Por que as mitocôndrias possuem DNA?

Mitocôndria de célula eucariótica (Imagem de Mariana Ruiz Villarreal em Wikimedia Commons)

por Fazale Rana

25 de abril de 2016

Sempre que falo em campi universitários, os estudantes me desafiam com a hipótese do endossimbionte. Esta hipótese é uma faceta importante do paradigma evolutivo, presumivelmente fornecendo uma explicação para a origem das células eucarióticas (ou complexas).

Os alunos do primeiro ano de biologia aprendem sobre a hipótese do endossimbionte e suas evidências, e muitos a consideram convincente, aceitando, consequentemente, a explicação evolutiva para a origem, história e design da vida. Mas mesmo que a evidência para a hipótese do endossimbionte possa parecer convincente, é igualmente razoável ver as células eucarióticas (e, portanto, a vida) como o produto da obra de um Criador, como demonstrado por trabalhos recentes de cientistas nos Estados Unidos e no Reino Unido. [1]

A Hipótese do Endossimbionte

Os biólogos evolucionistas acreditam que as células eucarióticas se originaram por meio de um processo conhecido como  endossimbiose (ou simbiogênese). De acordo com esta ideia, as células complexas originaram-se por meio de relações simbióticas entre micróbios unicelulares quando células bacterianas e/ou arqueais de vida livre foram engolidas por outro micróbio. As células ingeridas são chamadas de endossimbiontes.

Esta teoria sugere que organelas, como as mitocôndrias, já foram endossimbiontes. Uma vez introduzidos na célula hospedeira, os endossimbiontes presumivelmente estabeleceram uma relação simbiótica permanente com o hospedeiro, com uma célula crescendo e se dividindo dentro da outra. Com o tempo, os endossimbiontes (micróbios engolfados) e o hospedeiro tornaram-se mutuamente interdependentes, com os endossimbiontes proporcionando um benefício metabólico para a célula hospedeira. Finalmente, a célula hospedeira desenvolveu a maquinaria para produzir as proteínas necessárias aos endossimbiontes e para transportar essas proteínas para o seu interior.

De acordo com esse modelo evolutivo, os endossimbiontes evoluíram gradualmente para organelas por meio de um processo conhecido como redução do genoma. Esta redução ocorreu quando os genes dos genomas dos endossimbiontes foram transferidos para o genoma do organismo hospedeiro. Durante a transformação de endossimbionte em organela, a redução do genoma foi extrema. Por exemplo, os genomas mitocondriais têm cerca de 20.000 pares de bases de tamanho, codificando cerca de 35 a 40 proteínas, enquanto o grupo de bactérias que os biólogos pensam ter dado origem às mitocôndrias têm um genoma de mais de 1 milhão de pares de bases de tamanho.

Evidências para a Hipótese do Endossimbionte

Uma das principais linhas de evidência para a hipótese do endossimbionte é a semelhança entre organelas e bactérias. Por exemplo, as mitocôndrias – que se acredita serem descendentes de um grupo de bactérias chamadas Rickettsiales – têm aproximadamente o mesmo tamanho e formato de uma bactéria típica e têm uma estrutura de membrana dupla como as Rickettsiales. Essas organelas também se dividem de uma forma que lembra as células bacterianas.

Outra evidência para a hipótese do endossimbionte é a presença de DNA nas mitocôndrias. Os biólogos evolucionistas veem a existência do diminuto genoma mitocondrial como um vestígio da história evolutiva desta organela. Além disso, as semelhanças bioquímicas entre os genomas mitocondriais e bacterianos são tomadas como mais uma evidência da origem evolutiva destas organelas.

Os genomas parciais das mitocôndrias podem ser vistos como de natureza transicional. Com mais tempo, alguns biólogos acreditam que a transferência de genes para o núcleo da célula hospedeira estará presumivelmente concluída. Em apoio a esta visão, eles apontam para outras organelas como mitossomas e hidrogenossomas, que carecem completamente de genomas. Aparentemente, o processo de transferência de genes alcançou frutos nesses endossimbiontes transformados em organelas.

