Com o aprimoramento das técnicas moleculares e aumento dos dados provenientes de estudos genômicos, os cientistas puderam perceber que o modo como as bactérias eram classificadas até o momento era inapropriado. Afinal, as características fenotípicas* das células nem sempre, concordam com as relações evolutivas entre as bactérias**.
As novas evidências e a percepção das falhas levaram a questionamentos mais profundos como a existência de espécies bacterianas...
Abordagens para definição de espécie
A primeira tentativa de aprimorar o sistema de classificação bacteriano foi a adoção da técnica de hibridização DNA-DNA. No entanto, as diversas desvantagens logo demandaram outra maneira.
A análise do 16S rRNA é fundamental para a taxonomia atual visto que é um excelente marcador molecular, afinal:
- É encontrado em todos os microrganismos;
- Apresenta função estável;
- Apresenta sequência altamente conservada;
- É recalcitrante à transferência gênica horizontal;
- Apresenta regiões hipervariáveis que estão relacionadas à filogenia das bactérias e podem ser utilizadas na identificação.
Apesar disso, uma grande desvantagem é a baixa resolução para identificação ao nível de espécie e subespécie. Embora outras técnicas tenham sido propostas, nenhuma foi aceita como “padrão-ouro”.
Portanto, atualmente a taxonomia bacteriana corresponde a uma abordagem polifásica, ou seja, que considera métodos fenotípicos, genotípicos e filogenéticos. Em resumo, os membros de uma espécie devem ser genética- e fenotipicamente coesos e ainda compartilhar um ancestral comum.
Mas afinal, o que é uma espécie bacteriana?
A enorme dificuldade em se determinar uma espécie bacteriana, gerou uma discussão a respeito da existência desse nível taxonômico.
O grande problema em definir isso está justamente na definição do conceito. Até então, praticamente todos eles se respaldam em metodologias. E, como discutido anteriormente, não há uma única metodologia capaz de sustentar uma definição de espécie. Ademais, visto que são assexuais, a evolução do isolamento sexual não pode ser considerado na determinação de uma espécie procariótica.
A única exceção foi o conceito proposto por Queiroz. Segundo ele, espécies são linhagens de metapopulação que devem apenas estar evoluindo separadamente de outras linhagens.
Em outras palavras, isso significa que as espécies são precisam ser fenotipicamente distinguíveis, nem monofiléticas, ou serem isoladas em laboratório. Podem, inclusive, divergirem quanto aos seus nichos ecológicos!!!
Mas…. ele ainda não foi aceito.
Afinal, quando eliminamos métodos, não podemos obter as respostas às questões como:
Quantas espécies existem?
Essa população é endêmica ou cosmopolita?
Os modelos evolutivos de estrutural populacional microbiana
Para determinar o conceito de espécie é preciso estudar a dinâmica das populações dos procariotos. Esses estudos levaram ao desenvolvimento de modelos de estrutura de populações que evidenciam as maneiras de especiação. São eles:
-Ecótipo
Esse atrativo modelo descreve princípios ecológicos e evolutivos para a estruturação da população e especiação. Segundo esse conceito, os ecotipos podem ser definidos como um grupo coesivo, irreversivelmente separados e ecologicamente distintos de outro.
Um importante fator desse modelo é a seleção periódica, capaz de gerar a emergência de um mutante mais apto às condições em relação aos outros organismos não recombinantes de um nicho estável. A tendência é que eles se tornem prevalentes na população e a diversidade genética seja eliminada com o passar do tempo.
Um ecótipo, portanto, seria o equivalente a uma espécie eucariótica.
No entanto, alguns autores acreditam que, em determinadas situações, esse modelo é contraditário. Um exemplo é a aplicação para nomear os diferentes clusters do gênero marinho Prochlorococcus que estão associados com distribuições distintas de gradientes de luz, temperatura e nutrientes. Ao contrário do designado pelo modelo de Cohan (ecotipo), existe uma grande divergência genética entre esses clusters.
Mas também é possível que o termo ecótipo não seja apropriado nesse caso.
Porém, seguem outros exemplos que colocam em questionamento o conceito de ecotipo.
- Patógenos geneticamente monomórficos
Organismos com baixa diversidade de sequências sinônimas, chamados organismos geneticamente monomórficos, são modelos promissores para revelar mecanismos evolutivos, pois possibilitam a observação de sinais genômicos da história evolutiva.
