Contrasting evolutionary trajectories of nitrate assimilation across Brettanomyces bruxellensis lineages

As leveduras são fungos unicelulares que moldaram a história humana, transformando o suco de uva em vinho e a massa em pão. Embora muitas pessoas as conheçam pelo seu papel na fermentação, esses organismos microscópicos também possuem uma complexa maquinaria interna que lhes permite sobreviver em ambientes vastamente diferentes. Uma chave para sua sobrevivência é como elas se alimentam. A maioria das leveduras prefere consumir açúcares simples, mas algumas evoluíram a capacidade de decompor o nitrato, um composto encontrado no solo e na água, para construir as proteínas de que precisam para crescer. Essa capacidade não é comum entre as leveduras, tornando aquelas que a possuem particularmente interessantes para os cientistas. Quando uma espécie de levedura consegue alternar entre diferentes fontes de alimento, ela pode prosperar em lugares onde outras não conseguem, como nos diversos tanques de fermentação usados na vinificação ou nos ambientes naturais onde vivem. Compreender como esses minúsculos organismos ganham ou perdem a capacidade de usar nutrientes específicos ajuda os pesquisadores a ver como a vida se adapta às mudanças ao longo do tempo, especialmente quando sua composição genética é complicada por possuir múltiplos conjuntos de cromossomos.

Uma equipe de pesquisadores voltou recentemente sua atenção para a Brettanomyces bruxellensis, uma espécie de levedura conhecida por sua ampla variedade genética e por sua presença em muitos ambientes de fermentação. Esta espécie é única porque inclui linhagens que são diploides, o que significa que têm dois conjuntos de cromossomos, bem como linhagens que são triploides, carregando três conjuntos. Algumas dessas linhagens triploides são o resultado de hibridização, onde dois tipos diferentes de levedura se fundiram para criar um genoma novo e mais complexo. Os cientistas queriam entender como a capacidade de comer nitrato está distribuída entre esses diferentes grupos genéticos e o que acontece com os genes responsáveis por esse traço quando a estrutura genética da levedura se torna tão intrincada. Para fazer isso, eles reuniram uma quantidade massiva de dados, testando os hábitos de crescimento de 151 linhagens diferentes em laboratório e examinando os projetos genéticos completos de 946 linhagens.

Os pesquisadores descobriram que a capacidade de assimilar nitrato é generalizada entre essas leveduras, mas não é compartilhada igualmente. Alguns grupos da levedura mantiveram essa capacidade, enquanto outros a perderam inteiramente. Quando a equipe analisou os genes responsáveis pelo consumo de nitrato, descobriu que o traço depende fortemente de quantos cópias desses genes uma linhagem possui e se essas cópias ainda estão funcionando adequadamente. As linhagens que podiam comer nitrato geralmente carregavam mais cópias funcionais do grupo de genes do que aquelas que não podiam. Essa variação no número e na qualidade dos genes forneceu uma ligação clara entre a composição genética da levedura e sua capacidade de sobreviver com nitrato.

A parte mais reveladora do estudo veio da análise das linhagens triploides, que contêm tanto um genoma primário quanto um genoma adquirido. Ao observar essas duas partes separadamente, os cientistas descobriram uma diferença marcante na forma como elas evoluíram. Os genes para a assimilação de nitrato eram geralmente mantidos intactos no genoma primário, sugerindo que esta parte da célula é muito cuidadosa em preservar o traço. Em contraste, o genoma adquirido mostrou uma taxa muito maior de perda e danos genéticos. Isso significa que, após os dois tipos de levedura se fundirem, o novo material genético tendeu a perder a capacidade de comer nitrato, enquanto o material genético original manteve-a. Isso cria uma dinâmica desigual onde uma parte da biblioteca genética da célula permanece útil enquanto a outra parte se degrada.

Essas descobertas sugerem que a capacidade de comer nitrato é um traço antigo que a levedura herdou de seus ancestrais. Ao longo do tempo, diferentes linhagens mantiveram ou descartaram essa capacidade com base em suas necessidades específicas e na estabilidade de seus genomas. O estudo mostra que, em organismos híbridos complexos, os dois conjuntos de material genético nem sempre evoluem da mesma forma. Um conjunto pode permanecer estável e funcional, enquanto o outro passa por mudanças rápidas e perdas. Esta pesquisa fornece um quadro claro de como a arquitetura do genoma e a mistura de diferentes linhagens genéticas podem moldar as estratégias de sobrevivência de uma levedura de importância industrial, revelando que a manutenção de um traço útil depende de um equilíbrio delicado entre as cópias de genes e a história específica do genoma.