Por que os tardígrados são tão resistentes?

- Atualizado no dia 19 de agosto de 2023 -

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Parecendo mais alienígenas do que animais terrestres, os tardígrados estão entre os seres vivos mais fascinantes e resistentes do planeta. Esses animais são capazes de sobreviver por décadas sem comida ou água, enfrentar numa boa temperaturas próximas do zero absoluto até aquelas bem acima do ponto de ebulição da água, resistir a pressões variando do quase zero até valores muito acima daqueles encontrados no fundo oceânico, e sobreviver à exposição direta de perigosas radiações eletromagnéticas.

Não ultrapassando 1,5 milímetros de comprimento corporal e representados por inúmeras espécies, os tardígrados suportam os extremos ambientais que derrubariam em instantes outros animais. Mas qual o segredo desses minúsculos animais que os tornam tão poderosos e únicos no ecossistema terrestre?

Microscopia eletrônica de um tardígrado

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TARDÍGRADOS INVENCÍVEIS

Tardígrados são seres microscópicos - com dimensões típicas de 0, 05 a 1, 25 mm - com uma distribuição ao redor de todo o mundo, cobrindo ambientes marinhos, de água doce, lagos diversos e até mesmo terrestres (especialmente entre musgos). Eles são membros do superfilo Ecdysozoa, e passam por uma muda durante o crescimento pré-adulto e adulto. Fazem parte do clado Panartropoda e representam o filo Tardigrada, e atualmente são considerados como um filo irmão ao Onychophora (vermes-aveludados) e ao Arthropoda. São conhecidos popularmente como 'Ursos-Aquáticos' e possuem corpos bem distintos com quatro pares de "pernas". Os tardígrados foram primeiro descritos pelo padre e zoólogo Alemão Johann Goeze, em 1773.

Relógios moleculares sugerem uma origem do filo Tardigrada no Pré-Cambriano, há >541 milhões de anos e em um ambiente marinho. Apesar disso, os mais antigos fósseis conhecidos são de 90 milhões de anos atrás (Ref.2). Colonização dos ambientes terrestres pelos tardígrados é estimado de ter ocorrido no Siluriano Tardio-Devoniano Inicial, seguindo a radiação Cambriana de atrópodes e espelhando a evolução das plantas terrestres.

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> Tardígrados habitam virtualmente todos os tipos de sedimentos marinhos, desde zonas interdigais até profundidades abissais (registros em profundidades de até >5700 m). Preferem sedimentos macios/ásperos, mas podem ser também encontrados em pedras, algas e sobre animais como crustáceos cirrípedes. A diversidade de tardígrados nos mares é provavelmente muito subestimada e várias novas espécies continuam sendo descritas. Atualmente, mais de 200 espécies marinhas de tardígrados foram descritas, mas o número total global deve ser próximo de 1000. Apesar da maioria dos tardígrados até o momento terem sido descritos de ambientes terrestres, esses animais precisam estar cercados por um filme de água para ficarem ativos. Tardígrados marinhos possuem porte corporal inferior àqueles habitando ambientes terrestres e de água doce.

Exemplo de tardígrado marinho, visto sob microscópio óptico, descoberto no Mar Báltico e pertencente à espécie Batillipes mirus. Em (a), espécime adulto; em (b), destaque da cabeça (visão ventral). Possui comprimento corporal de ~200-500 μm. Ref.19

Exemplo de tardígrado marinho (espécie Moebjergarctus okhotensis), habitando grandes profundidades oceânicas (>3300 m) no noroeste do Pacífico e observado sob microscopia eletrônica (A-B). Barra de escala: 50 µm. Ref.20

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O primeiro segmento do corpo dos tardígrados contém uma abertura bucal, pontos visuais e órgãos sensoriais adicionais. Do segundo ao quarto segmento, cada um deles carrega um par de pernas laterais ao ventre, e com o par do quinto segmento possuindo uma orientação posteroventral. Cada perna termina em 4-13 garras ou discos de sucção. O corpo dos tardígrados é coberto em uma cutícula quitinosa, a qual é periodicamente descamada e trocada. Possuem uma variedade de cores, dependendo dos pigmentos na cutícula ou materiais dissolvidos nos fluídos corporais ou no conteúdo intestinal.

