Para entender melhor o relógio circadiano das cianobactérias modernas, uma equipe de pesquisa japonesa investigou os antigos sistemas de marcação de tempo. Eles estudaram a oscilação das proteínas do relógio KaiA, KaiB e KaiC (proteínas Kai) em cianobactérias modernas e a compararam com a função das proteínas Kai de seus ancestrais. Os resultados de sua pesquisa foram publicados na Nature Communications.
Melhor compreensão da origem fisiológica dos sistemas de relógio circadiano
“As cianobactérias atuais usam um relógio circadiano para prever o ciclo claro-escuro da Terra com base em sua rotação, obtendo assim reações fotossintéticas eficientes. Queríamos saber quando as bactérias antigas desenvolveram o relógio circadiano e como essa característica foi passada para as cianobactérias atuais”, explica Atsushi Mukaiyama, professor associado da Universidade da Província de Fukui.
As cianobactérias, às vezes chamadas de algas verde-azuladas, são bactérias fotossintéticas que exercem uma influência importante sobre os oceanos e a atmosfera da Terra. Os cientistas sabem que o último ancestral comum das cianobactérias surgiu há cerca de 3 bilhões de anos. Elas evoluíram para o ecossistema atual durante o Grande Evento de Oxidação, que ocorreu há cerca de 2,3 bilhões de anos, quando o conteúdo de oxigênio na atmosfera da Terra aumentou. Esse desenvolvimento continuou durante pelo menos dois eventos da Terra bola de neve, há cerca de 2,4 e 0,7 bilhões de anos, quando o planeta estava coberto de gelo, bem como durante o enriquecimento de oxigênio na era neoproterozoica, quando o teor de oxigênio da Terra aumentou pela segunda vez. O enriquecimento de oxigênio na era neoproterozoica ocorreu entre 800 e 540 milhões de anos atrás.
Com base em fósseis e modelos evolutivos moleculares, os cientistas suspeitam que o ancestral comum mais recente das cianobactérias já possuía sistemas primitivos de fotossíntese de oxigênio. A eficiência da fotossíntese é fortemente influenciada pelos ciclos de luz e escuridão do ambiente. A equipe de pesquisa queria investigar se as cianobactérias primitivas tinham um sistema de tempo quando a fotossíntese se tornou ativa durante o Grande Evento de Oxidação. Isso poderia ajudar os cientistas a entender a origem fisiológica dos sistemas de relógio circadiano.
O relógio circadiano das cianobactérias
Os cientistas identificaram relógios circadianos, ou seja, cronômetros internos que fazem com que um organismo funcione de acordo com um ritmo de 24 horas, em vários organismos, como bactérias, fungos, plantas e mamíferos. A equipe de pesquisa estudou o relógio circadiano de cianobactérias usando a cepa de cianobactérias Synechococcus elongatus. Eles reconstruíram o oscilador do relógio em um tubo de ensaio usando a proteína do relógio KaiC. Eles também estudaram a função e a estrutura das proteínas Kai originais para determinar como os osciladores autossustentáveis da proteína Kai evoluíram ao longo do tempo.
Como é sabido que os ciclos claro-escuro influenciam a eficiência da fotossíntese nas cianobactérias, a equipe queria descobrir se as cianobactérias antigas já tinham um relógio circadiano autossustentável quando os antigos processos de oxidação ocorreram e os sistemas fotossintéticos surgiram pela primeira vez. Eles descobriram que fenômenos rítmicos mais rápidos foram codificados nas proteínas do relógio primordial. “O relógio das antigas cianobactérias estava sincronizado em um ciclo de 18 a 20 horas. Isso significa que a história do período de rotação da Terra poderia ser reconstruída pelo rastreamento da evolução das moléculas de proteína do relógio”, explicou Yoshihiko Furuike, professor assistente do Instituto de Ciências Moleculares.
Evolução mais rápida
As descobertas da equipe mostram que a KaiC mais antiga das bactérias ancestrais não tinha a função e a estrutura necessárias para as propriedades rítmicas. Por meio da evolução molecular, as proteínas Kai dos ancestrais adquiriram a função e a estrutura necessárias por volta da época da oxidação global e da Terra bola de neve. Por fim, o ancestral comum mais recente das cianobactérias fotossintéticas herdou esse oscilador circadiano autossustentável. Essas descobertas são extremamente úteis para que os cientistas compreendam a cronobiologia. “Nosso objetivo final é desenvolver cianobactérias modificadas que possam se adaptar aos períodos de rotação de planetas e satélites que não sejam a Terra, encurtando ou alongando o período do oscilador da proteína Kai. As cianobactérias levaram muito tempo para sincronizar seu relógio com 24 horas, mas com o conhecimento e a tecnologia modernos, poderíamos alcançar uma evolução ainda mais rápida”, disse Shuji Akiyama, professor do Instituto de Ciência Molecular.
