FCW Cultura Científica – Quando nasceu seu interesse por extremófilos e pela astrobiologia?

Amanda Bendia – Interessei-me por extremófilos na graduação, em 2007, durante as aulas de microbiologia. Fiquei encantada com seres vivos existindo em vulcões, nas regiões mais profundas dos oceanos, em condições nas quais se acreditava não haver vida. Esses limites da vida me fascinaram. Foi nesse momento que comecei a conhecer a astrobiologia. O professor que lecionava sobre extremófilos também comentava sobre essa área, e isso me encantou. Sempre gostei muito de astronomia; quando descobri que poderia unir biologia e astronomia, encontrei meu caminho na carreira acadêmica.

A astrobiologia aborda questões fundamentais: o que é vida? Como a vida surgiu? Será que estamos sozinhos no Universo? Essas perguntas sempre me tocaram e influenciaram minha decisão de seguir a biologia. Com a astrobiologia, percebi que poderia integrar meus interesses por essas questões. Na adolescência, eu tinha crises existenciais que me levavam a perguntar o que estamos fazendo aqui e qual é o sentido da vida. É claro que ainda é difícil encontrar respostas definitivas, mas o simples fato de estudar como a vida funciona já é algo incrível.

FCW Cultura Científica – No doutorado, você estudou organismos hipertermófilos, tolerantes a altas temperaturas, que vivem perto de vulcões ativos. Poderia falar um pouco desse trabalho?

Amanda Bendia – Meu sonho era trabalhar com extremófilos na Antártida. A professora Vivian Pellizari, do Instituto Oceanográfico da USP, mencionou um vulcão existente na Antártida, conhecido como Ilha Decepção, onde amostras de extremófilos já haviam sido coletadas. Fui atrás dessa possibilidade e percebi que precisaria de amostras adequadas às perguntas da minha tese. No ano seguinte, tive a oportunidade de ir à Antártida para coletá-las nesse vulcão.

A maior parte do vulcão está abaixo do nível do mar. Houve uma erupção e o mar inundou a caldeira. Por isso, é o único lugar do mundo onde conseguimos entrar de navio no interior da caldeira de um vulcão ativo. A caldeira tem 9 quilômetros de diâmetro, mas sua entrada possui apenas 200 metros de largura. Precisamos entrar com o navio rente ao paredão de rocha, em direção à caldeira. Em seguida, descemos de bote para coletar amostras em regiões com fumarolas ativas, que podem chegar a 100 °C, enquanto todo o entorno permanece muito frio.

Estudei um gradiente de temperatura de cerca de 100 graus, das fumarolas até as geleiras, em uma distância de poucos metros. Apesar da fonte de calor intenso, o ambiente gelado dissipa rapidamente o calor. É um laboratório natural para o estudo dos limites de temperatura em extremófilos. Toda a logística e o financiamento das coletas na Antártida são viabilizados pelo Programa Antártico Brasileiro, com apoio do CNPq e da Marinha do Brasil/Secirm [Secretaria da Comissão Interministerial para os Recursos do Mar], durante as Operações Antárticas a bordo do Navio Polar Almirante Maximiano.

Após a coleta, armazenamos as amostras das fumarolas e das geleiras no navio e as transportamos para o laboratório no Brasil, onde realizamos o sequenciamento do DNA extraído. Com essas informações, conseguimos identificar quais extremófilos estão presentes e quais genes estão relacionados à sobrevivência em altas e baixas temperaturas. Essas fumarolas emitem gás sulfídrico, que é altamente tóxico e submete os microrganismos a estresse oxidativo. Estudamos os genes de resistência a essas múltiplas condições extremas, bem como genes metabólicos, para compreender como esses extremófilos obtêm energia.

Diferentemente de nós, organismos heterotróficos que dependem da ingestão de alimento, muitos desses microrganismos produzem sua própria energia, de modo análogo à fotossíntese das plantas, mas por meio de um processo chamado quimiossíntese. Nesse processo, utilizam a energia química de rochas e de matéria inorgânica para produzir compostos orgânicos, fixar carbono e sustentar seu metabolismo. Também cultivamos hipertermófilos, que vivem em altas temperaturas, e psicrófilos, adaptados a temperaturas muito baixas. Realizamos experimentos para testar seus limites em relação a outros parâmetros, como a resposta à radiação ultravioleta, por exemplo.