Os tardígrados apresentam diversos cores e características únicas. Existem em torno de 1300-1400 espécies e subespécies descritas, mas a real diversidade de espécies pode ser uma ordem de magnitude maior. Ref.18-20

Representativos de vários gêneros de tardígrados marinhos. (a) Batillipes, (b) Parastygarctus, (c) Stygarctus, (d) Pseudostygarctus, (e) Mesostygarctus, (f) Megastygarctides, (g) Neostygarctus, (h) Renaudarctus, (i) Ligiarctus, (j) Halechiniscus, (k) Wingstrandarctus, (l) Florarctus, (m) Actinarctus, (n) Tanarctus, (o) Raiarctus, (p) Rhomboarctus, (q) Parmursa, (r) Syraconyx, (s) Tholoarctus, (t) Lepoarctus, (u) Clavarctus, (v) Angursa, (w) Orzeliscus, (x) Archechiniscus, (y) Anisonyches, (z) Echiniscoides. Barra de escala: 50 μm. Ref.21

Tardígrados marinhos exibem uma grande variedade de adaptações para diferentes habitats. Espécies semi-bênticas possuem uma variedade de estruturas que facilitam o nado e a deriva no mar, incluindo bizarras estruturas flutuadoras em apêndices com 18-20 balões anexados no quarto par de pernas, como a icônica espécie Tanarctus bubulubus. Em (A), micrografia eletrônica de um T. bubulubus fêmea. Em (B), ilustração de um indivíduo juvenil, onde podemos ver com mais clareza os notáveis balões de flutuação. Ref.21-22

Representativos de alguns tardígrados de água doce. Micrografia eletrônica das espécies (a) Hypsibius dujardini (~150 μm de comprimento quando adulto e muito comum em ambientes aquáticos); (b) Thulinius romanoi; (c) Pseudobiotus kathmanae; e (d) Murrayon pullari. Ref.21

Todos os tardígrados necessitam de água ao seu redor para crescerem e se reproduzirem, mas algumas espécies - tipicamente aquelas vivendo em ambientes terrestres de lagos - possuem a habilidade de tolerar a quase total desidratação, e é daqui que vem grande parte da fama de superpoderosos desses animais - ou melhor, de boa parte dos seus representantes terrestres. Quando passam pela desidratação extrema, os tardígrados mais tolerantes perdem mais de 90% da água corporal e entram em um estado contraído e desidratado conhecido como anidrobiose, o qual é um estado ametabólico reversível. Nesse estado desidratado, os tardígrados suportam uma ampla variedade de extremos físicos que normalmente significariam a rápida morte da maior parte dos organismos.

Começando pela radiação, os tardígrados - englobando em específico as espécies Richtersius coronifer, Ramazzottius oberhauseri e Echiniscus testudo - podem sobreviver a doses letais de raios-X e partículas alfas (radiações ionizantes) sem nenhum problema. Para se ter uma ideia, essas doses podem ultrapassar os 5 kGy e alcançar os 8 kGy de partículas ⁴He, e onde humanos já começam a ter uma taxa de 50% de mortalidade em apenas 4 Gy. Em testes feitos no espaço, esses animais sobrevivem vários dias no vácuo espacial, em pressões quase nulas e sem ar, sendo atacados violentamente por radiações mortais oriundas do Sol, e sem nenhuma atmosfera como proteção. Em outro extremo, esses animais são capazes de suportar 600 MPa de pressão, um valor altíssimo de pressão que não é encontrado nem nos mais profundos mares e onde nem as mais resistentes bactérias conseguem passar vivas dos 300 MPa.

Agora indo para territórios quentes, os tardígrados conseguem escapar ilesos de um aquecimento bem próximo de 100°C, uma temperatura que implica grandes danos no DNA e nas proteínas da maioria dos outros animais! E, novamente, indo para outro extremo, eles resistem a temperaturas beirando o zero absoluto (273,15°C negativos!)! Em experimentos feitos em laboratório, os tardígrados conseguem sobreviver horas e horas submersos em hélio líquido à 272°C negativos!

Mas o mais impressionante nas espécies terrestres é capacidade desses animais de resistir ao estado de seca absoluta a partir da criptobiose. Quando estão sem água disponível, eles se encolhem todo o corpo, abaixam o metabolismo para apenas 0,01% do normal [!] e podem passar anos nesse estado de quase morte, para depois saírem andando felizes quando qualquer gota de água aterrissa sobre esses animais, em questão de apenas minutos! Além disso, conseguem sobreviver até mesmo depois de 6 ciclos repetidos de extrema dessecação. Quem primeiro descobriu que os tardígrados podiam ser revividos após uma praticamente completa dessecação com a adição de água foi o biólogo Italiano Lazzaro Spallanzani. Aliás, foi Spallanzani que deu o nome de 'Tardigrada' para esses animais, significando 'movimentação lenta'.

