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Cientistas desenvolvem animais com genes antigos para testar causas da evolução

O estudo derruba um caso clássico da adaptação genética

 

Kathleen Gordon
 

Cientistas da Universidade de Chicago criaram os primeiros animais geneticamente modificados contendo genes antigos reconstruídos, que foram utilizados para testar os efeitos evolutivos de mudanças genéticas que aconteceram no passado da biologia dos animais.

A pesquisa, publicada online na Nature Ecology & Evolution no dia 13 de janeiro, é um enorme passo no sentido de estudar as bases das adaptações genéticas e da evolução. Os resultados, envolvendo a habilidade da mosca-de-fruta de metabolizar o álcool em frutas que estão apodrecendo, desbancam uma hipótese amplamente disseminada sobre as causas moleculares de um dos casos mais clássicos de adaptação da biologia evolutiva.

"Um dos maiores objetivos da biologia evolutiva moderna é identificar os genes que causaram a adaptação das espécies a novos ambientes, mas tem sido difícil fazer isso diretamente, porque não temos como testar os efeitos de genes antigos na biologia dos animais,” explica Mo Siddiq, estudante da graduação do Departamento de Ecologia e Evolução da Universidade de Chicago, um dos líderes do estudo.

"Nós percebemos que poderíamos resolver esse problema combinado dois métodos desenvolvidos recentemente — reconstrução estatística de sequências genéticas antigas e desenvolvimento de animais transgênicos,” afirmou.

Até recentemente, a maioria dos estudos de adaptações moleculares analisava sequências genéticas para identificar “marcas da seleção” — padrões que sugerissem que um gene se modificou tão rapidamente durante sua evolução que a seleção provavelmente tenha sido a causa. A evidência em torno dessa abordagem, no entanto,  é apenas circunstancial, já que genes podem evoluir rapidamente por vários motivos, como o acaso, as variações no tamanho da população ou a seleção para funções não-relacionadas com as condições ambientais para as quais o organismo parecia ter se adaptado.

Siddiq e seu orientador Joe Thornton, professor de ecologia, evolução e genética humana da Universidade de Chicago, queria testar diretamente a evolução de um gene no contexto de adaptação. Thornton é responsável por métodos pioneiros relacionados à reconstrução de genes ancestrais — determinando estatisticamente suas sequências a partir de grandes bancos de dados de sequências atuais, e então sintetizando-as e estudando experimentalmente suas propriedades moleculares no laboratório. Essa estratégia rendeu inúmeros insights sobre o mecanismo através do qual as funções bioquímicas evoluíram.

Thornton e Siddiq pensaram que, combinando a reconstrução dos genes ancestrais com técnicas para o desenvolvimento de animais transgênicos, eles poderiam estudar como mudanças genéticas que ocorreram no passado afetaram organismos inteiros — seu desenvolvimento, fisiologia e mesmo seu sucesso reprodutivo.

"Essa estratégia de desenvolver ‘animais ancestralizados’ poderia ser aplicada para responder muitas questões evolutivas,” afirmou Thornton. “No caso do primeiro teste, escolhemos um exemplo clássico de adaptação — como moscas-de-fruta desenvolveram a habilidade de sobreviver às altas concentrações alcoólicas encontradas em frutas em estado de apodrecimento. Nós descobrimos que o conhecimento amplamente aceito sobre as causas moleculares da evolução das moscas está simplesmente errado.”

A mosca-de-fruta Drosophila melanogaster é um dos organismos mais estudados quando se trata de genética e evolução. Na natureza, a D. melanogaster mora em frutas podres ricas em álcool, tolerando concentrações de álcool bem maiores do que suas parentes mais próximas, que vivem em outras fontes de comida. Há 25 anos, na Universidade de Chicago, os biólogos Martin Kreitman e John McDonald inventaram um novo método estatístico para encontrar marcas da seleção, que continua até hoje como um dos métodos mais usados na evolução molecular. Eles o demonstraram no gene Adh — o gente para a enzima que metaboliza o álcool dentro das células — desse grupo de moscas. O Adh possuía uma forte marca de seleção, e já era sabido que as moscas D. melanogaster metabolizam o álcool mais rapidamente do que suas parentes. Então, a ideia de que a enzima do Adh era a causa da adaptação da mosca-de-fruta ao etanol se tornou o primeiro caso aceito de um gene específico que mediou a adaptação evolutiva de uma espécie.

Siddiq e Thornton perceberam que essa hipótese poderia ser testada diretamente usando as novas tecnologias. Primeiro, Siddiq inferiu as sequências de genes Adh antigos em dois momento: logo antes e logo depois das moscas D. melanogaster terem desenvolvido a tolerância ao etanol, de 2 a 4 milhões de anos atrás. Ele sintetizou esses genes bioquimicamente, os expressou e usou os métodos bioquímicos para medir sua habilidade de metabolizar álcool em um tubo de ensaio. Os resultados foram surpreendentes: as mudanças genéticas que ocorreram durante a evolução da D. melanogaster não tiveram efeitos detectáveis no funcionamento da proteína.

Trabalhando com os colaboradores David Loehlin, da Universidade de Wisconsin e Kristi Montooth, da Universidade do Nebraska, Siddiq criou e caracterizou moscas transgênicas contendo as formas ancestrais reconstruídas do Ahd. Eles criaram milhares dessas moscas “ancestralizadas”, testaram quão rápido elas podiam quebrar o álcool, e quão bem as larvas e moscas adultas sobreviviam quando criadas em comidas com grande concentração alcoólica. Surpreendentemente, as moscas transgênicas que carregavam o Adh mais recente não eram melhores na metabolização do álcool do que as moscas com a forma antiga de Adh. Ainda mais chocante, elas não cresciam ou sobreviviam melhor em locais com concentrações crescentes de álcool. Assim, nenhuma das previsões da versão clássica da história foram satisfeitas. Não existe dúvida de que a D. melanogaster tenha se adaptado à fontes de alimento ricos em álcool durante sua evolução, mas não por causa de mudanças na enzima do Adh.

"A história do Adh foi aceita porque a ecologia, fisiologia e marca de seleção apontavam para a mesma direção. Mas três linhas de evidência circunstancial não constroem um caso firme,” explica Thornton. “Por isso quisemos testar a hipótese diretamente; agora, finalmente pudemos fazer isso.”

Siddiq e Thornton esperam que a estratégia de fazer transgênicos “ancestralizados” torne-se o padrão na área para determinar decisivamente as mudanças históricas em genes e suas mudanças na biologia e sucesso reprodutivo dos organismos.

Nessa parte, Kreitman, que ainda é professor de ecologia e evolução na Universidade de Chicago, tem sido um apoiador da nova pesquisa, ajudando a aconselhar Siddiq no projeto e dividindo seu vasto conhecimento sobre evolução molecular e genética da Drosophila.

"Desde o começo, Marty tem estado animado com nossos experimentos, e mesmo quando nossos resultados eliminaram as conhecidas conclusões de seu trabalho anterior, ele mostrou grande apoio,” afirmou Siddiq. “Eu acho isso muito inspirador.”

University of Chicago Medical Center

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