Congresso Internacional de Extremófilos 2016 está sendo realizado na Universidade de Kyoto, no Japão. Nesse congresso, pessoas que estudam “extremófilos” se reúnem de todo o mundo para discutir uma biologia realmente fascinante. Extremófilos são organismos ou vírus que existem em condições “fora do padrão”. Desde discussões sobre astrobiologia, aplicações industriais e origens da vida, o Extremophiles 2016 fez de tudo para despertar minha curiosidade.

• Os seres humanos vivem na terra, um lugar relativamente seco e inóspito quando se considera a abundante umidade encontrada em grandes massas de água

• Os seres humanos são constantemente bombardeados por quantidades abundantes de estresse oxidativo por meio de radiação UV e quantidades abundantes de exposição ao O2; considere a proteção que a água oferece contra a radiação UV

• Os respiradouros geotérmicos e hidrotermais subaquáticos têm grandes quantidades de aceptores de elétrons extremamente diversos (ou seja, outras coisas além de O2), o que permite que muitos tipos diferentes de sistemas respiratórios funcionem, em vez de apenas alguns selecionados

• Os seres humanos vivem em temperaturas relativamente frias e, portanto, precisam de mais entropia para superar a entalpia do sistema e conduzir os processos exergônicos necessários à vida.

(Lembre-se de que ΔG = ΔH-TΔS? Os processos exergônicos são aqueles em que o Energia livre de Gibbs (ΔG) tem um valor negativo. Isso significa que a temperatura T * a mudança na entropia (ΔS) deve ser maior do que a mudança na entalpia (ΔH) para que a reação seja espontânea. Os processos exergônicos são necessários para conduzir as reações que sustentam a vida. É por isso que as coisas viajam de uma alta voltagem para uma baixa voltagem. É por isso que se supõe que o O2, apesar de seu estresse oxidativo, tenha sido o principal fator por trás da evolução de formas de vida “complexas” na Terra. O O2 tem um potencial relativamente alto – é um ótimo oxidante!

A quantidade de tensão entre o doador de elétrons (alimento) e o aceitador de elétrons (O2, neste exemplo) pode ser medida como Ecell (ou E°cell em condições padrão). Podemos escrever a equação de outra forma e ela pode fazer mais sentido. Podemos dizer queE°célula = RT/nF * lnK. Por enquanto, vamos ignorar todas as letras, exceto ‘T‘ (Temperatura). O senhor observou como uma temperatura mais alta resulta em uma célula E mais alta? Se considerarmos então que ΔG = -n*F*E°célula, podemos ver como uma T maior resulta em uma E°célula maior, o que resulta em um ΔG mais negativo. Assim, para mim, parece que os termófilos, ou “extremófilos” que vivem em temperaturas antropocentricamente consideradas “altas”, têm uma vantagem termodinâmica distinta sobre as coisas que vivem em temperaturas comparativamente mais baixas, ou seja, os seres humanos (mesófilos vivem em torno da temperatura ambiente e psicrófilos prosperam em baixas temperaturas). Assim, o desenvolvimento de sistemas que podem utilizar oxidantes como o O2 tornou-se uma necessidade evolutiva para que a vida desenvolvesse sistemas mais complexos em climas relativamente frios. E, portanto, “extremófilo” é um termo termodinamicamente comprovado e antropocentricamente tendencioso. E, deixe-me fazer uma afirmação ainda mais forte – nesse contexto, os seres humanos são extremófilos termodinâmicos! [as my 2015 Las Vegas 1/2 marathon bib can attest])

• Glicoproteínas anticongelantes (AFGP) que permitem que o bacalhau acrítico psicrofílico se desenvolva em temperaturas de até -1,8°C (lembre-se de que a água só congela a 0°C em condições padrão – o alto teor de sal, ou seja, a água do mar, pode impedir que a água congele) são usadas atualmente por vários fabricantes de sorvete para tornar seus produtos mais cremosos. O senhor os verá listados no rótulo como “proteínas estruturantes de gelo (ISP)”.

• Hidrolases termofílicas são frequentemente usadas para quebrar a biomassa no setor agrícola para o processamento de alimentos. Por exemplo, as hidrolases termofílicas são usadas com frequência para processar o amido em glicose e maltose, entre outros materiais. O xarope de milho com alto teor de frutose é geralmente produzido pela conversão de glicose com uma enzima termofílica chamada glicose isomerase.

