Estudo genômico de microbiomas comprova teoria ecológica clássica sobre competição por recursos

Agência FAPESP – Desde Charles Darwin, no século 19, uma questão central da ecologia é entender como a disponibilidade de recursos molda a competição entre os seres vivos e define quem consegue coexistir. Mas testar a teoria em escala ampla é difícil, especialmente quando o palco é o mundo invisível dos microrganismos.

Pesquisadores liderados por Hugo Sarmento, professor da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), desenvolveram uma ferramenta computacional que, a partir de informações de mais de 14 mil genomas de microrganismos, permitiu a identificação de padrões que corroboram de forma robusta a teoria que remonta ao trabalho de Darwin.

O estudo, publicado em abril no periódico Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), foi apoiado pela FAPESP (processos 22/15842-6, 24/10815-6, 23/02850-3, 20/11953-2, 20/03716-0 e 22/14160-9).

Os resultados do estudo confirmam a hipótese teórica: ambientes pobres em nutrientes favorecem organismos especialistas. Como os recursos são escassos, esses organismos focam em dietas muito específicas e dividem o que está disponível, evitando competir entre si. Em contrapartida, ambientes ricos em nutrientes suportam uma maior sobreposição alimentar. Esse cenário de abundância favorece os microrganismos generalistas, que são capazes de consumir uma grande variedade de nutrientes.

A pesquisa analisou e comparou genomas de quatro microbiomas distintos, em um gradiente que variou do mais rico em nutrientes (a microbiota intestinal) para o mais pobre (o oceano), passando por solo e água doce (rios e lagos). Foi utilizada uma ferramenta computacional nomeada CaCo, sigla para Carbon Competition, já que a investigação se concentrou em fontes de carbono, primordiais na aquisição de energia.

Com isso, foi possível identificar as moléculas metabolizadas por esses microrganismos e, assim, tanto nichos quanto sobreposições. “Se dois organismos metabolizam frutose, sacarose e glicose, e só essas moléculas, a sobreposição entre eles é total e, assim, apresentam o mais elevado índice de competição. No outro extremo, se uma espécie só metaboliza frutose, e a outra sacarose e glicose, não há competição”, exemplificou Sarmento para o Instituto da Cultura Científica (ICC) da UFSCar.

Os resultados da análise revelaram que a competição microbiana, em nível genômico, segue regras previsíveis moldadas por dois fatores. O primeiro é a disponibilidade de recursos: ambientes abundantes geram mais competição, enquanto a escassez favorece a especialização e diminui o conflito. O segundo fator é a história evolutiva, sendo que organismos evolutivamente mais próximos apresentam maior sobreposição de necessidades.

“Um aspecto de destaque é que os resultados obtidos pela ferramenta computacional não ficaram restritos às simulações. Foram testados e confirmados em experimentos reais, mostrando que as previsões feitas a partir do DNA também se verificam no mundo real”, detalhou Sarmento ao ICC.

A ferramenta agora está disponível para outros pesquisadores com interesse em estudos semelhantes. “Além de reforçar uma teoria clássica da ecologia, o trabalho abre caminho para prever, com base no DNA, como microbiomas podem se organizar e responder a mudanças ambientais”, apontou Sarmento.

O primeiro autor do artigo publicado na PNAS é Célio Dias Santos-Júnior, que realizou estágio de pós-doutorado no Departamento de Hidrobiologia da UFSCar com supervisão de Sarmento e hoje é professor na Universidade Agrícola de Huazhong, na China. Participaram também colegas do Instituto de Biologia da Universidade Estadual de Campinas (IB-Unicamp) e de universidades da Colômbia e da Argentina.

O artigo Resource availability structures microbial competition through genomic niche partitioning pode ser lido em: pnas.org/doi/10.1073/pnas.2526391123.