Uma nova pesquisa da Universidade Estadual do Arizona mostra que as bactérias podem se espalhar de maneiras inesperadas, mesmo quando seus sistemas de propulsão habituais funcionam mal. Normalmente, as bactérias se movem usando flagelos, estruturas alongadas em forma de chicote que giram para impulsionar a célula para frente. Novas pesquisas mostram que mesmo sem essas estruturas, os microrganismos ainda podem se espalhar nas superfícies.
O movimento é crucial para as bactérias. Permite-lhes reunir-se em comunidades, explorar novos ambientes e escapar de condições prejudiciais. Compreender como as bactérias se movem pode ajudar os cientistas a conceber melhores estratégias para prevenir infecções.
No primeiro estudo, o pesquisador Navish Wadhwa e sua equipe descobriram que Salmonella e E. coli Mesmo que os seus flagelos estejam desativados, eles podem migrar em superfícies molhadas. As bactérias produzem movimento através do metabolismo. À medida que fermentam o açúcar, eles criam pequenas correntes elétricas que fluem para fora na superfície úmida. Esses fluxos empurram lentamente as colônias de bactérias para fora, semelhantes a folhas descendo por um riacho fino.
Os pesquisadores chamaram esse movimento recém-descoberto de “ondulação”. A descoberta pode ajudar a explicar como os microrganismos causadores de doenças colonizam dispositivos médicos, feridas e equipamentos de processamento de alimentos. Ao compreender como o metabolismo bacteriano impulsiona este tipo de movimento, os cientistas poderão retardá-lo ou preveni-lo, alterando as condições ambientais, como o pH ou os níveis de açúcar.
“Ficamos surpresos com a capacidade dessas bactérias de migrar através de superfícies sem flagelos funcionais. Na verdade, nossos colaboradores projetaram originalmente este experimento como um ‘controle negativo’, o que significava que esperávamos que (uma vez apresentadas) células sem flagelos não se movessem”, disse Wadhwa. “Mas as bactérias se moviam como se nada estivesse errado, o que deu início a uma busca de vários anos para entender como elas faziam isso.
“Isso apenas mostra que mesmo quando pensamos que resolvemos alguma coisa, muitas vezes há surpresas esperando abaixo da superfície, ou neste caso, acima da superfície”.
Wadhwa é pesquisador do Center for Evolutionary Mechanistic Biodesign e professor assistente do Departamento de Física da Arizona State University. O estudo aparece em revista de bacteriologia e foi selecionado como Escolha do Editor, ressaltando sua importância.
descarga de combustível de açúcar
A ação de lavagem começa quando as bactérias consomem açúcares fermentáveis, como glicose, maltose ou xilose. Durante a fermentação, os microrganismos liberam subprodutos ácidos, incluindo acetato e formato. Esses compostos puxam a água da superfície circundante em direção à colônia, criando uma pequena corrente elétrica que empurra as células para fora.
Este movimento requer açúcares fermentáveis. Sem eles, as bactérias não conseguem produzir o fluxo de fluido necessário para a lavagem. Portanto, um ambiente rico em açúcar no corpo (como o muco) pode facilitar a propagação de bactérias nocivas e causar infecções.
Os cientistas também testaram o que acontece quando surfactantes (moléculas semelhantes a detergentes) são adicionados às colônias. Esses compostos pararam de fluir completamente. No entanto, os mesmos produtos químicos não interferem na enxameação, outro tipo de movimento bacteriano impulsionado pelos flagelos que permite que os microrganismos se espalhem rapidamente pelas superfícies húmidas. Esta diferença sugere que os dois comportamentos dependem de mecanismos físicos diferentes. Também sugere que os surfactantes poderão um dia ser usados para controlar o movimento bacteriano, dependendo se os microrganismos se espalham ou se agregam.
A descoberta de que as bactérias podem colonizar superfícies mesmo quando os mecanismos normais de natação falham tem implicações importantes para a saúde. Alguns microrganismos podem ser disseminados em cateteres médicos, implantes ou equipamentos hospitalares através da lavagem. O simples bloqueio dos flagelos pode não impedir esta propagação. Em vez disso, o tratamento pode precisar direcionar os processos metabólicos que impulsionam o fluxo de fluidos.
E. coli e a salmonela são causas bem conhecidas de doenças de origem alimentar. Reconhecer que estas bactérias podem ser espalhadas através do fluxo passivo de fluidos pode ajudar a melhorar as estratégias de saneamento nas instalações de processamento de alimentos. Como a lavagem depende da fermentação e de subprodutos ácidos, fatores como alterações no pH da superfície ou nos níveis de açúcar podem limitar o crescimento bacteriano. A pesquisa descobriu que mesmo pequenas mudanças na acidez podem afetar o modo como as bactérias se movem.
