As mitocôndrias estão vivas
(asimov.press)- Se as mitocôndrias forem vistas não como organelas celulares, mas como formas de vida próprias, passamos a entender a célula novamente como um sistema entrelaçado de energia, informação e simbiose
- A teoria da endossimbiose de Lynn Margulis foi rejeitada por 12 periódicos científicos, mas se consolidou como explicação central da evolução dos eucariotos quando foi confirmada a semelhança entre mitocôndrias e bactérias
- As mitocôndrias possuem seu próprio genoma, expressão gênica, fissão binária, detecção de sinais ambientais e produção de ATP, indo além do papel simplista de “usina de energia”
- A objeção de que elas vivem apenas dentro da célula hospedeira não é suficiente; casos de rickettsiae, Holospora spp., endossimbiose artificial e transferência de mitocôndrias entre espécies mostram que formas de vida podem existir inseridas em ambientes específicos
- Assim como as ferramentas de manipulação de DNA evoluíram até o CRISPR, a biologia do futuro precisará de ferramentas para tratar de forma engenheirada a energia biológica e as mitocôndrias
Por que devemos ver as mitocôndrias como formas de vida
- As mitocôndrias dentro das células do nosso corpo são o resultado remanescente de uma antiga relação de endossimbiose
- Lynn Margulis, no artigo de 1967 “On the Origin of Mitosing Cells”90079-3), argumentou que há cerca de 1,5 bilhão de anos uma célula eucariótica primitiva engoliu uma bactéria que utilizava oxigênio e, em vez de digeri-la, desenvolveu com ela uma relação simbiótica
- O hospedeiro fornecia nutrientes e proteção à bactéria
- A bactéria fornecia energia ao hospedeiro
- Essa relação se tornou uma inovação biológica que levou às modernas mitocôndrias e aos cloroplastos
- A teoria foi inicialmente rejeitada por 12 periódicos científicos e atacada durante décadas, mas foi gradualmente aceita porque a estrutura de membrana e a maquinaria molecular das mitocôndrias se mostraram semelhantes às de bactérias atuais
- Muitos biólogos veem as mitocôndrias como bactérias que “degeneraram” em organelas envoltas por membrana, mas suas funções e dinâmicas permitem interpretá-las como formas de vida autônomas
Os critérios da vida e as mitocôndrias
- A definição de vida é debatida desde o início da biologia, e biólogos moleculares normalmente usam como critérios metabolismo, crescimento e desenvolvimento, resposta a estímulos, reprodução, processamento de informação e capacidade de evoluir
- A biofísica vê a vida sob a ótica da energia: organismos vivos mantêm um estado de não equilíbrio que preserva a ordem mesmo diante da tendência universal de aumento da entropia
- As células recebem entradas de baixa entropia, como alimento ou luz solar
- E liberam saídas de alta entropia, como resíduos
- Independentemente da definição adotada, as mitocôndrias satisfazem em grande parte as condições da vida
- Possuem seu próprio genoma e expressam genes em seu espaço interno
- Utilizam biomoléculas distintas das do núcleo
- Se replicam e se dividem por fissão binária, como bactérias
- Recebem entradas de baixa entropia, como glicose ou ácidos graxos da célula hospedeira, e liberam saídas de alta entropia, como dióxido de carbono e água
- Bombeiam prótons através da membrana interna para manter um equilíbrio termodinâmico fora do equilíbrio e, a partir desse gradiente, produzem ATP
Processamento de informação e evolução além da produção de energia
- O papel das mitocôndrias não se limita à simples geração de energia
- Elas detectam diversos sinais no ambiente citoplasmático
- hormônios esteroides
- estresse oxidativo
- calor
- níveis de ATP
- metabólitos secundários
- e várias outras moléculas
- As informações detectadas são usadas para controlar funções celulares
- Quando um vírus invade a célula, as mitocôndrias são importantes para detectar a invasão e transmitir sinais de morte celular programada
- Esse processo está ligado à contenção da disseminação viral
- A reprodução e a evolução também não são idênticas ao processo de replicação da célula hospedeira
