Uma nova pesquisa da Universidade Estadual do Arizona mostra que as bactérias podem se mover de maneiras inesperadas, mesmo quando o seu sistema de locomoção normal falha. Normalmente, as bactérias se movem usando flagelos, estruturas finas em forma de chicote que giram, empurrando as células para frente. Novas pesquisas mostram que os micróbios ainda podem se espalhar em superfícies sem essas estruturas.
O movimento é muito importante para as bactérias. Isto permite-lhes reunir-se em comunidades, explorar novos ambientes e evitar ambientes prejudiciais. Estudar como as bactérias se movem pode ajudar os cientistas a desenvolver melhores estratégias para prevenir infecções.
No primeiro estudo, o pesquisador Navish Wadhwa e sua equipe descobriram que a salmonela e Escherichia coli podem migrar através de superfícies úmidas mesmo quando seus flagelos estão separados. As bactérias criam movimento através do seu metabolismo. À medida que fermentam o açúcar, eles criam pequenas correntes através da superfície molhada. Essas correntes empurram lentamente a colônia de bactérias para fora, como folhas fluindo ao longo de um riacho fino.
Os pesquisadores chamaram esse movimento recém-identificado de “balanço”. A descoberta pode ajudar a explicar como os micróbios causadores de doenças conseguem colonizar dispositivos médicos, feridas e equipamentos de processamento de alimentos. Ao compreender como o metabolismo das bactérias controla este tipo de movimento, os cientistas podem retardá-lo ou interrompê-lo alterando as condições ambientais, como o pH ou os níveis de açúcar.
“Ficámos surpreendidos com a capacidade destas bactérias migrarem através de superfícies sem flagelos funcionais. Na verdade, os nossos colaboradores planearam originalmente esta experiência como um ‘controlo negativo’, o que significa que esperávamos que as células sem flagelos se movessem”, diz Wadhwa. “Mas as bactérias migraram indiscriminadamente como se nada estivesse errado, e iniciamos uma busca de vários anos para entender como elas fizeram isso.
“Isso apenas mostra que mesmo quando pensamos que já descobrimos algo, muitas vezes há surpresas logo abaixo da superfície, ou neste caso, acima dela.”
Wadhwa é pesquisador do Centro de Biodesign de Mecanismos de Evolução e professor associado do Departamento de Física da ASU. O estudo aparece em Jornal de bacteriologia e foi selecionado como Escolha do Editor, ressaltando sua importância.
Swashing defumado com açúcar
O efeito de lixiviação começa quando as bactérias consomem açúcares fermentáveis, como glicose, maltose ou xilose. Durante a fermentação, os micróbios liberam subprodutos ácidos, incluindo acetato e formato. Essas conexões atraem água da superfície circundante para a colônia, criando pequenas correntes que empurram as células para fora.
O açúcar fermentado é necessário para esse movimento. Sem eles, as bactérias não conseguem produzir os fluxos de fluido necessários para a lavagem. Um ambiente rico em açúcar dentro do corpo, como o muco, pode facilitar a propagação de bactérias nocivas e causar infecções.
Os cientistas também testaram o que acontece quando surfactantes, semelhantes a moléculas de detergente, são adicionados à colónia. Esses compostos pararam de ser completamente eliminados. No entanto, os mesmos produtos químicos não interferiram na enxameação, outro tipo de movimento bacteriano mediado por flagelos que permite que os micróbios se espalhem rapidamente pelas superfícies molhadas. Esta diferença sugere que os dois comportamentos dependem de mecanismos físicos diferentes. Também sugere que algum dia os surfactantes poderão ser usados para controlar o movimento bacteriano, dependendo se os micróbios estão fervilhando ou fervilhando.
A descoberta de que as bactérias podem colonizar superfícies mesmo quando o seu equipamento normal de natação falha tem implicações importantes para a saúde. Alguns germes podem se espalhar através de cateteres médicos, implantes ou equipamentos hospitalares por meio de manchas. O simples bloqueio dos flagelos pode não impedir a propagação. Em vez disso, pode ser necessário um tratamento direcionado aos processos metabólicos que controlam os fluxos de fluidos.
Escherichia coli e a salmonela são causas bem conhecidas de doenças de origem alimentar. Reconhecer que estas bactérias podem ser espalhadas através de fluxos passivos de fluidos pode ajudar a melhorar as estratégias de saneamento em instalações alimentares. Como a lixiviação depende da fermentação e de subprodutos ácidos, a alteração de fatores como o pH da superfície ou os níveis de açúcar pode limitar o crescimento bacteriano. O estudo descobriu que mesmo pequenas mudanças na acidez podem afetar o movimento das bactérias.