• A massa vegetal é frequentemente processada usando celulases termofílicas e outras enzimas paraproduzir biocombustíveis a partir de resíduos de plantas e alimentos.

Além disso, a compreensão dos extremófilos pode nos oferecer insights sobre as primeiras formas de vida na Terra. Embora alguns cientistas muito inteligentes (Patrick Forterre e Manolo Gouy) na Extremophiles 2016 discordam, muitos acreditam que os termófilos foram a primeira forma de vida no planeta Terra. Um pequeno trecho do primeiro capítulo de minha dissertação intitulada “Células eletroquímicas microbianas termofílicas“:

“Os termófilos são microrganismos que pertencem a uma classe específica de extremófilos que sobrevivem e operam em temperaturas que são antropocentricamente consideradas fora do domínio das condições “normais” ou mesófilas. Os termófilos incluem duas classificações distintas: termófilos – microrganismos que preferem uma faixa de temperatura de 50 a 80°C – e hipertermófilos – microrganismos que preferem uma faixa de temperatura de 80 a 125°C (Kashefi e Lovley 2003, Seckbach 2004). Alguns dos primeiros microrganismos a se desenvolverem na Terra foram [likely] quimioautotróficos termófilos que viviam debaixo d’água perto de fontes hidrotermais e, portanto, estavam em áreas protegidas da radiação UV que continham quantidades abundantes de minerais dissolvidos (Seckbach 2006). Posicionado próximo à raiz do reino Bacteria na árvore da vida (Ciccarelli 2006, Seckbach 2006), os termófilos podem fornecer um vislumbre de algumas das primeiras formas de redução dissimilatória de metais na Terra.

Os termófilos existem em vários reinos e incluem tudo, desde insetos, algas eucarióticas e fungos, até archaea e bactérias. A maioria das bactérias termofílicas se desenvolve em temperaturas que variam de 55-Niu 2009, Onyenwoke 2007, Seckbach 2006, Slepova 2009, Slobodkin 2006, Sokolava 2005, Zavarzina 2007). Muitas espécies bacterianas termofílicas se desenvolvem em condições anóxicas ou mesmo anaeróbicas e são quimiotróficas: usam minerais oxidados, incluindo SO4-, óxidos de Fe(III), NO3- e Mn(IV) como seus aceptores terminais de elétrons (Nealson e Conrad 1999, Knoll 2003). Além disso, os termófilos produzem enzimas termoestáveis (termozimas), o que lhes proporciona taxas metabólicas mais altas [and have a large amount of industrial applications]… (Mathis 2008, Liu 2008, Parameswaran 2013).

…os termófilos e outros extremófilos teriam sido os organismos mais bem adaptados às condições iniciais da Terra; assim, ao investigar bactérias termófilas redutoras de metais do filo Firmicutes da classe Clostridia, podemos estar vislumbrando alguns dos primeiros mecanismos de transferência de elétrons para metais insolúveis e talvez o processo de respiração (Ciccarelli 2006, Puigbo 2009). A Figura 1.4 mostra que o filo dos firmicutes foi um dos primeiros grandes filos a se separar do último ancestral universal das bactérias (representado pelo círculo preto), indicando que o transporte extracelular de elétrons (EET) mecanismos em outras bactérias… podem não ter a mesma linhagem evolutiva.

[In addition, a]O aumento da temperatura ideal de crescimento afeta a sequência de aminoácidos de quase todas as proteínas das bactérias termofílicas. proteoma e tem um grande impacto no conteúdo de guanina e citosina (GC) do RNA bacteriano, sugerindo que as proteínas e as estruturas proteicas envolvidas na EET termofílica podem ser diferentes daquelas presentes na EET mesofílica. [metal reducing bacteria] (Hurst 2001, Puigbo 2009). Embora seja possível que todos oslongo alcance [E]ET é o resultado de um único modelo evolutivo divergente ou da transferência horizontal de genes (HGT), pode ser que a transferência de genes horizontal (HGT) de longo alcance [E]ET em [mesophilic] bactérias é o resultado da evolução convergente – um processo evolutivo independente que resulta em um resultado semelhante – levando à homoplasia. [This seems likely c]Considerando que os procariontes existem há 3,5 bilhões de anos e sobreviveram por cerca de 1 bilhão de anos antes do oxigênio…

Patrick Forterre, Institut Pasteur/Institut de Biologie Intégrative de la cellule, França
Hipertermófilos e a Árvore Universal da Vida – argumentou que a evidência genética sugere uma origem mesofílica da vida que se adaptou rapidamente às condições termofílicas. Ele escreveu um livro sobre termófilos intitulado, Microbes from Hell (Micróbios do Inferno).