Uma situação semelhante pode existir no corpo humano. Ambientes úmidos, como o muco intestinal, o fluido da ferida ou a uretra, fornecem superfícies através das quais as bactérias podem se espalhar através do rubor, mesmo que seus flagelos sejam incapazes de funcionar de maneira eficaz.
Sistema de engrenagem molecular para motilidade bacteriana
O segundo estudo analisou outro grupo de microrganismos chamados bactérias amarelas. diferente E. coliessas bactérias não sabem nadar. Em vez disso, eles usam uma máquina especializada chamada sistema de secreção tipo 9 (T9SS) para se mover ao longo do ambiente e das superfícies do hospedeiro. Este sistema alimenta uma correia transportadora de moléculas que se move ao longo da superfície celular.
Em condições normais, o T9SS permite que bactérias amarelas deslizem nas superfícies. O mecanismo funciona movendo uma faixa revestida com adesivo ao redor da célula, puxando a bactéria para frente em um movimento semelhante ao de um snowmobile em miniatura.
Os pesquisadores descobriram que uma proteína desse sistema chamada GldJ atua como uma espécie de alavanca de câmbio que controla a direção do motor. Quando uma pequena porção de GldJ é removida, o motor inverte do sentido anti-horário para o sentido horário. Essa mudança altera a direção em que as bactérias viajam.
O estudo detalha esse mecanismo de engrenagem molecular e mostra como ele permite que as bactérias ajustem seus movimentos em resposta a ambientes complexos. Esta capacidade poderia fornecer uma vantagem evolutiva, ajudando os microrganismos a navegar pelas superfícies de forma mais eficiente.
Impacto na saúde humana e na pesquisa do microbioma
O sistema T9SS não afeta apenas a motilidade bacteriana. Também pode afetar a saúde humana de diferentes maneiras, dependendo das comunidades microbianas envolvidas.
No microbioma oral, as bactérias que abrigam o sistema T9SS estão associadas a doenças gengivais. As proteínas que liberam podem desencadear inflamação na boca e também 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 protegem os anticorpos da degradação, melhorando assim a defesa imunitária e aumentando potencialmente a eficácia das vacinas orais.
Compreender como funciona esta caixa de velocidades molecular pode ajudar os investigadores a desenvolver formas de evitar que as bactérias formem biofilmes, colónias viscosas que podem causar infecções e contaminar dispositivos médicos. Entretanto, os cientistas poderão aproveitar estes mecanismos para apoiar micróbios benéficos e conceber terapias direcionadas para o microbioma.
“Estamos extremamente satisfeitos por ter descoberto um notável sistema nanogear de dupla ação que integra mecanismos de feedback, revelando um snowmobile biológico controlável e demonstrando como as bactérias podem regular com precisão o movimento e a secreção em um ambiente dinâmico”, disse Shrivastava. “Com base nesta descoberta, pretendemos agora determinar a estrutura de alta resolução deste extraordinário transmissor molecular, visualizando com precisão atómica como as suas partes móveis se interligam, transmitem forças e respondem ao feedback mecânico. Desvendar este design complexo não só aprofundará a nossa compreensão da evolução microbiana, mas também inspirará o desenvolvimento da próxima geração de nanomáquinas de bioengenharia e tecnologias terapêuticas.”
Shrivastava é pesquisador do Centro de Biodesign de Microbiômica Básica e Aplicada, do Centro de Biodesign Mecanístico Evolutivo e professor assistente da Faculdade de Ciências da Vida da Universidade Estadual do Arizona. Resultados de pesquisa publicados em revista mbio.
Múltiplas estratégias ajudam a espalhar bactérias
À primeira vista, as duas descobertas da navegação fluida e da mudança molecular parecem muito diferentes. No entanto, ambos destacam como as bactérias desenvolveram uma gama inesperada de estratégias de movimento e propagação. Quanto mais opções de movimento os microrganismos tiverem, mais difícil será controlá-los.
As descobertas também sugerem 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 em que vivem as bactérias. Fatores como disponibilidade de açúcar, pH e química da superfície podem desempenhar um papel importante na limitação do movimento bacteriano. Interferir em sistemas moleculares como a caixa de velocidades T9SS também pode impedir que as bactérias se movimentem e libertem proteínas nocivas que causam doenças.
