses conjuntos de dados no que se refere à compreensão de como o mundo microbiano evolui e como adaptações específicas podem levar a um ou outro conjunto de relações ambientais ou estilos de vida. Sou livre-vivente?

Estou ligado, sou um patógeno? Todas essas coisas estão relacionadas. Assim, esses bancos de dados relacionais, conforme crescem, provavelmente serão muito importantes tanto para aplicações práticas quanto para o desenvolvimento da teoria.

E, e eles ainda não chegaram lá. Eles têm um longo caminho a percorrer nos próximos, ah, eu diria cinco ou dez anos. Acredito que haverá uma série de desenvolvimentos, é claro, no contexto do genoma humano e da medicina e genética humanas.

O genoma de mil dólares tem sido um santo graal, e as tecnologias estão se desenvolvendo de forma bastante rápida, pelo menos para o resequenciamento. Assim, um dos grandes impactos será a redução da barreira para obtenção de informações genômicas. Com isso, quero dizer principalmente a economia.

Vai ser muito mais barato e muito mais rápido. E provavelmente haverá dispositivos do tamanho de um relógio de pulso nos quais você poderá sequenciar seu próprio genoma, se quiser, em um futuro não muito distante. Isso certamente está dentro do reino do possível.

Quando isso acontece, o cenário muda um pouco. Atualmente, grande parte do sequenciamento genômico ocorre em centros especializados muito grandes, com muitas pessoas. O que acontecerá com o sequenciamento do genoma, certamente, e já está acontecendo agora, é que ele se tornará muito mais distribuído.

E o interessante sobre isso é que isso apresenta novos desafios para a coleta de dados, padrões de dados e disseminação de dados à medida que as fontes pontuais de geração de dados tornam-se cada vez mais distribuídas. Portanto, esse é um desafio interessante. E novamente, isso está relacionado à questão completa dos bancos de dados.

Outra coisa que está começando a acontecer e que ocorrerá ainda mais é que normalmente pensamos em obter dados genômicos como uma iniciativa em que depositamos em um banco de dados, o que se torna um banco de dados, e então seguimos em frente. O sequenciamento de DNA tem, na verdade, aplicações muito poderosas na ciência experimental. E com o surgimento de algumas das novas tecnologias, acredito que veremos as pessoas coletando dados genômicos mais em um modo experimental do que apenas em um modo de coleta e depósito de dados.

E, pode-se imaginar o monitoramento de populações no ambiente por meio da análise da expressão gênica, sobrepondo padrões de expressão gênica a padrões proteômicos. Todas essas coisas irão acontecer. E, portanto, provavelmente passaremos a pensar na sequenciação do genoma mais como uma ferramenta experimental do que como uma maneira de expandir bancos de dados.

Portanto, todos esses tipos de coisas estão prestes a acontecer e, é claro, central a todas elas estará a captura de dados e a infraestrutura computacional, tanto em hardware quanto em software, para lidar com todos esses dados, pois as quantidades são imensas. E, além disso, o desenvolvimento de teorias, se considerarmos a teoria biológica aplicada especialmente à ecologia, grande parte dela baseia-se em organismos grandes, organismos grandes que se reproduzem sexualmente, e, de fato, algumas das regras do jogo e algumas das teorias não se aplicam necessariamente ao mundo microbiano. Assim, acredito que, para matemáticos e teóricos, há um enorme potencial no futuro para utilizar esses dados que estão sendo coletados agora e que serão coletados no futuro como, se quisermos, modelos de dados para o desenvolvimento de novas teorias e teorias preditivas.

E o objetivo final realmente acaba sendo compreender como o nosso planeta funciona, em parte porque o ar que respiramos, os fluxos de matéria e energia que equilibram os ciclos elementares na Terra são amplamente regulados pelas atividades coletivas de espécies microbianas. Como estamos, atualmente, enquanto espécie, pressionando fortemente alguns ciclos de energia e matéria — tomemos, por exemplo, o CO2 na atmosfera — torna-se cada vez mais importante entender a dinâmica e os detalhes de como ocorre o equilíbrio natural, à medida que nós mesmos o alteramos, e começar a pensar em formas pelas quais possamos viver um pouco mais em equilíbrio com os ciclos de matéria e energia do nosso planeta. Assim, acredito que esse tipo de ciência fundamental, que parece ser uma redução do conhecimento, acabará evoluindo, por meio da metagenômica e de algumas dessas outras técnicas que mencionei, juntamente com a teoria, para uma ciência mais holística no que diz respeito à compreensão de sistemas complexos, não apenas ao nível da célula, mas ao nível do nosso planeta.

E então, na verdade, neste exato momento, com algumas dessas técnicas que mostramos a você no laboratório e, e, e com o estado atual do campo, estamos apenas dando os primeiros passos. Mas acho que podemos começar a perceber, sabe, pequenos vislumbres de para onde isso poderia caminhar. E será empolgante se conseguirmos descobrir como orquestrar isso, porque exige as habilidades de uma ampla gama de tecnólogos, teóricos, matemáticos e engenheiros, para tentar reunir tudo.

Então, são tempos interessantes e certamente vão ficar ainda mais interessantes a partir deste ponto.