FCW Cultura Científica – Como o estudo de extremófilos pode iluminar questões relacionadas à astrobiologia?

Amanda Bendia – Um dos objetivos das pesquisas com hipertermófilos e psicrófilos é propor novos modelos para a busca de vida fora da Terra. Talvez algum extremófilo de vulcão antártico possa vir a ser considerado um organismo modelo para a busca de vida nas luas geladas de Júpiter e Saturno, ou mesmo em Marte. Primeiro, precisamos entender os limites da vida como a conhecemos. É necessário compreender as condições de habitabilidade: até que ponto a vida é capaz de suportar determinados parâmetros? O estudo de extremófilos tem mostrado, por exemplo, que a salinidade não é necessariamente um impedimento à vida. 

Encontramos microrganismos sobrevivendo em níveis de salinidade extremamente elevados na Terra. A temperatura, por outro lado, é um parâmetro mais crítico, com uma faixa mais estreita: aproximadamente de –35 °C a 122 °C é o intervalo no qual há organismos capazes de sobreviver. Até hoje, não encontramos extremófilos metabolicamente ativos fora dessa faixa. Isso é particularmente relevante porque, ao buscarmos vida em oceanos de subsuperfície – como em Encélado, lua de Saturno, ou Europa, lua de Júpiter –, precisamos entender quais seriam os ambientes que se enquadram nesses limites de habitabilidade. Em outras palavras, precisamos definir alvos mais específicos na busca por vida.

FCW Cultura Científica – Você lidera um projeto de pesquisa financiado pelo Instituto Serrapilheira, procurando por arqueas que vivem sem oxigênio em sedimentos de cavernas de Diamantina, em Minas Gerais, de cavernas do Petar, e do oceano profundo. Por que a busca por arqueas?

Amanda Bendia – A vida na Terra é dividida em três domínios: Bacteria, Archaea e Eukarya. Eukarya compreende todos os eucariotos, de uma ameba até nós. As bactérias, que são procariotos, não possuem núcleo organizado e apresentam uma estrutura celular sem organelas. As arqueas também são procariotos, portanto sem núcleo organizado, e, assim como as bactérias, são unicelulares. São células simples, mas geneticamente mais próximas dos eucariotos. Muitas arqueas carregam genes semelhantes aos encontrados em eucariotos.

FCW Cultura Científica – Como sabemos que são genes de eucariotos?

Amanda Bendia – Sequenciamos o DNA das arqueas e verificamos que algumas delas carregam, por exemplo, genes de citoesqueleto, típicos de eucariotos, embora não possuam essa estrutura celular. Descobertas recentes indicam que certas arqueas estiveram envolvidas em um grande evento evolutivo, explicado pela teoria da endossimbiose, que deu origem aos eucariotos. Por aproximadamente 2 bilhões de anos, a Terra foi habitada apenas por procariotos – bactérias e arqueas. Os eucariotos surgiram há cerca de 2 bilhões de anos. Eram organismos unicelulares, mas com células complexas, dotadas de núcleo organizado e organelas. A questão evolutiva central é: como surgiu a primeira célula eucariótica?

A teoria da endossimbiose foi proposta na década de 1970 por Lynn Margulis, uma grande cientista – por curiosidade, foi esposa do Carl Sagan. Segundo essa teoria, uma célula teria englobado uma bactéria, estabelecendo uma relação simbiótica tão profunda que essa bactéria teria se tornado o que hoje conhecemos como mitocôndria – a organela responsável pela produção de ATP, a principal fonte de energia nas células de todos os eucariotos.

O DNA das mitocôndrias é semelhante ao de um grupo de bactérias chamado Alphaproteobacteria, enquanto pouco se sabia, até recentemente, sobre a célula hospedeira. Nos últimos dez anos, pesquisas têm mostrado que essa célula hospedeira compartilhava um ancestral comum com um grupo de arqueas conhecido como Asgard, cujos membros carregam genes associados a eucariotos. É como se essas arqueas representassem um elo entre formas de vida mais simples e mais complexas — entre procariotos e eucariotos.

