Dentro das células de plantas aparentemente estáticas existem populações vibrantes de organelas móveis. Centenas de mitocôndrias, provedoras de energia da célula, movem-se em suas próprias jornadas individuais e interagem umas com as outras à medida que avançam. Eles dão pequenos passos para explorar sua área celular local e usam 'estradas' na célula (filamentos feitos de proteína actina) para viajar rapidamente por longas distâncias. Embora esse movimento tenha sido bem caracterizado ao longo dos anos, o mistério ainda permanece: por que a usina investe energia para movimentar essas usinas?

Superficialmente, as mitocôndrias vegetais têm uma tarefa impossível. Por um lado, é bom que eles se encontrem. Eles podem fundir e trocar DNA mitocondrial (mtDNA), proteínas e outros produtos químicos, em uma colaboração contínua que é importante para a planta. Quando esse compartilhamento é comprometido, por exemplo, por mutações no maquinário responsável, as plantas crescem menos rapidamente e menos verdes, podendo ficar estéreis e apresentar outros problemas. Por outro lado, é bom que as mitocôndrias fiquem separadas. Uma distribuição uniforme de mitocôndrias pela célula garante um suprimento uniforme de energia, limita o acúmulo local de substâncias químicas prejudiciais e permite que as mitocôndrias se encontrem com outras máquinas celulares. Pensamos que o movimento mitocondrial poderia ser uma maneira de obter o melhor dos dois mundos - permitindo encontros ocasionais, mas também mantendo as mitocôndrias bem espalhadas na célula. Mas, para explorar essa ideia, precisávamos entender como as mitocôndrias de plantas reais se movem e como diferentes tipos de movimento podem ajudar a resolver essa troca.

Como nos aprofundamos nessas comunidades dentro das células vegetais? Vamos começar com como as mitocôndrias se movem. Em nosso laboratório na Universidade de Birmingham (nosso grupo está sediado na Universidade de Bergen, mas somos internacionais!), usamos microscopia a laser de células vivas para observar mitocôndrias em mudas de Arabidopsis, uma planta favorita para experimentos de laboratório. O Prof. David Logan, que moldou o campo da dinâmica mitocondrial vegetal, criou e gentilmente nos forneceu uma linhagem de plantas com proteínas fluorescentes ligadas às suas mitocôndrias. A partir disso, podemos gravar vídeos da dinâmica mitocondrial, como o lapso de tempo abaixo de uma única célula no hipocótilo (tronco inicial).

A partir desses vídeos, podemos usar algoritmos para rastrear as posições de todas as mitocôndrias individuais ao longo do tempo. O computador então relata sua velocidade, os ângulos em que se movem, as distâncias entre eles e a área que cobrem.

Como esse movimento afeta sua capacidade de conhecer e compartilhar conteúdos? A resposta veio de uma perspectiva talvez surpreendente - redes sociais. As redes sociais descrevem as interações entre os indivíduos - geralmente pessoas, mas aplicamos a ideia às mitocôndrias. Quando uma mitocôndria chega a uma pequena distância de outra (cerca de um mícron, que é o comprimento típico de uma mitocôndria), registramos esse 'encontro'. Esses 'encontros' dão às mitocôndrias a oportunidade de fundir e trocar conteúdos e informações genéticas. Com o tempo, esses encontros se acumulam e podem ser representados como a rede “social” da população. Os nós da rede são mitocôndrias individuais e as bordas entre eles correspondem aos encontros entre essas organelas. Como a teoria de redes como essas é tão bem desenvolvida, podemos usar a teoria estabelecida para nos ajudar a responder às nossas perguntas, incluindo: quão bem conectados estão os indivíduos nesta célula? As mitocôndrias formam “panelinhas” (grupos sociais fortemente unidos)? Quanta variação “social” existe entre as mitocôndrias? E quão eficientes são essas redes na transmissão de informações?

Construímos essas redes para Arabidopsis mudas e as comparou com uma ampla gama de simulações de computador para explorar o que a planta poderia teoricamente alcançar com diferentes movimentos mitocondriais. Essas simulações mostram que há de fato uma corda bamba para andar: uma tensão entre as mitocôndrias sendo distribuídas uniformemente e altamente conectadas socialmente. Nenhuma célula vegetal, mesmo em uma simulação, pode atingir as duas coisas ao mesmo tempo. Mas, com o tempo, descobrimos que as células vegetais adotam uma resolução para essa tensão que é tão ou mais eficiente do que qualquer uma de nossas simulações. A “eficiência” destas redes sociais - uma medida de quão facilmente o conteúdo pode ser compartilhado entre indivíduos - é notavelmente alto em comparação com o comportamento teórico. Isso sugere que a dinâmica das mitocôndrias vegetais evoluiu para compartilhar conteúdo de forma eficiente - sem sacrificar sua distribuição uniforme pela célula e, portanto, sua capacidade de fornecer um suprimento de energia uniforme, evitar o acúmulo local de produtos químicos prejudiciais e atender a outras máquinas celulares.

Para apoiar essas descobertas, analisamos as mitocôndrias em um mutante Arabidopsis linha chamada amigável (assim chamada porque nessa linhagem vegetal as mitocôndrias se tornam muito “amigáveis”, ficando juntas por mais tempo, o que atrapalha a distribuição uniforme das mitocôndrias na célula). O Prof. Logan também criou e nos forneceu plantas desta linha. Nessas plantas, as mitocôndrias agrupadas formam cliques fortemente conectados, que inicialmente não encontram outros grupos com muita frequência, limitando assim sua capacidade de compartilhar informações. Mas, curiosamente, esse desafio à resolução sócio-física não foi mantido ao longo do tempo. Observamos que mitocôndrias muito sociais (populares) viajam de cluster em cluster, clique em clique, conectando essas comunidades e, eventualmente, dando à rede geral uma eficiência semelhante ao caso não mutante.

Observar a conectividade social dessas organelas dinâmicas nos ajudou a descobrir uma compensação com a qual as mitocôndrias precisam lidar e mostrar que elas usam seu movimento notável para obter o melhor de ambos estarem bem espalhados fisicamente (para entrega uniforme de energia) e amizade (para permitir a troca benéfica de conteúdos) quando eles precisam. No futuro, estamos analisando com mais profundidade as implicações desse trade-off tanto para o metabolismo vegetal (onde as formas de posicionamento mitocondrial se cruzam com outras organelas, essenciais para a fotossíntese e a fotorrespiração) quanto para a genética (onde a troca mitocondrial influencia a manutenção e a herança do mtDNA ). Esses tópicos são de interesse biológico básico e importância agrícola, já que o metabolismo das plantas alimenta o mundo, e as características do mtDNA desempenham um papel importante na produção de culturas híbridas.

Para obter mais informações e uma visão mais colorida do mundo das mitocôndrias vegetais, confirawww.mitochondriamove.com, e leia o artigo sobre este trabalho aqui: https://www.cell.com/cell-systems/fulltext/S2405-4712(21)00133-2 

Joanna e Iain estão interessados ​​na dinâmica, genética e evolução das organelas ao longo da vida, e particularmente nas plantas. O Stochastic Biology Group, liderado por Iain, trabalha com uma mistura de dados experimentais e abordagens de modelagem para entender sistemas biológicos complexos e estocásticos. Joanna é uma estudante de doutorado na Universidade de Birmingham, no Reino Unido, e uma ávida comunicadora científica. Iain é Professor Associado na Universidade de Bergen, Noruega. Siga Joana, @ChustekiSci, e Iain, @mitomaths, no Twitter e confira mais sobre o Stochastic Biology Group aqui:https://org.uib.no/stochasticbiology/people.html. Você pode encontrar mais de seus vídeos em seu canal do YouTube aqui: https://www.youtube.com/channel/UCp-q3_8CbR2Lh5PcaCYSfNQ.