- Elas replicam de forma independente o genoma circular do DNA mitocondrial
- Se dividem por fissão binária
- O DNA mitocondrial sofre mutações 100 a 1.000 vezes mais rapidamente do que o genoma humano
- Essas mutações podem alterar não apenas a aptidão das mitocôndrias, mas também a aptidão da célula hospedeira
- As mitocôndrias são afetadas pela evolução e, ao mesmo tempo, atuam como agentes que influenciam o próprio processo evolutivo
Os limites da objeção “só vivem dentro do hospedeiro”
- A objeção de que as mitocôndrias precisam estar no citoplasma da célula hospedeira não reflete plenamente o fato de que formas de vida não vivem separadas de seus ambientes
- A vida humana também começa dentro de outro ser humano, e o zigoto precisa do ambiente uterino durante vários meses antes do nascimento
- Além das mitocôndrias, há outros seres vivos que vivem dentro de outras células
- rickettsiae existem no citoplasma das células de carrapatos, piolhos, pulgas e ácaros
- Holospora spp. vivem dentro do núcleo de vários protistas
- Todas as formas de vida evoluem e vivem dentro de ambientes específicos ou sistemas biológicos, ocupando níveis diferentes
- O ambiente que uma forma de vida realmente ocupa é o nicho ecológico efetivo, e o nicho ecológico potencial, que representa a faixa em que ela poderia viver, pode ser mais amplo
O nicho ecológico potencial das mitocôndrias
- Colocar uma bactéria dentro de outra célula não faz com que ela de repente deixe de ser um ser vivo
- Pesquisadores da ETH Zurich recentemente transplantaram bactérias para o fungo filamentoso Rhizopus microsporus para rastrear o destino de uma endossimbiose induzida artificialmente
- O nicho ecológico efetivo das mitocôndrias é o citoplasma da célula hospedeira, mas seu nicho ecológico potencial pode ser maior
- As mitocôndrias não estão presas à célula hospedeira e podem se mover entre diferentes células
- Cada espécie possui mitocôndrias diferentes, mas experimentos mostram que as mitocôndrias de uma espécie podem ser transferidas para outra
- Em 1997, cientistas isolaram mitocôndrias de chimpanzés e gorilas e mostraram que essas mitocôndrias foram naturalmente internalizadas e integradas em células humanas
- A adição de mitocôndrias externas mostrou benefícios terapêuticos em insuficiência cardíaca e lesão da medula espinhal
Por que precisamos de ferramentas para manipular a energia biológica
- No início do século XX, Albert Einstein e Claude Shannon estabeleceram os três pilares do mundo físico como matéria, informação e energia
- Após o modelo de dupla hélice do DNA de Francis Crick e James Watson, a biologia avançou enormemente na compreensão e no controle da matéria e da informação
- Ferramentas para estudar genes evoluíram
- A capacidade de decifrar o fluxo de informação dentro da célula aumentou
- Surgiram ferramentas para manipular o DNA, como a edição genética baseada em CRISPR
- Em contraste, as ferramentas para entender e manipular a energia biológica ainda não chegaram ao mesmo nível
- Assim como o CRISPR tornou possível reescrever o código da vida, precisamos de ferramentas para tratar mitocôndrias de forma engenheirada e controlar a bioenergética dos eucariotos em geral
Conexões com doenças, longevidade e fotossíntese
- Mesmo após mais de 1 bilhão de anos de evolução, as mitocôndrias continuam exercendo um papel central dentro da célula e não são entidades substituídas nem tornadas inúteis
- Ao longo da evolução humana, o papel das mitocôndrias também esteve envolvido na formação da saúde e da longevidade humanas
- A disfunção mitocondrial há muito tempo está ligada a várias doenças
- doenças cardiovasculares
- diabetes
- Alzheimer’s
- Parkinson’s
- esclerose lateral amiotrófica
- outras doenças relacionadas ao envelhecimento
- As mitocôndrias desses pacientes apresentam formas anormais e fragmentadas, não conseguem produzir energia suficiente para a célula ou enviam sinais de comunicação inadequados
- Mitocôndrias doentes produzem compostos tóxicos ao longo do tempo, acelerando a morte celular