FCW Cultura Científica – Voltando ao projeto: por que é interessante buscar por arqueas que vivem sem oxigênio nos sedimentos?

Amanda Bendia – Um dos objetivos é buscar Asgards brasileiras. Temos extremófilos e ambientes extremos no Brasil. Inicialmente, pretendemos propor novos modelos de arqueas de origem brasileira, comparando espécies terrestres e marinhas. As terrestres podem ser encontradas em cavernas de Diamantina e do Petar, no sul de São Paulo. Já as de mar profundo são encontradas em sedimentos cobertos por uma coluna d’água muito extensa – a cerca de mil metros de profundidade, na região da Bacia de Santos.

Coletamos também testemunhos de sedimento que podem chegar a 5 metros de profundidade. Nesses ambientes, há condições favoráveis à presença dessas arqueas: pouco oxigênio, baixa disponibilidade de nutrientes e temperaturas reduzidas. Sabemos que esses fatores favorecem a ocorrência desse grupo, mas ainda dispomos de pouquíssima informação sobre as Asgard em nossa região.

Esse tipo de estudo é importante para compreender condições de habitabilidade. Queremos entender como a vida se adapta a ambientes de subsuperfície. Focamos nas arqueas, e não nas bactérias, por uma razão simples: quanto mais próximo da superfície, maior é a abundância de bactérias e menor a de arqueas; quanto maior a profundidade, mais arqueas encontramos, com maior diversidade. Isso sugere que temos subestimado a diversidade de um dos domínios da vida, já que a subsuperfície permanece entre os habitats menos estudados, em razão das limitações logísticas de acesso.

FCW Cultura Científica – Como os testemunhos de sedimento são extraídos?

Amanda Bendia – Há duas formas principais de coleta. A mais acessível, e a que utilizamos com maior frequência, emprega um equipamento chamado Gravity Core, capaz de coletar sedimentos de até cerca de cinco metros de profundidade. Ainda a bordo do navio, fatiamos o material em camadas para posterior análise.

A outra forma é operacionalmente muito mais complexa e permite a coleta de testemunhos de até aproximadamente 2 km de profundidade. No entanto, há poucos navios no mundo capazes de realizar esse tipo de amostragem. Uma dessas iniciativas é o International Ocean Drilling Programme, um projeto internacional que financia um navio equipado com um mecanismo de perfuração da crosta oceânica – e não apenas do sedimento –, alcançando profundidades que podem chegar a 2 km.

FCW Cultura Científica – Quando se trata de sedimento dessa profundidade, as arqueas encontradas são muito antigas?

Amanda Bendia – Depende da profundidade e do tipo de sedimento analisado. A questão é como essas arqueas chegaram até ali. Elas não penetraram o sedimento ativamente, mas foram depositadas junto com ele. Isso se relaciona ao que chamamos de taxa de sedimentação. Em algumas regiões, a taxa de sedimentação é muito alta. Uma camada de sedimentos de, por exemplo, 5 metros não será tão antiga se o material tiver sido depositado rapidamente. Já em regiões de oceano aberto, onde a taxa de sedimentação é lenta, os mesmos 5 metros podem corresponder a sedimentos muito mais antigos. Nesse caso, as arqueas terão sido depositadas no assoalho oceânico juntamente com o sedimento ao longo de longos períodos.

Claro, em testemunhos que atingem quilômetros de profundidade, as arqueas serão muito antigas de qualquer forma. Em termos gerais, quanto mais profundo, mais antigo é o sedimento. Pesquisas recentes mostram que arqueas depositadas há milhões de anos podem ser encontradas em condições de baixa disponibilidade energética, com poucos nutrientes para se reproduzirem. Alguns estudos indicam que, em condições de subsuperfície muito profunda, uma única célula pode levar milhares de anos para se dividir, enquanto uma E. coli, em laboratório, pode se dividir a cada 20 minutos.

