No mundo dos micróbios, a cooperação floresce

Dependendo das condições externas, o micróbio Myxococcus xanthus pode assumir uma forma competitiva (amarela) e uma cooperativa (verde)

Apesar da estrutura unicelular, os micróbios são capazes de cooperar surpreendentemente entre si. Eles podem secretar polímeros que lhes permitem se unir e formar biofilmes para se protegerem de antibióticos e outros venenos. Eles podem produzir grandes volumes de lubrificante, permitindo o crescimento de colônias em superfícies macias e até produzir moléculas que buscam ferro para viver em condições de deficiência de ferro, por exemplo, em humanos.

Essa diversidade de comportamento levanta a questão da evolução: como a cooperação pode florescer em um ambiente tão egoísta, impulsionado pela seleção natural? "O problema clássico é que qualquer tipo de cooperação custará caro para os indivíduos", diz Michael Desai , físico que passou para biólogos evolutivos microbianos da Universidade de Harvard. "O mistério é como essa situação poderia ter surgido como resultado da evolução?"

A cooperação - por definição, comportamento que beneficia outra pessoa - pode, por exemplo, ser o fornecimento de alimento ou proteção, e geralmente é caro para o doador. Especialmente em organismos que sofrem mutação rápida como os micróbios, que regularmente aparecem novos métodos de enganação, capazes de fornecer aos cooperadores.


O fermento, capaz de enganar e cooperar, permitiu aos cientistas estudar a evolução da cooperação em micróbios

De acordo com o modelo mais simples de seleção natural, em uma população perfeitamente mista de cooperadores e enganadores, estes geralmente vencem. Mas cálculos teóricos e experimentos com micróbios e outros organismos mostraram que a cooperação pode se desenvolver sob certas condições. Grupos de indivíduos conectados trabalhando juntos podem superar os enganadores, o que explica que uma infinidade de organismos - micróbios, insetos e até humanos - pode sobreviver através da cooperação.

Dois estudos publicados descobriram uma nova força que pode ajudar os cooperadores a florescer: expandir as fronteiras da população. Ambos os estudos trabalharam com leveduras, mas os cientistas argumentam que as descobertas também podem ser transferidas para outras espécies de seres vivos, incluindo seres humanos. "Não se sabe o quão amplo esse mecanismo é, mas parece bem possível que seja bastante difundido", diz Desai.

Uma melhor compreensão das condições sob as quais a cooperação microbiana está emergindo pode ajudar na pesquisa em saúde. Muitos micróbios que infectam seres humanos são conhecidos cooperativamente como biofilmes, e novas estratégias para impedir a formação de biofilmes podem se tornar alternativas aos antibióticos, que podem desenvolver resistência nos micróbios. As descobertas também podem lançar luz sobre a evolução de organismos multicelulares decorrentes de conjuntos de células co-atuantes, bem como o câncer, que pode ser visto como um conjunto de células enganadoras que atacam células saudáveis ​​e cooperantes de nossos corpos.

Novo território

A maior parte do trabalho teórico sobre a evolução da cooperação concentra-se em populações estáticas, vivendo em um local ou mantendo um volume constante.


Com a falta de comida, milhares de Myxococcus xanthus cooperam e criam uma formação produtora de esporos.

Os cientistas sabem há muito tempo que as convenções espaciais de uma população estática podem estimular os micróbios ao altruísmo. Embora os enganadores ganhem em grupos altamente heterogêneos de micróbios, os pedaços de micróbios colaboradores podem superar em tamanho os pedaços de enganadores. Duas teorias populares e um tanto sobrepostas da evolução da cooperação incluem a escolha de parentes, segundo a qual a generosidade para com os membros da família ajuda um dos genes a sobreviver, e a escolha de um grupo segundo o qual um grupo de micróbios cooperantes sucede com mais freqüência do que os micróbios individuais. "Os benefícios da colaboração não são usufruídos por todos na população, mas apenas por pessoas próximas ou geneticamente semelhantes", diz Desai.

Mas a maioria das espécies não vive em condições estáticas; eles constantemente sofrem mudanças de quantidade e mudam de habitat. Mudanças, por exemplo, podem provocar o aquecimento global e os ciclos geológicos, como a era do gelo.