- Resolver doenças relacionadas à energia, prolongar a vida e implementar a fotossíntese de forma engenheirada está diretamente ligado à compreensão das interações complexas entre a célula e outras formas de vida que habitam ativamente seu interior
1 comentários
Opiniões no Hacker News
Por causa das mitocôndrias, acabei pendendo para a hipótese da Terra rara
Na história da Terra, a endossimbiose das mitocôndrias aconteceu uma vez, e sem isso não haveria o orçamento energético necessário para a vida complexa
Além disso, a janela em que algo assim era possível pode ter sido estreita. As defesas e pressões seletivas do mundo microbiano moderno provavelmente seriam hostis a uma quimera vulnerável como a primeira célula mitocondrial
Antes das mitocôndrias, o processo pelo qual a vida surge da matéria inanimada parece plausível; depois das mitocôndrias, o caminho para a vida multicelular complexa e inteligente também faz sentido. Mas aquele instante específico não foi reproduzido em laboratório, e ainda nunca foi reproduzido
Por isso, acho que o universo pode ter muita vida do tipo resíduo vivo, mas pouquíssimas plantas e animais
Como observação lateral, vale a pena ver o ATP em movimento: https://www.youtube.com/watch?v=lUrEewYLIQg&t=939s
Os cloroplastos, ou mais amplamente os plastídios, parecem compartilhar um ancestral comum, mas as mitocôndrias podem ter descendido de várias linhagens que passaram por transferência horizontal de genes ou evolução convergente. Também é muito provável que os nitroplastos sejam outro caso separado de endossimbiose primária
Há também a endossimbiose secundária, em que uma organela simbiótica de um eucarioto é fagocitada por outra célula eucariótica e vira um novo simbionte; isso aconteceu pelo menos 8 vezes
Existem teorias de que outras organelas também sejam produtos de endossimbiose, por características como material genético próprio, mas isso é mais especulativo
É verdade que os eucariotos adquiriram capacidades importantes ao incorporar esses simbiontes, mas esses simbiontes eram originalmente organismos que evoluíram para executar diretamente essas funções. Além disso, embora as mitocôndrias sejam uma das características dos eucariotos, eu não as vejo como a causa central que possibilitou a evolução da multicelularidade complexa. Procariontes também evoluíram multicelularidade dezenas de vezes; nós é que definimos a multicelularidade complexa de forma um tanto arbitrária para separá-la do que os procariontes alcançaram
Pode ter acontecido em outras linhagens também, mas elas podem ter sido superadas na competição e extintas por algum motivo
Mas isso não significa que a vida em outros planetas precise necessariamente de mitocôndrias ou de organelas equivalentes. Se ela conseguir realizar as reações químicas necessárias e extrair energia suficiente, outro método pode bastar, dependendo do ambiente
Para começo de conversa, como as mitocôndrias evoluíram? Será que poderiam ter permanecido como organismos independentes e evoluído por conta própria com aquele enorme orçamento energético?
E talvez, quando algo assim acontece uma vez, ele tenda a eliminar a própria necessidade de acontecer de novo
Este texto apresenta a coisa como se fosse algo novo e profundo, mas a “vida” das mitocôndrias acaba sendo uma questão de como aplicamos o rótulo de vida
A palavra vida é uma construção linguística humana que existe separadamente dos fenômenos biológicos, e, como no caso dos vírus, a ciência vem lidando com essa pergunta há décadas. Esse tipo de debate acaba em semântica e não acrescenta nada à ciência em si
As mitocôndrias são fascinantes e ainda há muito a aprender, mas elas dependem completamente da maquinaria celular. A maior parte dos genes que codificam sua estrutura está no DNA nuclear. É difícil defender que as mitocôndrias estejam vivas de forma independente sem levar isso em conta
O coração pode existir fora do meu corpo e ser transplantado para outra pessoa, mas isso significa que devemos dizer que o coração está vivo?
