Nas profundezas do oceano, algas pardas e diatomáceas produzem uma molécula complexa de carboidrato chamada fucoidan, que ajuda a formar a camada externa protetora das algas. A molécula de fucoidan é muito difícil de ser decomposta por micróbios, pois sua estrutura química pode incluir dezenas de ligações e padrões de ramificação diferentes, que variam de uma espécie de alga para outra. Essa resistência à decomposição é um dos motivos pelos quais o fucoidan é importante; quando os micróbios têm dificuldade em decompô-lo, o fucoidan pode afundar nas profundezas do oceano, carregando carbono consigo e potencialmente armazenando-o por longos períodos. Isso pode tornar o fucoidan um importante participante no ciclo do carbono oceânico.

Durante muitos anos, os cientistas souberam da existência de bactérias individuais capazes de decompor fragmentos de fucoidan. Mas uma questão fundamental permanecia sem resposta: seria possível uma comunidade microbiana decompô-lo completamente e, em caso afirmativo, como?

Um novo estudo de acesso aberto publicado na  Nature , liderado por Andreas Sichert, ex-pós-doutorando do MIT e atualmente na ETH Zurich, e Otto X. Cordero, professor associado de engenharia civil e ambiental do MIT, oferece uma resposta.

"Nenhuma bactéria sozinha consegue realizar o trabalho", diz Cordero. "Em vez disso, o fucoidan é degradado por meio de um trabalho em equipe. Diferentes cepas bacterianas se especializam em diferentes partes da molécula e, juntas, seus esforços combinados realizam o trabalho com muito mais eficiência do que qualquer organismo conseguiria sozinho."

Para entender como a fucoidana se decompõe na natureza, a equipe de pesquisa enriqueceu uma comunidade bacteriana degradadora de fucoidana a partir de amostras de água do mar costeira. O que eles descobriram foi surpreendente: mais de 453 genes diferentes, cada um responsável pela produção de uma enzima capaz de agir sobre a fucoidana, distribuídos em oito cepas bacterianas isoladas pelos pesquisadores. Sozinhas, nenhuma dessas cepas era capaz de degradar completamente a molécula.

Mas quando os pesquisadores usaram um novo método rápido de espectrometria de massa, conseguiram observar como as bactérias consumiam os blocos de construção de açúcar individuais — e um padrão claro emergiu. Toda essa complexidade genética pôde ser reduzida a duas funções. Algumas cepas bacterianas se especializaram na degradação da "espinha dorsal" rica em fucose do fucoidan, enquanto outras se especializaram na remoção de seus ramos laterais, que contêm açúcares menos comuns, como xilose e galactose.

Quando cepas que desempenhavam ambas as funções foram combinadas, algo notável aconteceu: a degradação não se limitou a um único resultado. Em vez disso, tornou-se sinérgica e superou o que as atividades individuais das bactérias poderiam prever. Quanto mais complementares fossem as preferências das cepas pelo açúcar, mais forte se tornava o efeito. Em alguns casos, as comunidades combinadas chegaram perto de degradar completamente o polissacarídeo complexo.

"O colapso de um dos reservatórios de carbono mais abundantes do oceano depende de uma divisão de trabalho", diz Cordero, "não entre cepas específicas, mas entre funções específicas."

O resultado mais surpreendente foi que essa divisão do trabalho tornou o sistema muito mais previsível do que sua complexidade subjacente indicava.

Os pesquisadores desenvolveram um modelo simples que classificou a atividade bacteriana em duas categorias principais: fucose e os açúcares mais raros encontrados nas cadeias laterais do fucoidan. Eles treinaram o modelo usando dados de pequenas comunidades contendo apenas de uma a três cepas bacterianas.

O modelo simplificado foi capaz de prever a degradação em comunidades contendo até sete cepas, e suas previsões também foram generalizadas para nove fucoidanos estruturalmente diferentes de outros tipos de algas.

"Uma compreensão preditiva de um sistema complexo não precisa vir da caracterização de cada uma de suas partes", acrescenta Cordero, "mas sim da busca pela simplificação correta". A descoberta sugere que os cientistas podem ser capazes de prever a eficiência com que outros materiais biológicos complexos e ricos em carbono são decompostos na natureza, mesmo quando sua química exata e as enzimas envolvidas são apenas parcialmente compreendidas.

Os pesquisadores também descobriram que bactérias com capacidades complementares frequentemente ocorriam juntas em amostras coletadas no oceano natural, sugerindo que a divisão de trabalho observada em laboratório também pode desempenhar um papel no oceano.

As consequências vão muito além do campo da microbiologia. 

Os pesquisadores propõem um conceito que denominam "degradação limitada pela diversidade", no qual a ausência da combinação adequada de bactérias especialistas complementares permite que o fucoidan persista por mais tempo em vez de ser decomposto. Esse conceito pode ajudar a explicar por que parte do carbono das algas permanece no oceano por longos períodos, contribuindo para o armazenamento de carbono a longo prazo.

Para a biotecnologia, a conclusão é mais direta. Em vez de criar uma única "superbactéria" capaz de digerir biomassa resistente e complexa, uma abordagem mais promissora pode ser reunir equipes de micróbios que já se especializam em tarefas complementares. Essas equipes poderiam ser usadas para processar biomassa de algas pardas e outros polissacarídeos complexos em larga escala.

A promessa mais ampla, no entanto, pode residir na abordagem, e não na molécula. Se centenas de enzimas não caracterizadas puderem ser reduzidas a duas características mensuráveis, a mesma estratégia poderá funcionar para outros biopolímeros cuja química até agora resistiu à descrição — e, de forma mais geral, para prever o comportamento de comunidades microbianas. 

"Aqui estava um sistema com centenas de enzimas atuando sobre uma molécula que ainda não conseguimos descrever completamente, e acabou sendo muito mais tratável do que qualquer um esperava", diz Cordero. "O que descobrimos é que existe um nível de organização acima da enzima individual, correspondente a características que podemos medir e inserir em modelos simples que preveem a função a partir da composição (genômica). Quando a biologia parece intratável, pode ser que ainda não tenhamos encontrado o nível de descrição adequado."

Uma questão que o estudo deixa em aberto é fundamental. A fucoidana é abundante, e tem sido assim há muito tempo, então por que nenhuma bactéria evoluiu para consumi-la por completo? Os pesquisadores sugerem respostas em dois níveis: restrições dentro do próprio metabolismo do açúcar e dinâmicas evolutivas em que especialistas complementares são continuamente regenerados em vez de se fundirem em um só.

Além de Cordero e Sichert, a equipe de pesquisa incluiu coautores da ETH Zurich, da Universidade de Viena e do Instituto Tata de Pesquisa Fundamental.

O trabalho foi apoiado pela Fundação Simons através da colaboração Principles of Microbial Ecosystems (PRIME).