Do ponto de vista evolutivo, isso é muito interessante, porque sabemos que mutações ocorrem durante a divisão celular. Quando um microrganismo se reproduz muito lentamente, estamos, em certo sentido, estudando quase um “fóssil vivo”: uma célula que foi depositada há muito tempo e permanece viva, ainda que leve um período extremamente longo para se dividir.

FCW Cultura Científica – Não deve ter quase nenhuma variação genética em relação ao que foi depositado ali.

Amanda Bendia – Trata-se de uma variação genética muito baixa em comparação com a vida na superfície, que é muito mais dinâmica e dispõe de muito mais energia. Isso permite investigar questões evolutivas e estudar esses microrganismos quase como se fossem fósseis vivos.

FCW Cultura Científica – E quanto aos vírus encontrados nesses sedimentos?

Amanda Bendia – Os vírus infectam diferentes tipos de organismos e são específicos a eles. Há vírus que infectam bactérias e arqueas, chamados fagos. Pesquisas recentes têm mostrado que vírus que infectam bactérias e arqueas em ambientes marinhos são muito diversos e carregam genes que desempenham funções ecológicas e metabólicas.

Antes, pensava-se que os vírus transportavam apenas os genes essenciais para a reprodução de sua estrutura viral dentro da célula hospedeira. No entanto, esses vírus marinhos também carregam os chamados genes metabólicos acessórios, que desempenham funções em ciclos biogeoquímicos, como os ciclos do carbono, do nitrogênio e do enxofre nos oceanos. Ao infectarem um organismo, podem induzi-lo a expressar genes relacionados a essas funções, e não apenas aqueles necessários à replicação viral. Ainda não sabemos exatamente como esse processo ocorre.

Existem duas formas principais de infecção viral. Na primeira, o vírus infecta a célula, leva à sua lise e libera novas partículas virais. Na segunda, o vírus se integra ao DNA do organismo hospedeiro e permanece ali até ser ativado, quando então sai do genoma, destrói a célula e libera novas partículas virais. Em ambientes de subsuperfície, onde há escassez de nutrientes, os vírus podem desempenhar um papel importante. Ao infectar uma bactéria e posteriormente levá-la à lise, liberam nutrientes que podem ser utilizados por outros microrganismos – contribuindo, assim, para a ciclagem de nutrientes em condições inóspitas.

FCW Cultura Científica – O Programa Antártico brasileiro existe desde a década de 1980 e está na quarta expedição. Qual é a sua participação nele?

Amanda Bendia – Temos um projeto para estudar bactérias e arqueas na atmosfera, chamado AeroMicroAntar. O Brasil mantém um módulo no interior da Antártida chamado Criosfera 1. Não há nenhum tipo de vida aparente no local onde esse módulo está instalado, nem mesmo pinguins. Trata-se de um deserto de gelo e neve, um platô aparentemente infinito ao redor do módulo. O professor Heitor Evangelista da Silva, da Universidade Estadual do Rio de Janeiro, coletou diversas camadas de neve nessa região, nas quais foram encontrados microrganismos marinhos, apesar de a costa mais próxima estar a cerca de 800 quilômetros de distância. Como esses microrganismos chegaram até ali?

Nosso objetivo é entender como os microrganismos são transportados pela atmosfera, da região costeira para o interior da Antártida. A equipe a bordo do Navio Polar Almirante Maximiano, na região costeira, coleta amostras de ar com uma bomba a vácuo equipada com uma membrana para reter as células. Em seguida, extraímos o DNA desse filtro ou utilizamos o material para cultivar extremófilos. Também coletamos água do mar para comparar e verificar se algum microrganismo está sendo transferido da água para a atmosfera.

São extremófilos num frio extremo, com ventos intensos e baixa disponibilidade de nutrientes. Estão expostos a altos níveis de radiação ultravioleta, que podem degradar seu DNA ao longo do trajeto. Queremos entender se estão vivos, se as células permanecem íntegras ou mortas, e qual é o estado de seu material genético. Caso sobrevivam ao transporte, buscamos identificar quais genes permitem essa sobrevivência nessas condições.