À PROVA DE BALA

Em um estudo publicado no periódico Astrobiology (Ref.13), pesquisadores descobriram que os tardígrados conseguem sobreviver a impactos a partir de velocidades de até 900 metros/s (0,9 km/s), equivalente a uma pressão de choque de 1,14 gigapascal (GPa). No caso, foram testados 20 tardígrados, em um estado de hibernação (quando ficam extremamente desidratados), resfriados por 48 horas até o metabolismo alcançar apenas 0,1% do normal. Para impulsioná-los até velocidades de quase 1 km/s, os pesquisadores usaram uma arma de gás de dois estágios.

Apesar dessa velocidade não ser tão alta quanto a maioria daquelas de meteoritos que impactam a Terra (tipicamente acima de 11 km/s), ainda é possível que tardígrados possam ser transportados entre mundos (Teoria da Panspermia): até 40% dos objetos terrestres impactando na Lua alcançam velocidades verticais baixas o suficiente para permitir sobrevivência desses animais. Ou seja, tardígrados saindo da Terra e perdidos por aí no espaço são talvez capazes de colonizar outros mundos e satélites naturais.

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ATUALIZAÇÕES (NOVAS ESPÉCIES):

Uma espécie de tardígrado do gênero Paramacrobiotus descoberta na Índia foi recentemente descrita e traz pigmentos vermelhos no corpo que a protege de altas doses de radiação UV. Para mais informações, acesse: Descoberta espécie de tardígrado que traz um novo 'poder': fluorescência anti-UV
Nova espécie de tardígrado na Finlândia e um novo poder revelado: tardígrados sobrevivem ao trato digestivo de caracóis

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MECANISMOS DE RESISTÊNCIA

Os mecanismos adaptativos encontrados no corpo do tardígrados ainda não são totalmente conhecidos, e existe debates se a resistência deles vêm mais de reparações ou de proteções celulares. Mas uma coisa é certa: eles estão aí há mais de 600 milhões de anos e vão continuar ainda muito mais.

Um estudo de 2016 (Ref.5), analisando uma das mais resistentes espécies de tardígrados, o Ramazzottius varieornatus, encontrou a produção de uma proteína única desse animal - Dsup (!) - é capaz de suprimir em grande intensidade os danos causados por radiação raio-X no seu DNA. Aliás, quando a parte dos seu material genético relacionado a essa proteína era colocado no material genético de células humanas, estas passavam a ter os danos de raios-X reduzidos em 40%! Além de decifrar a base de um dos mecanismos de defesa desses animais, tal descoberta pode levar a tratamentos futuros que permitam que humanos sejam mais tolerantes às radiações mais energéticas.

Em termos da extrema desidratação, um estudo publicado este ano (Ref.6), mostrou que proteínas intrínsecas de desordens específicas (TDPs, na sigla em inglês) são essenciais para permitir essa grande tolerância à perda de água. De fato, os pesquisadores comprovaram que os genes relativos ao TDP são expressos em altos níveis ou induzidos durante dessecação em várias espécies de tardígrados. Nesse sentido, as TDPs formam sólidos amorfos não-cristalinos sob dessecação, sendo importantes nesse estado para sua tarefa protetora.

Tardígrados em estado ativo hidratado (à esquerda) e no estuado anidrobiótico dessecado (à direita). Os animais amarelos (ativo + dessecado) são da espécie Richtersius cf. coronifer; os animais brancos são da espécie [complexo] Macrobiotus cf. hufelandi. Ref.2

Além disso, mesmo não estando no estado desidratado e contraído, muitos tardígrados ativos conseguem ser bastante tolerantes com estresses ambientais, lidando bem altos níveis de radiação ionizante, grandes flutuações na salinidade externa e evitando congelamento em temperaturas abaixo de 20°C negativos. Provavelmente os principais fatores de proteção nesse caso estejam estruturados em eficientes mecanismos de reparação do DNA e de osmorregulação. Aliás, resultados publicados em 2009 de uma pesquisa durante uma missão espacial envolvendo vários testes com a espécie Macrobiotus richtersi submetidas à microgravidade e radiação (Ref.7), mostraram que houve normal acasalamento e deposição de ovos pelas fêmeas nas condições espaciais, sendo que vários ovos eclodiram e os filhotes exibiram normal comportamento e morfologia.

Aqui, temos uma micrografia eletrônica e colorida de um tardígrado de 1 milímetro de comprimento andando sobre um musgo. De forma incrível, espécies ativas já mostraram taxas de sobrevivência de 50% após o congelamento de -195,8°C, com um resfriamento de 180-240°C/min. Proteínas e outras moléculas (ex.: açúcar tehalose) expressas nesses animais atuam de forma crítica para estabilizar e preservar estruturas e biomoléculas essenciais no organismo durante condições extremas, como dessecação, altas e baixíssimas temperaturas e excesso radiativo.