O texto inteiro sugere que estamos deixando algo passar, mas na verdade não estamos. A teoria de Lynn Margulis sobre a origem endossimbiótica das mitocôndrias enfrentou muitos desafios e desencadeou debates científicos, mas acabou vencendo de forma convincente décadas atrás e se tornou ciência estabelecida. Houve vários eventos endossimbióticos desse tipo na história da vida, e há até um subcampo da biologia evolutiva que os estuda
As células que formam o coração estão claramente vivas, mas morrem sem a infraestrutura de suporte. Nesse sentido, são como todas as células do corpo: vivem, se replicam e morrem
Se colocarem você na Lua sem infraestrutura de suporte, você também morreria, mas ainda assim provavelmente seria considerado vivo
A vida tem mecanismos, mas é mais do que uma máquina. A atitude de que nossa vida está ligada de forma simbiótica a outro organismo — ou a 10^17 organismos — nos dá uma humildade valiosa
Essa humildade pode oferecer uma nova perspectiva para manter todos eles saudáveis e prosperando. O ponto principal não é só uma conexão espiritual com a vida das mitocôndrias, mas uma postura prática voltada à saúde e ao bem-estar, com muitas oportunidades de investigação científica
Essas pessoas ainda falam sobre “vida” e tomam decisões com base no entendimento falho que o texto critica
Aqui, o “algo que deixamos passar” parece estar menos na ciência em sentido estrito e mais nas implicações mais amplas e na visão de mundo
A Wikipedia também parece confirmar isso: “Embora a maior parte do DNA das células eucarióticas esteja contida no núcleo celular, a mitocôndria tem seu próprio genoma, ou mitogenoma, que é substancialmente semelhante aos genomas bacterianos”
https://en.wikipedia.org/wiki/Mitochondrion
Eles são muito próximos das mitocôndrias, mas nós os consideramos vivos. Perderam muitos genes e não conseguem sobreviver sem um hospedeiro
Com exemplos assim, quase dá para ver o caminho que leva de parasitas intracelulares obrigatórios a organelas derivadas de procariontes fagocitados
Este texto, já nos primeiros parágrafos, acertou dois clichês clássicos do jornalismo científico
Primeiro, a narrativa de alguém que, com evidências fracas, postulou uma teoria muito dramática e foi considerado errado pela maioria dos colegas, mas depois surgiram evidências fortes e ficou claro que estava certo. As milhares de hipóteses dramáticas que se mostraram erradas não são mencionadas
Segundo, nas explicações populares, seria algo como: você ouviu que certa proposição filosófica é falsa, mas na verdade ela é verdadeira se pressupusermos a semântica que eu prefiro
Já não está na hora de nos cansarmos desse tipo de história? Jornalistas científicos não sentem vergonha de escrever coisas assim?
Quem inferiu que isso implicaria a falácia de que todas, ou a maioria, das hipóteses dramáticas são verdadeiras foi você, não o autor. O autor está falando de uma teoria específica
Contar a história de uma galinha que atravessou a rua não cria a obrigação de contar a história de todas as galinhas que não atravessaram
Como há muitos casos em que teorias hoje estabelecidas começaram assim, cientistas precisam examinar hipóteses controversas com mente aberta. Em qualquer contexto, é fácil demais rejeitar rapidamente evidências que entram em conflito com o próprio ponto de vista, e isso é um tipo de mecanismo de defesa que todos usamos
É importante reconhecer esse viés e estar pronto para admitir quando enxergamos onde nossa teoria pode ser insuficiente
No meu meio acadêmico, é um tema bastante controverso, mas agradeço também por essa perspectiva
Sempre que leio textos sobre mitocôndrias, recomendo fortemente Power, Sex, and Suicide, de Nick Lane, para quem acha esse tema interessante
É um livro excelente
Só li The Vital Question, mas, do ponto de vista de alguém que não é da área, foi uma ótima introdução à bioquímica
