Um dos organismos mais trabalhadores do oceano é o minúsculo Prochlorococcus marinus, de coloração esmeralda.  Esse “picoplâncton” unicelular, menor que um glóbulo vermelho humano, pode ser encontrado em números impressionantes nas águas superficiais do oceano, tornando o Prochlorococcus o organismo fotossintetizante mais abundante do planeta. (Coletivamente, o Prochlorococcus  fixa tanto carbono quanto todas as plantações em terra.) Os cientistas continuam a encontrar novas maneiras pelas quais o pequeno micróbio verde está envolvido no ciclo e armazenamento de carbono do oceano.

Agora, cientistas do MIT descobriram uma nova habilidade de regulação oceânica nos pequenos, mas poderosos micróbios: alimentação cruzada de blocos de construção de DNA. Em um estudo que aparece hoje na Science Advances , a equipe relata que o Prochlorococcus  libera esses compostos extras em seus arredores, onde eles são então "alimentados de forma cruzada", ou absorvidos por outros organismos oceânicos, seja como nutrientes, energia ou para regular o metabolismo. Os rejeitos do Prochlorococcus , então, são recursos de outros micróbios.

Além disso, essa alimentação cruzada ocorre em um ciclo regular: Prochlorococcus  tende a se desfazer de sua bagagem molecular à noite, quando micróbios empreendedores consomem rapidamente os resíduos. Para um micróbio chamado SAR11, a bactéria mais abundante no oceano, os pesquisadores descobriram que o lanche noturno atua como uma espécie de relaxante, forçando as bactérias a desacelerar seu metabolismo e recarregar efetivamente para o dia seguinte.

Por meio dessa interação de alimentação cruzada, o Prochlorococcus poderia estar ajudando muitas comunidades microbianas a crescer de forma sustentável, simplesmente doando o que não precisa. E eles estão fazendo isso de uma forma que poderia definir os ritmos diários dos micróbios ao redor do mundo.

“A relação entre os dois grupos mais abundantes de micróbios nos ecossistemas oceânicos intriga os oceanógrafos há anos”, diz a coautora e professora do Instituto MIT Sallie “Penny” Chisholm, que desempenhou um papel na descoberta do Prochlorococcus  em 1986. “Agora temos um vislumbre da coreografia finamente ajustada que contribui para seu crescimento e estabilidade em vastas regiões dos oceanos.”

Dado que Prochlorococcus  e SAR11 estão presentes na superfície dos oceanos, a equipe suspeita que a troca de moléculas de um para o outro pode representar uma das principais relações de alimentação cruzada no oceano, tornando-o um importante regulador do ciclo do carbono oceânico.

“Ao observar os detalhes e a diversidade dos processos de alimentação cruzada, podemos começar a descobrir forças importantes que estão moldando o ciclo do carbono”, diz o principal autor do estudo, Rogier Braakman, cientista pesquisador do Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias (EAPS) do MIT.

Outros coautores do MIT incluem Brandon Satinsky, Tyler O'Keefe, Shane Hogle, Jamie Becker, Robert Li, Keven Dooley e Aldo Arellano, juntamente com Krista Longnecker, Melissa Soule e Elizabeth Kujawinski, da Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI).

A alimentação cruzada ocorre em todo o mundo microbiano, embora o processo tenha sido estudado principalmente em comunidades unidas. No intestino humano, por exemplo, os micróbios estão em estreita proximidade e podem facilmente trocar e se beneficiar de recursos compartilhados.

Em comparação, Prochlorococcus são micróbios flutuantes livres que são regularmente jogados e misturados através das camadas superficiais do oceano. Enquanto os cientistas assumem que o plâncton está envolvido em alguma quantidade de alimentação cruzada, exatamente como isso ocorre, e quem se beneficiaria, tem sido historicamente desafiador investigar; qualquer coisa que Prochlorococcus  jogue fora teria concentrações extremamente baixas, e seria extremamente difícil de medir.

Mas em um trabalho publicado em 2023, Braakman se uniu a cientistas do WHOI, que foram pioneiros em maneiras de medir pequenos compostos orgânicos na água do mar. No laboratório, eles cultivaram várias cepas de Prochlorococcus  sob diferentes condições e caracterizaram o que os micróbios liberavam. Eles descobriram que entre os principais "exsudantes", ou moléculas liberadas, estavam purinas e piridinas, que são blocos de construção moleculares do DNA. As moléculas também são ricas em nitrogênio — um fato que intrigou a equipe. Os Prochlorococcus  são encontrados principalmente em regiões oceânicas com baixo teor de nitrogênio, então presumiu-se que eles gostariam de reter todos e quaisquer compostos contendo nitrogênio que pudessem. Por que, então, eles estavam jogando esses compostos fora?

Em seu novo estudo, os pesquisadores se aprofundaram nos detalhes da alimentação cruzada do Prochlorococcus e como ela influencia vários tipos de micróbios oceânicos.

Eles se propuseram a estudar como o Prochlorococcus usa purina e piridina em primeiro lugar, antes de expelir os compostos para o ambiente. Eles compararam genomas publicados dos micróbios, procurando genes que codificam o metabolismo da purina e da piridina. Rastreando os genes para a frente através dos genomas, a equipe descobriu que, uma vez que os compostos são produzidos, eles são usados para fazer DNA e replicar o genoma dos micróbios. Qualquer purina e piridina restantes são recicladas e usadas novamente, embora uma fração do material seja finalmente liberada no ambiente. O Prochlorococcus parece aproveitar ao máximo os compostos e, em seguida, descarta o que não consegue.

A equipe também analisou dados de expressão genética e descobriu que genes envolvidos na reciclagem de purina e pirimidina atingem o pico várias horas após o pico reconhecido na replicação do genoma que ocorre ao anoitecer. A questão então era: O que poderia estar se beneficiando dessa eliminação noturna?

Para isso, a equipe analisou os genomas de mais de 300 micróbios heterotróficos — organismos que consomem carbono orgânico em vez de produzi-lo por meio da fotossíntese. Eles suspeitaram que tais alimentadores de carbono poderiam ser prováveis ??consumidores de rejeitos orgânicos de Prochlorococcus . Eles descobriram que a maioria dos heterótrofos continha genes que absorvem purina ou piridina, ou em alguns casos, ambos, sugerindo que os micróbios evoluíram ao longo de diferentes caminhos em termos de como se alimentam de forma cruzada.

O grupo se concentrou em um micróbio que prefere purinas, o SAR11, pois é o micróbio heterotrófico mais abundante no oceano. Quando eles então compararam os genes em diferentes linhagens do SAR11, eles descobriram que vários tipos usam purinas para diferentes propósitos, desde simplesmente absorvê-las e usá-las intactas até quebrá-las para obter energia, carbono ou nitrogênio. O que poderia explicar a diversidade em como os micróbios estavam usando os rejeitos do Prochlorococcus ?

Acontece que o ambiente local desempenha um grande papel. Braakman e seus colaboradores realizaram uma análise de metagenoma na qual compararam os genomas sequenciados coletivamente de todos os micróbios em mais de 600 amostras de água do mar de todo o mundo, com foco na bactéria SAR11. As sequências de metagenoma foram coletadas juntamente com medições de várias condições ambientais e localizações geográficas nas quais são encontradas. Esta análise mostrou que as bactérias devoram purina para seu nitrogênio quando o nitrogênio na água do mar está baixo, e para seu carbono ou energia quando o nitrogênio está em excesso — revelando as pressões seletivas que moldam essas comunidades em diferentes regimes oceânicos.

“O trabalho aqui sugere que os micróbios no oceano desenvolveram relacionamentos que aumentam seu potencial de crescimento de maneiras que não esperamos”, diz o coautor Kujawinski.

Finalmente, a equipe realizou um experimento simples no laboratório, para ver se eles poderiam observar diretamente um mecanismo pelo qual a purina atua no SAR11. Eles cultivaram as bactérias em culturas, as expuseram a várias concentrações de purina e, inesperadamente, descobriram que isso faz com que elas diminuam suas atividades metabólicas normais e até mesmo o crescimento. No entanto, quando os pesquisadores colocaram essas mesmas células sob condições estressantes do ambiente, eles continuaram a cultivar células fortes e saudáveis, como se a pausa metabólica pelas purinas ajudasse a prepará-las para o crescimento, evitando assim os efeitos do estresse.

“Quando você pensa no oceano, onde você vê esse pulso diário de purinas sendo liberado pelo Prochlorococcus , isso fornece um sinal de inibição diária que pode estar causando uma pausa no metabolismo do SAR11, de modo que no dia seguinte, quando o sol nasce, eles estão preparados e prontos”, diz Braakman. “Então achamos que o Prochlorococcus está agindo como um condutor na sinfonia diária do metabolismo do oceano, e a alimentação cruzada está criando uma sincronização global entre todas essas células microbianas.”

Este trabalho foi apoiado, em parte, pela Fundação Simons e pela Fundação Nacional de Ciências.