A manutenção de genomas organelares é uma perspectiva cara para a célula hospedeira. Normalmente, são necessárias algumas centenas de proteínas para apoiar a produção de proteínas codificadas nos genomas mitocondriais. Esta parece ser uma característica desnecessária da bioquímica celular porque seria mais eficiente produzir todas as proteínas do citoplasma e depois transportá-las para as organelas. Esta ineficiência e desperdício aparentemente apoiam a origem evolutiva destas organelas.

Uma Perspectiva do Modelo de Criação sobre as Mitocôndrias

Apesar da aparente evidência da hipótese do endossimbionte, é razoável ver as células eucarióticas como obra de um Criador. As semelhanças partilhadas, por exemplo, entre mitocôndrias e Rickettsiales podem, na verdade, refletir um design comum em vez de uma descendência comum.

Contudo, para interpretar legitimamente as mitocôndrias a partir de uma perspectiva de modelo de criação, deve haver uma razão para explicar por que as mitocôndrias têm os seus próprios genomas. E o trabalho recente realizado por uma equipa de cientistas dos EUA e do Reino Unido revelou-se útil para fornecer uma explicação.

Por que as Mitocôndrias Possuem DNA?

Para determinar se existe uma justificativa para os genomas mitocondriais, a equipe de cientistas desenvolveu um algoritmo que lhes permitiria identificar características comuns nos genomas mitocondriais. Ao pesquisar mais de 2.000 genomas mitocondriais representando uma ampla gama de organismos eucarióticos, eles descobriram três propriedades que são comuns aos genes encontrados nessas organelas.

1. As proteínas codificadas pelos genomas mitocondriais estão associadas às membranas da organela, constituídas por um grande número de aminoácidos hidrofóbicos. Se essas proteínas fossem codificadas no genoma nuclear e produzidas no citoplasma – em vez do lúmen das mitocôndrias – as proteínas seriam mal direcionadas para o retículo endoplasmático (RE) em vez das mitocôndrias. A maquinaria da célula que direciona as proteínas para o RE não consegue discriminar entre as proteínas do RE e um número selecionado que deveria ser direcionado para as mitocôndrias. Para evitar desvios, essas proteínas devem ser produzidas no interior das mitocôndrias. [2]

2. As proteínas codificadas pelos genomas mitocondriais formam os componentes principais da cadeia de transporte de elétrons (CTE). A CTE faz parte de uma elaborada operação bioquímica que ocorre nas membranas internas das mitocôndrias. Esse processo coleta energia para uso da célula. A codificação de proteínas CTE dentro do genoma mitocondrial, em vez do genoma nuclear, proporciona à célula um controle regulatório mais eficiente sobre o seu metabolismo energético do que se este processo fosse regulado globalmente, o que seria o caso se as proteínas CTE fossem codificadas dentro do genoma nuclear.

3. Os genes codificadores de proteínas nos genomas mitocondriais têm um alto conteúdo GC (ou conteúdo de guanina-citosina). Quanto maior o conteúdo de GC de uma região do DNA, mais estável ela é. Uma vez que o interior das mitocôndrias são ambientes agressivos, o maior conteúdo de GC dos genes mitocondriais serve como uma característica de design elegante, garantindo a sua durabilidade na presença de espécies reativas de oxigênio que são subprodutos do metabolismo energético.

Em outras palavras, há uma justificativa para o motivo pelo qual as mitocôndrias possuem DNA. Uma lógica bioquímica requintada sustenta a estrutura e a função dos genomas mitocondriais. À luz dessa nova visão, é razoável ver as organelas, como as mitocôndrias, como obra do Criador. Como a maioria dos sistemas biológicos, esta organela parece ter sido projetada para um propósito.

Notas de Fim

1. Iain G. Johnston e Ben P. Williams, “Evolutionary Inference across Eukaryotes Identifies Specific Pressures Favoring Mitochondrial Gene Retention”, Cell Systems 2 (fevereiro de 2016): 101–11, doi:10.1016/j.cels.2016.01.013.
2. Eu escrevi sobre essa ideia em um artigo anterior: “Genomas mitocondriais: evidências de evolução ou criação?”, Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, 27 de agosto de 2015.

________________________

Traduzido de Why Do Mitochondria Have DNA? (RTB)

Etiquetas:

criacionismo (progressivo) da Terra velha