A afirmação de que “definir mitocôndrias como não vivas não é um simples erro de classificação ou uma questão de escolha de palavras, mas um mal-entendido fundamental sobre a natureza e o papel das mitocôndrias, com efeitos profundos sobre a compreensão de sistemas biológicos e sobre ferramentas de pesquisa” foi apresentada, mas não sustentada
Se partirmos do princípio de que todos já concordam com os fatos evolutivos e mecânicos sobre as mitocôndrias, não vejo bem por que essa distinção importa
Parece que ninguém discorda de que as mitocôndrias eram originalmente células de vida livre, de que têm seu próprio DNA e dos fatos relevantes sobre sua origem e seu funcionamento dentro da célula
No fim, é apenas uma discussão sobre o que significa estar vivo; filosoficamente é interessante, mas não parece importante para a prática da biologia. Parece uma disputa puramente semântica sem implicações mais amplas
Isso inclui elementos que regulam a expressão gênica do mtDNA, como DNA e RNA polimerases mitocondriais, fatores de transcrição, enzimas de processamento e modificação de RNA, fatores de terminação de transcrição, proteínas ribossomais mitocondriais, aminoacil-tRNA sintetases e fatores de tradução
Os elementos mitocondriais não conseguem viver por muito tempo sem a célula hospedeira, então, assim como os vírus, não satisfazem todos os requisitos para serem considerados plenamente vivos
[0] https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC23071/
Enquanto lia o texto, fiquei esperando uma resposta para “em que sentido operacional isso importa?”, mas ela nunca veio
A pergunta levantada é se devemos considerar as mitocôndrias “vivas”, mas isso parece ser só uma palavra; por que alguém se importaria?
Se aceitarmos essa premissa, o que passaremos a fazer de diferente?
Por exemplo, transplantar mitocôndrias de outras espécies, como gorilas, para células humanas poderia levar a novas terapias
A questão é romper com a ideia fixa de que mitocôndrias só podem viver dentro de um determinado ambiente
“Os interesses evolutivos das mitocôndrias podem divergir dos interesses do organismo?”, “Quantos DNAs independentes um indivíduo pode ter?”, “Por que as mitocôndrias não provocam uma resposta imune, ou poderiam provocá-la?”
Isso é importante porque aprendemos que uma célula nem sempre precisa evoluir uma função do zero; ela pode adquiri-la por meio de fagocitose
Além disso, isso se tornou uma ferramenta útil por várias razões para estudar a evolução
As mitocôndrias parecem não estar presas às células hospedeiras e podem se mover entre células diferentes. Espécies diferentes têm mitocôndrias diferentes, mas experimentos mostram que mitocôndrias de uma espécie podem ser transferidas para outra
Em 1997, cientistas isolaram mitocôndrias de chimpanzés e gorilas e mostraram que elas eram naturalmente internalizadas e integradas em células humanas. Também é notável que a adição de mitocôndrias externas tenha mostrado efeitos terapêuticos em insuficiência cardíaca e lesão medular
Portanto, o nicho ecológico potencial em que as mitocôndrias podem viver é maior do que seu nicho ecológico real. Elas parecem mais próximas de simbiontes do que de organelas, o que é surpreendente
Isso leva até a perguntas básicas como “por que o exercício faz bem à saúde?”
Lendo os ramos filosóficos e semânticos dos comentários aqui, pensei que um equivalente memético da endossimbiose poderia ser o cristianismo, especialmente o catolicismo
Historicamente, à medida que o cristianismo se espalhou pelo mundo ao longo de 2 mil anos, ele frequentemente adaptou e absorveu crenças e costumes locais dos grupos convertidos[0]. Muitas coisas desapareceram com o tempo, mas algumas foram integradas ao núcleo e exportadas globalmente
Também é a época perfeita para pensar no Natal[1]. Dá para imaginar o cristianismo sem um de seus dois feriados centrais?
