A emboscada do crocodilo foi bem-sucedida devido aos tanques de mergulho nanoscópicos – hemoglobinas – que circulavam por todo o corpo. Essas hemoglobinas transferem oxigênio de seus pulmões para seus tecidos em uma taxa constante e lenta que permite que ela sobreviva por horas sem respirar. Alguns biólogos se perguntam por que, de todos os vertebrados com mandíbulas do mundo, apenas os crocodilos descobriram um método tão eficaz para maximizar a respiração devido à sua hipereficiência.
Jay Storz e colegas da Universidade de Nebraska-Lincoln descobriram novas explicações para o porquê, reconstruindo estatisticamente e ressuscitando experimentalmente a hemoglobina de um arcossauro, o ancestral de 240 milhões de anos de todos os crocodilianos e pássaros. As propriedades únicas da hemoglobina de crocodiliano vieram de 21 mutações interconectadas que estão espalhadas por todo o intrincado componente dos glóbulos vermelhos, em vez de apenas algumas mutações-chave, como sugeriram pesquisas anteriores.
Segundo os pesquisadores, essa complexidade e os inúmeros efeitos indiretos que uma única mutação pode causar na hemoglobina podem ter forjado um caminho evolutivo tão complicado que a natureza não foi capaz de refazê-lo mesmo ao longo de dezenas de milhões de anos.
De acordo com Storz, autor sênior do estudo e professor Willa Cather de ciências biológicas em Nebraska, “todo mundo estaria fazendo isso se fosse um truque tão fácil – se fosse tão fácil de fazer, apenas fazendo algumas mudanças. “
Antes de nadar pela corrente sanguínea e eventualmente entregar oxigênio aos tecidos que dela dependem, toda a hemoglobina forma uma ligação com o oxigênio nos pulmões. Moléculas de fosfato orgânico, que podem persuadir a hemoglobina a liberar sua valiosa carga ligando-se a ela, controlam a maior parte da afinidade da hemoglobina de vertebrados para capturar e reter o oxigênio.
No entanto, uma molécula chamada bicarbonato, que é criada quando o dióxido de carbono é decomposto, assumiu o papel de fosfatos orgânicos nos crocodilianos – crocodilos, jacarés e outros animais relacionados a crocodilos. Tecidos trabalhadores também produzem indiretamente muito bicarbonato porque produzem muito dióxido de carbono. Isso torna mais fácil para a hemoglobina fornecer oxigênio aos tecidos que mais precisam.
Storz afirmou: “É um sistema supereficiente que fornece uma espécie de mecanismo de liberação lenta que permite que os crocodilos explorem efetivamente seus estoques de oxigênio a bordo.” Eles são capazes de ficar debaixo d’água por tanto tempo por causa disso.
Chandrasekhar Natarajan, Tony Signore e Naim Bautista já haviam contribuído para a compreensão da hemoglobina do crocodilo como pesquisadores de pós-doutorado no laboratório de Storz. A equipe de Storz decidiu conduzir uma investigação multidisciplinar sobre as origens da maravilha do transporte de oxigênio com colegas da Dinamarca, Canadá, Estados Unidos e Japão.
Em tentativas anteriores de compreender sua evolução, mutações conhecidas foram incorporadas à hemoglobina humana e as alterações funcionais eram tipicamente escassas. Storz estava convencido de que a abordagem era falha por resultados de laboratório recentes. Afinal, havia muitas diferenças entre a hemoglobina humana e a dos antigos répteis dos quais os crocodilos de hoje evoluíram.
Storz afirmou: “O importante é entender os efeitos das mutações no fundo genético no qual elas realmente evoluíram. Isso significa fazer comparações verticais entre proteínas de espécies ancestrais e descendentes, em vez de comparações horizontais entre proteínas de espécies contemporâneas”. Você pode averiguar a verdade empregando essa estratégia.”
Portanto, a equipe partiu para reconstruir esquemas de hemoglobina de três fontes com a ajuda de princípios bioquímicos e estatísticas: o ancestral do arcossauro, que viveu 240 milhões de anos atrás; o último pássaro com um ancestral comum; bem como o ancestral comum de 80 milhões de anos dos crocodilos modernos. A equipe descobriu que apenas a hemoglobina do ancestral crocodiliano direto tinha sensibilidade ao bicarbonato e faltava ligação ao fosfato depois de testar todas as três hemoglobinas ressuscitadas em laboratório.
Os planos dos ancestrais dos arcossauros e crocodilos para a hemoglobina foram comparados, e foram descobertas mudanças nos aminoácidos, ou nas articulações do esqueleto da hemoglobina, que poderiam ter sido importantes. Storz e seus colegas começaram a introduzir mutações específicas de crocodilo na hemoglobina ancestral do arcossauro para testar essas mutações. A equipe conseguiu juntar as mudanças que foram responsáveis por essas propriedades distintas e específicas do crocodiliano, localizando as mutações que alteraram a hemoglobina do arcossauro para se comportar mais como a de um crocodilo moderno.
Storz e seus colegas descobriram que, ao contrário da sabedoria convencional, as mudanças evoluídas na resposta da hemoglobina a fosfatos e bicarbonato foram causadas por diferentes conjuntos de mutações, de modo que o ganho de um mecanismo não exigia a perda de outro. Além disso, a comparação revelou que, embora um pequeno número de mutações fosse suficiente para eliminar os sítios de ligação ao fosfato, numerosas mutações adicionais eram necessárias para erradicar completamente a sensibilidade ao fosfato. Semelhante a isso, duas mutações pareciam ser a causa direta da sensibilidade ao bicarbonato, mas apenas quando combinadas ou precedidas por outras mutações fáceis de perder em regiões distantes da hemoglobina.
Segundo Storz, os resultados demonstram que uma combinação de mutações pode resultar em alterações funcionais maiores que a soma de seus efeitos individuais. De várias maneiras, uma mutação que não produz nenhum efeito funcional por conta própria pode abrir a porta para outras mutações que tenham efeitos claros e imediatos. De maneira semelhante, ele afirmou, essas mutações subsequentes podem ter pouco efeito sem os predecessores apropriados para definir o estágio. Além disso, o ambiente em que ocorrem tem o potencial de acelerar ou impedir seu desenvolvimento.
Storz afirmou: “Isso sugere que certas soluções evolutivas só são acessíveis a partir de certos pontos de partida ancestrais quando você tem essas interações complexas”. Com a hemoglobina ancestral do arcossauro, você tem uma base genética que lhe permite desenvolver as propriedades distintas que vemos nas hemoglobinas dos crocodilos modernos. Por outro lado, usando o ancestral mamífero como ponto de partida, você pode desenvolver a mesma propriedade, mas precisaria usar um mecanismo molecular completamente diferente porque estaria trabalhando em um contexto estrutural completamente diferente”.
Storz afirmou que o estudo também contribui para explicar a dificuldade de projetar uma hemoglobina humana que se aproxime do desempenho do crocodilo.
“Não podemos simplesmente afirmar: “OK, é principalmente por causa dessas cinco mutações.” Storz afirmou: “Teremos um com essas propriedades exatas e poderemos ficar debaixo d’água por duas horas também, se apenas pegue a hemoglobina humana e introduza essas mutações.” Esse não é o caso, como se vê.
“A árvore da vida está cheia de problemas que não podem ser resolvidos indo aqui.”