Um novo conjunto de estudos sugere que a expansão populacional pode afetar seriamente a dinâmica evolutiva. Em uma população crescente, os efeitos do acaso, referidos com mais precisão na teoria da evolução pela deriva genética, podem se tornar mais influentes que a seleção natural. Como resultado, o número de prósperos grupos de micróbios colaboradores pode ser reduzido.


Quando duas linhagens de micróbios (verde e vermelho) se expandem para um novo território, é provável que a linhagem cresça na fronteira. O resultado é um padrão de "toca-discos", como na foto

Em um experimento de 2007, a influência da expansão foi demonstrada visualmente. Oskar Hallatschek, biofísico da Universidade da Califórnia em Berkeley, começou com uma queda de duas cepas de micróbios bem misturadas, coradas com corantes fluorescentes de duas cores. Como ambas as linhagens crescem na mesma taxa, o modelo estático de população prevê que sua concentração não será alterada ao longo do tempo; a proporção inicial de 50:50 permanecerá. Mas os resultados foram completamente diferentes. Os micróbios, tendo começado a compartilhar e se espalhar sobre a placa de Petri, rapidamente se separaram e organizaram um padrão de "fiação" com diferentes seções de determinadas cores. "Este é um efeito muito poderoso que é muito difícil de evitar", diz Halachek.

As descobertas foram uma ilustração impressionante de um fenômeno como o surf genético, teoricamente previsto vários anos antes. (Existem muitos físicos entre os pesquisadores que são atraídos, entre outras coisas, pelo potencial de modelar e testar teorias evolutivas). Em grandes populações estáticas, a probabilidade de corrigir novas mutações neutras (que não afetam a adequação à evolução) é extremamente baixa. Mas, de acordo com o modelo de surf, a probabilidade de propagação de mutações que ocorrem na fronteira de uma população em crescimento é muito maior - elas parecem surfar uma onda de expansão - e se tornam mais fortes, porque nesse local um pequeno número de células se reproduz. Em um artigo de 2007, Halachek e colegas explicaram como a deriva genética pode alimentar o surf genético e a aparência de um padrão giratório. As bactérias verdes se dividem e criam mais colônias verdes, e é por isso que uma cunha verde cresce. "No caso de uma colônia em expansão, é tudo uma questão de localização", diz Halachek. "Mesmo se você é um mutante perfeito, precisa estar nessa mesma fronteira para prosperar, ou não terá chance."

Os experimentos de Halachik forneceram a primeira evidência direta de que "o surf pode mudar drasticamente a diversidade de genes neutros em uma grande população natural", diz Lauren Eskoffier , especialista em genética de populações da Universidade de Berna, na Suíça.

A descoberta não apenas mostra um contraste vívido entre as populações estáticas e em expansão, mas também o importante papel desempenhado na evolução do acaso, ocorrendo sob condições adequadas. "Trata-se de multiplicar a importância da aleatoriedade", diz Kevin Foster , biólogo evolucionário da Universidade de Oxford que não está envolvido com este trabalho. "Isso significa que algumas propriedades, mesmo não preferíveis à evolução, podem se tornar muito comuns apenas por acidente."

O trabalho de Halchek "realmente inspirou muitas pesquisas para entender como a seleção natural e a expansão populacional funcionam e como eles deixam traços genéticos", diz Desai. - Nosso trabalho continua esse tópico. Pensamos na genética de uma população em crescimento e percebemos que isso leva à cooperação. ”

Pouco trabalho em equipe

Foster e colegas sugeriram que a expansão poderia ser outra força que impulsionava a cooperação por meio de modelagem computacional detalhada de micróbios em 2010. O modelo confirmou as descobertas de Halachek e as levou um passo adiante, sugerindo que a expansão dos limites da população cria condições ideais para a cooperação de organismos.


Em uma população mista de micróbios colaboradores (vermelho) e enganosos (verde), os cooperadores acabam vencendo

Recentemente, dois grupos de cientistas demonstraram esse efeito em micróbios reais, destacando as condições especiais pelas quais o altruísmo poderia evoluir. Para estudar a cooperação em leveduras, os pesquisadores usaram duas espécies - cooperadoras que secretam uma enzima que decompõe a sacarose em seus alimentos favoritos de micróbios, glicose e enganadores que não sabiam como fazer isso. Quase todos os alimentos produzidos pelos cooperadores foram liberados no meio ambiente, onde tanto os cooperadores quanto os enganadores puderam se regalar.