E os superpoderes dos tardígrados têm sido explorados em várias pesquisas visando avanços na medicina.

Nesse último ponto, em um estudo recentemente publicado no periódico Scientific Reports (Ref.15), pesquisadores mostraram que versões naturais e engenhadas de proteínas extraídas de tardígrados podem ser usadas para estabilizar um importante produto farmacêutico usado para tratar pessoas com hemofilia (1) e outras condições sem a necessidade de refrigeração - mesmo sob altas temperaturas e outras condições agressivas de preservação. O produto em questão é o Fator VIII de coagulação sanguínea humana, crítico e efetivo para o tratamento de certas condições genéticas e quadros de extremos sangramentos. Porém, o Fator VIII é instável e precisa de condições específicas de temperatura - um grande desafio em regiões com escassos recursos ou afetadas por desastres naturais ou antrópicos. O novo estudo mostrou que proteínas CAHS, altamente expressas em certos tardígrados para proteger o corpo durante condições extremas (ex.: dessecação) - no caso, a proteína CAHS D, extraída da espécie Hypsibius exemplaris - é efetiva em estabilizar o Fator VIII em estado seco, mesmo em temperatura ambiente ou mais elevadas. O achado potencialmente revolucionário possui potencial também de otimizar a preservação de vários outros produtos médicos essenciais, como vacinas, anticorpos, células-tronco e sangue.

(1) Leitura recomendada: Hemofilia é uma doença apenas genética e hereditária?

Existe também um grande debate acadêmico sobre se o mecanismo de Transferência Horizontal de Genes (THG) pode ser um dos grandes responsáveis pelo resultado evolucionário final dos tardígrados. Porém, enquanto alguns estudos mostram massivas transferências genéticas dessa natureza, outros questionam tais achados, colocando a culpa em prováveis contaminações. (Para saber mais sobre o THG, acesse o artigo: A Evolução Biológica é um FATO)

(!) PROTEÍNAS DSUP

Nos últimos anos, estudos identificaram uma proteína nuclear chamada Dsup (Damage suppression protein, na tradução proteína de supressão de danos), a qual é encontrada somente nos tardígrados (especificamente na espécie Ramazzottius varieornatus). Curiosamente, quando a Dsup é testada em células humanas, ela promove proteção contra raios-X, ou seja, essa proteína parece ser um dos principais meios de proteção contra os danos radioativos. Mas até pouco tempo atrás, não se sabia como essa proteína atuava para cumprir esse serviço.

Nesse sentido, um estudo publicado recentemente no periódico eLife (Ref.12) mostrou que a Dsup se liga à cromatina (a forma assumida pelo DNA no núcleo celular) via nucleossomos. Uma vez ligada, a Dsup protege a célula ao formar uma "nuvem" protetora que defende o DNA de radicais hidroxilas, estes os quais são gerados pelos raios-X ao interagir com as moléculas de água. Estudando outra espécie, a Hypsibius exemplaris, os pesquisadores também encontraram uma proteína ortóloga à Dsup (He Dsup) que se liga à cromatina e cumpre a mesma função.

Os pesquisadores responsáveis pelo novo estudo não acreditam, porém, que essas proteínas evoluíram especificamente em um contexto de proteção contra raios-X e, sim, para proteger esses animais em ambientes agressivos que também promovem a formação de radicais hidroxilas, como em secas prolongadas.

FÓSSEIS RAROS

Esse pequeno tardígrado preservado em um pedaço de âmbar (A) e datado em 16 milhões de anos (Mioceno), foi descoberto recentemente na República Dominicana, país da América Central. O achado - publicado recentemente no periódico Proceedings of the Royal Society B (Ref.14) - é mais do que notável, já que é apenas o terceiro tardígrado fossilizado descrito pela comunidade científica, e o primeiro do Cenozoico (a atual Era Geológica).

Com pouco mais de 0,5 milímetro, o espécime preservado representa um novo gênero e espécie (Paradoryphoribius chronocaribbeus), sendo identificado como um membro evolutivo primordial da superfamília de tardígrados modernos Isohypsibioidea.

A descoberta abre importantes caminhos para melhor explorar a evolução desse grupo de animais (em especial, na calibragem de relógios moleculares).

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CONCLUSÃO

Se você estava com dúvidas quanto a quem coroar com o título de animal mais parrudo do planeta, são poucas as chances de erro se você apostar todas as suas fichas nos tardígrados. Estudos com o DNA desses fantásticos seres ainda renderão muitos avanços no futuro, especialmente no campo evolucionário e da medicina. Não surpreende que possam ser encontrados em praticamente todos os lugares da Terra e estarem bem adaptados ao extremos da região Ártica (principalmente com a ajuda da criptobiose).

REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS