Um organismo ideal para responder a essa questãoéo besouro errante. Isso porque muitas das 64.000 espanãcies de besouro desenvolveram um tipo aºnico de órgão para se proteger: uma gla¢ndula química usada para borrifar predadores com produtos químicos ta³xicos. Agora, os pesquisadores do Caltech mapearam o processo preciso pelo qual essas gla¢ndulas evolua­ram no besouro Dalotia coriaria . O trabalho revela um novo paradigma de como órgãos complexos podem evoluir em todo o reino animal.

A pesquisa foi realizada no laboratório de Joe Parker , professor assistente de biologia e engenharia biológica. Um artigo descrevendo o estudo foi publicado na revista Cell em 9 de dezembro.

Besouros errantes como Dalotia precisam de sistemas de defesa química porque seus corpos não podem protegaª-los fisicamente de predadores. Ao contra¡rio de outros tipos de besouro, os besouros errantes tem abdomens flexa­veis que os permitem cruzar e ocupar ambientes de solo onde outros besouros não podem ter um lar. No entanto, essa flexibilidade significa que o abda´men dos besouros fica desprotegido, dando a eles uma forte pressão evolutiva para criar defesas químicas.

Os besouros da Dalotia usados ​​no estudo atual tem uma gla¢ndula chamada tergal, que libera um coquetel desagrada¡vel feito de dois tipos de compostos. O primeiro éuma benzoquinona, um composto altamente ta³xico que existe por conta própria como um sãolido e, portanto, não éperigoso para predadores. A segunda parte do coquetel éum solvente (uma mistura de um alcano e três anãsteres) no qual as benzoquinonas podem ser dissolvidas. A mistura de solventes por si são também ébenigna; entretanto, quando ele dissolve as benzoquinonas, ele as transforma em uma arma.

Quando confrontado com um predador, Dalotia chicoteia seu abda´men, como um escorpia£o, e ejeta o coquetel em seu inimigo da gla¢ndula tergal.

Nesse trabalho, pesquisadores do laboratório de Parker descobriram que a gla¢ndula tergal écomposta por dois tipos de células únicas: uma que produz benzoquinonas sãolidas e outra que produz o solvente que dissolve esses produtos químicos nocivos.

"Esses besouros são modelos fanta¡sticos para entender como novos tipos de relações ecola³gicas surgem durante a evolução por meio demudanças nos na­veis molecular, celular e comportamental", diz Parker. "Como parte desta pergunta, estamos muito interessados ​​em como os besouros errantes juntaram essas estruturas glandulares em seus abdomens, que são feitas de diferentes tipos de células que funcionam juntas. Essas estruturas são a personificação de um grande enigma: como complexar órgãos, muitas vezes compostos de muitos tipos de células diferentes que parecem cooperar perfeitamente uns com os outros, evoluem? Como essa cooperatividade surge durante a evolução édifa­cil de explicar. "

Usando o sequenciamento de RNA de uma única canãlula, a equipe examinou a expressão gaªnica em cada tipo de canãlula, o que lhes permitiu encontrar vias de enzimas biossintanãticas que levam a  produção de cada tipo de composto. Eles então criaram um "atlas" unicelular do abda´men do besouro que lhes permitiu examinar a expressão gaªnica em todos os outros tipos de células abdominais. Com essa abordagem, a equipe descobriu que cada tipo de canãlula glandular e sua função especializada surgiram de uma espanãcie de remendo de componentes genanãticos e funções de tipos celulares mais antigos encontrados em outras partes do besouro.

Notavelmente, um dos tipos de células - as células produtoras de solvente - éum ha­brido de células compostas pelo exoesqueleto do besouro e dois tipos de células metaba³licas antigas que fazem e armazenam lipa­dios e produzem feroma´nios. "O besouro recrutou um importante programa de expressão de genes a partir desses antigos tipos de células metaba³licas e o instalou em um pedaço de cuta­cula, criando uma gla¢ndula", diz Parker.

Outros experimentos - um envolvendo colocar os besouros em arenas de batalha com predadores de formigas - revelaram que quando o solvente ou a via da benzoquinona foram derrubados, os besouros perderam suas capacidades defensivas. Isso sugere que, sob a seleção natural, os dois tipos de células são necessa¡rios para gerar o sistema de defesa química dos besouros. Os pesquisadores também descobriram que o coquetel feito pela gla¢ndula tergal tem propriedades antimicrobianas, aumentando ainda mais o valor adaptativo desse novo a³rga£o.

Os autores acreditam que a gla¢ndula evoluiu por meio da coevolução entre os dois tipos de células. "As células solventes criaram um nicho para um segundo tipo de canãlula produzir as benzoquinonas sãolidas, que poderiam se dissolver no alcano e nos anãsteres. Surgiu uma secreção altamente ta³xica que aumentou enormemente o valor adaptativo da gla¢ndula, prendendo os dois tipos de células em uma unidade onde eles cooperar. Em essaªncia, um novo órgão surgiu ", diz Parker.

Demonstrar como os dois tipos de células se sinergizam exigiu uma abordagem interdisciplinar, diz Adrian Bra¼ckner, o primeiro autor do estudo e pa³s-doutorado e Simons Fellow da Life Sciences Research Foundation. "Para entender por que o besouro desenvolveu esse coquetel qua­mico preciso, precisamos explorar as propriedades fa­sico-químicas da secreção", diz ele. Por acaso, Robert Learsch (MS '21), um estudante graduado no laboratório de Julia Kornfield (BS '83, MS '84), Elizabeth W. Gilloon Professor de Engenharia Quí­mica, tinha acabado de construir um rea´metro de microgota­culas, um dispositivo que pode medir as propriedades físicas de pequenos volumes de la­quido - incluindo secreções de besouros.

"Foi uma colaboração cla¡ssica do Caltech", explica Bra¼ckner. "Fizemos secreções de gla¢ndulas sintanãticas e com a ajuda de Rob pudemos mostrar que Dalotia faz um coquetel quase a³timo: toxicidade potente, mas também a viscosidade certa e capacidade de propagação para uma defesa química eficaz."

Com base nessas descobertas, o grupo de Parker pa´de mostrar que as vias enzima¡ticas em cada tipo de canãlula haviam coevolua­do umas com as outras. "Eles foram montados durante a evolução de uma forma que agilizou a secreção final", diz Bra¼ckner.

De acordo com Parker, "A beleza desse sistema éque vocêpode conectar experimentalmente todas as escalas do processo evolutivo: desde as propriedades catala­ticas de uma enzima, ao seu papel em uma via biossintanãtica, a  função do tipo de canãlula em que essa via éexpresso. Isso, por sua vez, são faz sentido no contexto de interações cooperativas adaptativas com outros tipos de células dentro da gla¢ndula e seu impacto emnívelde órgão coletivo na aptida£o do besouro em um contexto ecola³gico. "

Parker acrescenta que o processo evolutivo descoberto na gla¢ndula tergal da Dalotia pode ser extrapolado para a compreensão da evolução de órgãos mais complexos, como o olho humano. "O cena¡rio que encontramos ocorrendo na gla¢ndula tergal - um órgão feito de apenas dois tipos de células - vocêpode imaginar poderia passar por mais rodadas a  medida que os tipos de células criam nichos para que novos sejam adicionados, eventualmente gerando uma complexidade multicelular realmente elaborada."

O artigo éintitulado "Montagem evolutiva de tipos de células cooperantes em um sistema de defesa química animal". Outros coautores são os alunos de graduação Jean Badroos e Learsch, a técnica de pesquisa Mina Yousefelahiyeh, a bolsista de pa³s-doutorado Sheila Kitchen e Parker. O financiamento foi fornecido por um praªmio Rita Allen Foundation Scholars, uma bolsa de pesquisa Alfred P. Sloan, uma bolsa da Shurl e Kay Curci Foundation, um praªmio Klingenstein-Simons Fellowship e um praªmio da National Science Foundation CAREER. Parker éum membro do corpo docente afiliado do Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience da Caltech .