Portanto, o Natal talvez seja o equivalente memético mais próximo das mitocôndrias. Os contornos claros de antigos festivais romanos absorvidos no início ainda são visíveis, mas esses memes todos seguem vivos dentro do cristianismo
Hoje, esse feriado é essencial para a fé como um todo e não consegue existir de forma independente por si só[2]
[0] Aprendi que esse tipo de absorção era uma flexibilidade deliberada para facilitar a aceitação da nova religião pelas pessoas, mas hoje sinto que talvez tenha sido, no fundo, uma consequência inevitável. Para manter coerência organizacional e coerência de fé em escala continental, seriam necessárias tecnologias de comunicação e burocracia que não existiam até 100–200 anos atrás
[1] Pelo menos a maioria das lojas nos faz acreditar nisso. No calendário comercial ocidental, o Natal começa quando o Halloween termina
[2] Embora esse possa ser um ponto fraco da analogia. No Ocidente, o Natal foi comercializado o suficiente para sobreviver como uma tradição secular independente
A ideia é pegar o que há de bom em uma cultura e integrá-lo para ajudar as pessoas a se tornarem cristãs. Aprender idiomas, traduzir a Bíblia e, quando necessário, criar uma forma escrita para essa língua também são partes centrais da missão cristã
Por isso, o cristianismo sempre foi mais próximo de uma simbiose de culturas, e concordo que, como você disse, ele se parece com a endossimbiose
No início era puramente judaico, depois incorporou uma grande parte do helenismo e, ao se espalhar pelo mundo, trouxe ainda mais elementos. Os elementos judaicos e helenísticos nunca se misturaram completamente, o que também é bem parecido com as mitocôndrias
Além disso, para uma religião cuja crença central é que Deus se tornou humano, fazendo da simbiose dos dois o salvador, essa estrutura faz sentido
O simples fato de toda criança na Terra aprender religiosamente que a mitocôndria é a usina de energia da célula já é prova suficiente de que mantemos o pacto primordial e estamos presos aos seus termos
Cite um único ser biológico com um departamento de relações públicas melhor que esse. O mais próximo é o pé de atleta, que faz suas vítimas parecerem descoladas
Nas aulas de biologia, editamos geneticamente bactérias para que mudassem de cor, e isso foi divertido
O melhor tratamento para pé de atleta é deixar os pés de molho por 30 minutos em água sanitária diluída. Encha uma bacia com água morna e coloque água sanitária até arder levemente
Faça isso três vezes em dias alternados, tipo segunda, quarta e sexta, e resolve. Também é preciso limpar os sapatos, e, para evitar reinfecção, é melhor não usar os sapatos infectados por alguns dias e borrifar Lysol algumas vezes por dentro
Há o ciclo de Krebs, que estudantes de biologia memorizam religiosamente, mas ele também não explica muita coisa de verdade
A parte realmente interessante costuma ser deixada de lado como catálise por “enzimas/proteínas mágicas”. Para entender como funcionam as proteínas mitocondriais e a catálise enzimática, normalmente é preciso nível de pós-graduação e formação em bioquímica e biofísica
Até onde sei, nunca adoramos mitocôndrias. Se você contar o ato de comer como oferenda, tecnicamente pode estar certo, mas filosoficamente não
Um fato essencial que faltou no texto é que a maioria das proteínas indispensáveis das mitocôndrias, incluindo as necessárias para a síntese de ATP e energia, é produzida pela célula hospedeira a partir do DNA da célula hospedeira
Portanto, é verdade que as mitocôndrias têm algum DNA e se replicam, mas a célula não é simplesmente o “ambiente” das mitocôndrias
Outro ponto interessante é que as mitocôndrias podem se unir umas às outras, e fazem isso com frequência para resgatar indivíduos danificados por erros de transcrição. Elas também podem ser transportadas para outras células por estruturas semelhantes a pontes para fortalecer a célula receptora, e hoje se tenta usar esse tipo de abordagem em terapias com células imunes
Esses eventos acidentais extremamente improváveis me fazem pensar que talvez estejamos realmente sozinhos no universo
Aqui, “nós” significa formas de vida sencientes e civilizadas. A longa cadeia de eventos extremamente improváveis que levou ao nosso surgimento dificilmente teria se repetido em outro lugar, e acho que ela aconteceu ao menos uma vez graças à imensidão absurda deste universo
Multiplique isso por todos os oceanos e depois por bilhões de anos de interações
Parece quase impossível que esse tipo de simbiose não aconteça. Por menor que seja a probabilidade, o número de interações possíveis teria tornado esse resultado praticamente certo