Condições semelhantes podem existir dentro do corpo humano. Ambientes úmidos, como muco intestinal, fluido de feridas ou trato urinário, são superfícies onde as bactérias podem se espalhar por fluxo, mesmo que seus flagelos não estejam funcionando de maneira eficaz.
Um sistema de transmissão molecular para movimento bacteriano
O segundo estudo analisou outro grupo de micróbios chamados flavobactérias. Diferente Escherichia coliessas bactérias não nadam. Em vez disso, eles viajam pelo ambiente e pelas superfícies do hospedeiro usando um maquinário especializado conhecido como sistema de secreção tipo 9, ou T9SS. Este sistema alimenta o transportador molecular que se move pela superfície da célula.
Em condições normais, o T9SS permite que as flavobactérias deslizem nas superfícies. O mecanismo funciona movendo uma cinta revestida com adesivo ao redor da célula, puxando a bactéria para frente em um movimento que lembra um snowmobile microscópico.
Os pesquisadores descobriram que uma proteína desse sistema, chamada GldJ, atua como uma espécie de chave de engrenagem que controla a direção do motor. Quando uma pequena porção de GldJ é removida, o motor inverte sua rotação do sentido anti-horário para o sentido horário. Essa mudança altera a direção do movimento da bactéria.
O estudo detalha esse mecanismo de transmissão molecular e mostra como ele permite que as bactérias regulem seu movimento em resposta a um ambiente complexo. Esta capacidade pode conferir uma vantagem evolutiva, ajudando os micróbios a moverem-se de forma mais eficiente através das superfícies.
Implicações para a saúde humana e a pesquisa do microbioma
O sistema T9SS afeta mais do que apenas o movimento bacteriano. Também pode afetar a saúde humana de forma diferente, dependendo da comunidade microbiana envolvida.
No microbioma oral, bactérias contendo o sistema T9SS têm sido associadas a doenças gengivais. As proteínas que secretam podem causar inflamação na boca e contribuir para doenças como doenças cardíacas e doença de Alzheimer.
Em contraste, a atividade do T9SS no microbioma intestinal pode ser benéfica. As proteínas secretadas através deste sistema podem proteger os anticorpos da destruição, o que fortalece as defesas imunológicas e pode aumentar a eficácia das vacinas orais.
Compreender como funciona este redutor molecular pode ajudar os investigadores a desenvolver formas de impedir que as bactérias formem biofilmes, as comunidades viscosas que causam infecções e contaminam dispositivos médicos. Ao mesmo tempo, os cientistas podem usar estes mecanismos para apoiar micróbios benéficos e desenvolver terapias direcionadas ao microbioma.
“Estamos muito entusiasmados por ter descoberto um sistema nanorredutor de dupla função incomum que integra um mecanismo de feedback, revelando um snowmobile biológico controlável e mostrando como as bactérias ajustam a motilidade e a secreção em ambientes dinâmicos”, diz Srivastava. “Com base nesta descoberta, pretendemos agora definir as estruturas de alta resolução desta notável linha de montagem molecular para visualizar com precisão atómica como as suas partes móveis interagem, transmitem força e respondem ao feedback mecânico. Desvendar esta estrutura complexa não só aprofundará a nossa compreensão da evolução microbiana, mas também inspirará o desenvolvimento de nanomáquinas de bioengenharia e tecnologias terapêuticas da próxima geração”.
Shrivastava é pesquisador do Centro de Biodesign de Microbiômica Fundamental e Aplicada, do Centro de Biodesign de Mecanismos de Evolução e professor associado da Escola de Ciências da Vida da ASU. Os resultados são publicados na revista mBio.
Muitas estratégias ajudam a espalhar bactérias
À primeira vista, as duas descobertas – surf líquido e mudança de marcha molecular – parecem mundos separados. No entanto, ambos destacam como as bactérias desenvolveram uma série de estratégias inesperadas para se moverem e se espalharem. Quanto mais opções de movimento os micróbios tiverem, mais difícil será controlá-los.
Estes resultados também indicam que novas abordagens podem ser necessárias para combater infecções bacterianas. Muitas estratégias tradicionais concentram-se na desativação dos flagelos. Mas estes estudos mostram que as bactérias podem continuar a espalhar-se mesmo sem elas.
O estudo aponta para a importância de controlar o ambiente onde as bactérias vivem. Fatores como a presença de açúcares, níveis de pH e química da superfície podem desempenhar um papel importante na limitação do movimento bacteriano. Interferir em sistemas moleculares como a caixa de engrenagens T9SS também pode impedir que as bactérias se movam e liberem proteínas prejudiciais que promovem doenças.