Em um experimento Desai publicado na Current Biology , uma gota de líquido contendo os dois tipos de levedura foi colocada em uma placa de Petri. À medida que os micróbios se dividem e se expandem para o espaço desocupado, a fronteira da população é ocupada aleatoriamente por enganadores ou cooperadores. Isso levou ao "efeito fundador", com grupos de micróbios vivendo na fronteira que estão intimamente relacionados. "Quem foi o primeiro a migrar mais cedo do que os outros teve mais filhos", diz Desai.

Como regra, a população de leveduras colaboradoras cresceu mais rapidamente do que a população de enganadores individualistas, uma vez que os cooperadores geralmente cresceram mais rapidamente em novos territórios. "Eles vencem na fronteira da população e, como resultado, toda a fronteira é ocupada por cooperadores", diz Desai. "A expansão espacial de uma população pode melhorar drasticamente as chances de uma evolução bem-sucedida da cooperação."

Os micróbios Desai podem crescer em duas dimensões, mas alguns casos de expansão são unidimensionais - por exemplo, pássaros se movendo ao longo de uma cadeia de ilhas. O físico do MIT Jeff Gore e seus colegas analisaram um caso unidimensional cultivando uma mistura de germes cooperativos e trapaceiros em tubos finos e cheios de líquido. Eles moviam micróbios manualmente, transferindo diariamente parte do fluido para um novo tubo. Diferentemente dos micróbios Desai que podem sobreviver sem cooperação, os enganadores de Goura precisavam de cooperadores para obter comida e sobrevivência, e eles penetraram em uma população crescente de cooperadores.


Jeff Gour

Os pesquisadores compararam a taxa de expansão dos cooperadores na fronteira com a taxa de reprodução dos enganadores por trás. Para que os cooperadores tivessem sucesso, precisavam se expandir mais rapidamente do que os enganadores os atacaram. Um artigo publicado no Proceedings da Academia Nacional de Ciências mostra que, em condições adversas, em uma população mista, os cooperados se espalham e os enganadores desaparecem. No entanto, se cooperadores e enganadores se desenvolvem em um espaço vazio, os cooperadores superam os enganadores apenas em condições amenas, mas não severas. (A taxa de migração é calculada medindo a densidade populacional de cada tubo que cresce ao longo do tempo). "É incrível como a expansão espacial prefere a cooperação - eles assumem novos territórios mais rapidamente do que os trapaceiros", diz Gour.

Os cooperadores têm acesso preferencial aos frutos de seus trabalhos, pois algumas das enzimas secretadas por eles ficam presas em suas próprias paredes celulares. Isso é importante em baixas densidades celulares, porque "nessas condições, as células carecem de açúcar", diz Gour. "Assim, os cooperadores podem engolir um pouco do açúcar total antes que ele se dissolva."

Foster diz que a expansão espacial é talvez um pré-requisito para a cooperação microbiana. "É muito simples, provavelmente universal, e explica uma das descobertas mais importantes relacionadas aos micróbios", diz ele.

Além de germes

Obviamente, os micróbios não são os únicos organismos que expandem a população ou mostram cooperação. Em princípio, os mesmos fatores que desempenham um papel no fermento podem ser aplicados a organismos superiores, embora os cientistas observem cautelosamente que ainda não há evidências disso.

"Resta entender como esse efeito é generalizado na natureza", diz Desai. Muitas espécies expandem seus territórios, seja por estação ou a longo prazo. A migração de pessoas da África dezenas de milhares de anos atrás deu origem a preferências em favor da cooperação?

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Expansão de pessoas

Uma população em expansão carrega uma característica genética característica, e essa característica foi encontrada em humanos. Mas o problema é que esse traço é semelhante ao que permanece como resultado da seleção natural. As pessoas poderiam migrar da África "sem motivo aparente, talvez simplesmente porque era possível, mas não necessariamente por causa de algum tipo de pressão da criação", diz Lauren Excofier, geneticista da Universidade de Berna. Essas descobertas sugerem que é apenas devido a um aumento na frequência da mutação que não se pode concluir que isso ocorra sob a influência da seleção natural. "Em um conjunto de experimentos, eles estão tentando desenvolver métodos para separar esses efeitos puramente neutros do acaso e da seleção real", diz Oscar Halachek.

Excopier e colegas tentaram estudar os efeitos do aumento da área da habitação humana analisando os padrões de migração dos canadenses de língua francesa nos séculos 19 e 20. Graças a registros genealógicos detalhados, os pesquisadores puderam determinar quem e quando mudaram de local de residência. De acordo com os resultados publicados em 2011 na revista Science, as mulheres na fronteira da área de residência tiveram 15% mais filhos do que outras. "As pessoas na crista da onda de propagação deixaram mais genes na população do que aqueles no meio", diz Excofier. "Portanto, pessoas e bactérias são parecidas - indivíduos na fronteira de seus habitats têm maior probabilidade de influenciar o pool genético das gerações futuras".

Os registros mostraram que as mulheres da fronteira se casaram um ano antes, o que lhes permitiu ter mais filhos. E embora as razões exatas para isso não sejam claras, Exoffier acredita que os casamentos prematuros surgem devido à menor concorrência na fronteira. “Eles eram agricultores, tinham mais recursos do que aqueles que permaneciam no centro da população, onde todos os bons lugares já estavam ocupados”, diz ele, então era mais fácil para os homens fornecer esposas.

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"Não conheço evidências de que a expansão da área de influência afeta o estilo de trabalho cooperativo das populações humanas, mas ambos os estudos indicam que, em princípio, ele pode funcionar em benefício do comportamento cooperativo", diz Gour.

Foster é mais cético em relação a quanto a expansão afeta a cooperação. "Isso poderia ter acontecido em uma escala maior, mas não tenho certeza de que a expansão da população esteja de alguma forma promovendo a cooperação em organismos não microbianos", diz ele. Os insetos sociais, outro grupo de organismos que exibem toda uma gama de exemplos de comportamento cooperativo, "fazem as coisas de maneira completamente diferente", diz ele. "Com o crescimento da colônia, eles não mostram expansão espacial ou segregação genética."

Entender a cooperação microbiana pode ser importante por outras razões, diz João Xavier , biólogo computacional do Arch Research Center. Sloane Kettering em Nova York. Por exemplo, a dinâmica da expansão espacial poderia explicar como os tumores densos adquirem a capacidade de se espalhar pelas metástases.

Em certo sentido, as células cancerígenas agem como trapaceiros em um corpo cooperativo. Mas os cânceres de maior sucesso também trabalham juntos. As células que atraem os vasos sanguíneos para o tumor "beneficiam a si mesmas e a seus vizinhos", disse Xavier, engenheiro químico no início de sua carreira, estudando como as colônias bacterianas podem ser usadas para purificar a água. "Esta é uma propriedade cooperativa." Xavier, Foster e seus colegas já demonstraram em simulações que a dinâmica presente nos micróbios também pode ser aplicada às células cancerígenas.

Foster diz que sua equipe está começando a estudar colônias microbianas mais complexas. A maioria dos estudos de laboratório é limitada a uma ou duas cepas, mas em nossa pele, ou no intestino, por exemplo, centenas ou até milhares de espécies podem viver, desempenhando, como os cientistas aprenderam, um papel central na saúde humana."Os micróbios são confrontados não apenas com seus colegas fraudadores, mas com toda uma série de outras bactérias e vírus", diz Foster. "Se queremos manipular ou alterar a comunidade microbiana no intestino ou no local da infecção, precisamos entender como eles interagem para entender como responderão."

Um conjunto crescente de artigos científicos sobre expansão espacial leva a perguntas mais sombrias: o que acontece quando não há lugar para crescer? A resposta depende das circunstâncias. Se os recursos acabarem, toda a população morre. Se houver recursos suficientes, mas não houver lugar para expandir, então esforços fraudulentos começarão a ganhar. "Quando uma população termina de se expandir, os fenótipos cooperativos podem desaparecer porque seu mecanismo depende completamente da expansão", diz Desai.

Por outro lado, as populações raramente se estabilizam completamente. "Nas populações naturais, a cooperação é apoiada devido a casos freqüentes de expansão", diz Kirill Korolev , físico da Universidade de Boston, colega de Gour. "Talvez grandes choques ocorram periodicamente, como incêndios florestais, após os quais as populações se recuperam lentamente."