Um exemplo é a S. typhi que parece apresentar múltiplos genótipos contínuos, ou seja, uma baixa diversidade de sequências entre todas as linhagens até então descritas, ao contrário da expectativa à seleção periódica. Além disso, não apresenta um genótipo exclusivamente resistente ao ácido nalidíxico dado que populações locais consistem de uma mistura de organismos sensíveis e resistentes. Isso significa que não houve uma completa substituição do fenótipo sensível como previsto pela seleção periódica.
- Agrupamento de genótipos ao nível de espécie
O principal fator que ameaça o modelo de ecótipo é a recombinação homóloga. Embora o modelo de ecótipo preveja a ocorrência da recombinação como uma fonte de variação genética, se a taxa dessa última for maior que a taxa com que a diversidade é substituída, a seleção periódica terá falhado como força coesiva.
Essas observações derivaram de estudos baseados no método MLSA (Multi Locus Sequence Analysis), que consiste na caracterização genotípica de um grupo diverso de procariotos, utilizando sequências de múltiplos genes codificadores de proteínas.
Esses dados foram a base para o desenvolvimento do conceito bacteriológico de espécie (BSC). Segundo esse conceito, espécies biológicas, são grupos de organismos que podem se intercruzar sendo separadas de outros por barreiras reprodutivas.
De fato, a recombinação homóloga foi detectada em diversos microrganismos e as barreiras impostas pelas distâncias genéticas poderiam delinear os limites para espécies, porém esses gaps podem ocorrer devido a outros processos como a extinção de clados individuais.
Além disso, a própria recombinação homóloga é uma força coesiva.
Quanto às barreiras, quais seriam? Geográficas não são, pois, sequências idênticas são encontradas em locais opostas do globo.
Além disso, como acomodar os clusters genótipos observados em espécies já nomeadas? Seriam esses clusters, estágios de especiação?
- Tranferência gênica lateral
Apesar de todos esses empecilhos já citados em relação à definição do conceito de espécie, certamente o maior deles é a transferência gênica lateral. Ela representa a maior força perturbadora que pode invalidar a existência de espécies microbianas.
A comparação de diversos genomas de uma mesmas espécie, como E. coli (que se acreditava ser exclusivamente clonal), por exemplo, revelou que sequências de 16S rRNA que apresentavam identidade ≥97%, apresentavam, uma grande variabilidade de genes.
O que podemos concluir sobre isso
Dado que nem todos os microrganismos evoluem da mesma forma, não existe razão para esperar que todas as bactérias se enquadrem em clusters determinados por um nível especificado de coesão.
Com todas essas adversidades, poderíamos nos perguntar se é realmente necessário que haja um conceito de espécie para procariotos. No entanto, embora o conceito de espécie seja difícil de justificar, a indicação de espécie é importante na área clínica, na indústria de alimentos, na epidemiologia, entre outros setores.
É evidente que os métodos taxonômicos empregados atualmente, provavelmente não são úteis para a maioria dos microrganismos. Afinal, nosso conhecimento sobre eles é bastante limitado e mais direcionado a patógenos e microrganismos cultiváveis.
Organismos ambientais, portanto, representam um desafio adicional.
Assim, é possível concluir que pouco sabemos a respeito da frequência de recombinação e das forças coesivas da grande maioria dos microrganismos da Terra.
Contudo, alguns autores acreditam que na ausência de um conceito ainda podemos determinar a diversidade ao nível de sequência e explorar as correlações entre os conteúdos de genes, fenótipos e ecologia ao nível de células e de populações. É também possível caracterizar a recombinação entre genomas em uma comunidade microbiana complexa assim como reconstruir as vias metabólicas.
Por ora, a combinação da técnica MLSA, sequências genômicas completas e dados sobre a ecologia dos microrganismos tem auxiliado no aperfeiçoamento da taxonomia dos procariotos. Porém, conforme mais dados metagenômicos são gerados e, consequentemente, maior é nosso conhecimento sobre o mundo microbiano, é provável que o termo “espécie” não seja mais utilizado na literatura científica.
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* que consideram as características morfológicas, metabólicas, fisiológicas e químicas das células
** que são avaliadas a partir das sequências moleculares
*** ANI – Average Nucleotide Identity, representa a média aritmética da porcentagem de identidade de todos os genes conservados codificantes de proteínas na comparação entre duas linhagens.
Referências
ACHTMAN M; WAGNER, M. Microbial diversity and the genetic nature of microbial species. Nature Reviews. Microbiology. v.6, 2008.
DOOLITTLE, W. F.; ZHAXYBAYEVA, O. On the origin of prokaryotic species. Genome Research, v. 19, p. 744-756, 2009.
GEVERS, D. et al. Re-evaluating prokaryotic species. Nature Reviews. Microbiology, v. 3, 2005.