Karl O. Stetter, Universidade de Regensburg, Alemanha
Cultivation of Unexpected and “Unculturable” Extremophiles – Facts and Ideas (Cultivo de Extremófilos Inesperados e “Inculturais” – Fatos e Ideias) – falou sobre as tentativas e tribulações de “cultivar o inculto”, incluindo alguns de seus trabalhos pioneiros na descoberta de termófilos que vivem em temperaturas de superiores a 100°C. (Isso não é um erro de digitação – em pressões mais altas, a água não ferve a 100°C).

David Prangishvili, Instituto Pasteur, França
How to Survive in Hell (Como sobreviver no inferno): Lessons from Viruses (Lições dos vírus) – deu exemplos de onze linhagens virais exclusivas com estruturas/ morfologias fundamentalmente únicas.

Robert M. Kelly, Universidade Estadual da Carolina do Norte, EUA
The Biology and Biotechnology of Extremely Thermoacidophilic Archaea: Recent Progress (Biologia e Biotecnologia de Arquéias Extremamente Termoacidófilas: Progresso Recente) – analisando a mobilização de metais, inclusive cobre, de micróbios oxidantes de metais

Akihiko Yamagishi, Universidade de Farmácia e Ciências da Vida de Tóquio, Japão
As Atividades Japonesas em Astrobiologia e o Projeto Tanpopo: Micrometeorite and Microbe Capture and Exposure Experiment on International Space Station (Experimento de captura e exposição de micrometeoritos e micróbios na Estação Espacial Internacional) – apresentou um breve histórico da astrobiologia e delineou alguns dos fatores que devemos levar em conta ao procurar vida extraterrestre. Mais especificamente, ele definiu claramente as diretrizes para onde podemos esperar vida em outros corpos celestes, dado o conjunto muito diversificado de condições sob as quais a vida pode prosperar e evoluir na Terra.

Peter R. Girguis, Universidade de Harvard, EUA (lembra-se dele do ASM Microbe 2016?)
The Shocking, and Not-So-Shocking, News about Iron-Oxidizing Bacteria (As notícias chocantes e não tão chocantes sobre bactérias oxidantes de ferro) – apresentou uma visão geral de seu trabalho com organismos fotoferrotróficos (usam a luz solar para fixar o CO2 enquanto recebem seus elétrons de metais), incluindo R. palustris TIE-1.

Roderick I. Mackie, Universidade de Illinois, EUA
Montagem de biocatalisadores a partir de Caldicellulosiruptor bescii to Unlock the Energy Stored in Bioenergy Feedstock – usando uma bactéria celulósica para degradar a celulose para a produção de etanol combustível.

Janet Westpheling, Universidade da Geórgia, EUA
Conversão direta de biomassa vegetal em combustíveis e produtos químicos pelo anaeróbio hipertermofílico Caldicellulosiruptor bescii – Acho que os senhores entenderam a ideia. Esse organismo tem sido um tema de destaque na área nos últimos cinco anos, aproximadamente.

Anna P. Florentino, Universidade de Wageningen, Wageningen, Holanda
Redução de enxofre em pH baixo: From Environment to Application (Do ambiente à aplicação) – Procurando por microrganismos redutores de enxofre que funcionem em condições ácidas. Minha conjectura – pode ter aplicação em células eletroquímicas microbianas como bactérias respiratórias acidófilas do ânodo.

Para finalizar, vou compartilhar algumas fotos de alguns dos amigos que conheci na Extremophiles 2016. Fomos a alguns restaurantes, participamos de um jantar de banquete, muitos deles tinham apresentações de pôsteres, etc… Confira as fotos e descrições abaixo!

Ouça as belas músicas que as Maiko (aprendizes de gueixas) tocaram durante a recepção:

1. Canção 01
2. Canção 02