Uma nova pesquisa da Universidade Estadual do Arizona mostra que as bactérias podem viajar de maneiras inesperadas, mesmo quando o seu sistema de propulsão normal falha. Normalmente, as bactérias usam flagelos, estruturas estreitas em forma de chicote que impulsionam a célula para frente. Novas pesquisas mostram que os micróbios ainda podem se espalhar por superfícies sem essa estrutura.
O movimento é importante para as bactérias. Isto permite-lhes reunir-se em comunidades, explorar novos ambientes e escapar de situações prejudiciais. Aprender como as bactérias se movem pode ajudar os cientistas a desenvolver melhores estratégias para combater infecções.
No primeiro estudo, o pesquisador Navish Wadhwa e sua equipe descobriram que Salmonella e E. coli Podem migrar através de superfícies úmidas mesmo quando seus flagelos estão intactos. As bactérias criam movimento através do seu metabolismo. À medida que fermentam os açúcares, eles criam pequenas correntes externas nas superfícies molhadas. Essas correntes empurram lentamente as colônias bacterianas para fora, como folhas fluindo ao longo de um riacho fino.
Os pesquisadores chamaram esse movimento recém-identificado de “swashing”. 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 bacteriano impulsiona tais movimentos, os cientistas poderão retardá-lo ou interrompê-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 significa que esperávamos (uma vez renderizadas) que as células sem flagelos não se movessem”, disse Wadhwa. “Mas as bactérias migraram com abandono, como se nada estivesse errado, dando início à nossa busca de vários anos para entender como elas estavam fazendo isso.
“Isso apenas mostra que mesmo quando pensamos que encontramos algo, muitas vezes as surpresas estão logo abaixo da superfície, ou neste caso, acima dela”.
Wadhwa é pesquisador do Centro de Biodesign para Mecanismos de Evolução e professor assistente do Departamento de Física da ASU. Pesquisa mostra Revista de Bacteriologia e foi selecionado como Escolha do Editor por sua importância.
Lavagem de combustível de açúcar
O efeito de lavagem é iniciado quando as bactérias absorvem açúcares fermentáveis, como glicose, maltose ou xilose. Durante a fermentação, os micróbios liberam subprodutos ácidos, incluindo acetato e formato. Esses compostos atraem água da superfície circundante em direção à colônia, criando pequenas correntes que empurram as células para fora.
Açúcares fermentáveis são necessários para esse movimento. Sem estes, as bactérias não conseguem produzir o fluxo de fluido necessário para eliminá-las. Um ambiente rico em açúcar dentro do corpo, como o muco, pode, portanto, facilitar a propagação de bactérias nocivas e desencadear infecções.
Os cientistas também examinaram o que acontece quando surfactantes, moléculas semelhantes a detergentes, são adicionados às colônias. Esses compostos pararam de lavar completamente. No entanto, os mesmos produtos químicos não interferem na enxameação, outro tipo de movimento bacteriano impulsionado pelos flagelos que permite que os micróbios se espalhem rapidamente pelas superfícies molhadas. Esta diferença indica que os dois comportamentos dependem de processos físicos separados. Isto também indica que os surfactantes podem ser usados para controlar o movimento bacteriano, dependendo se os micróbios estão lavando ou eliminando.
A descoberta de que as bactérias podem colonizar superfícies mesmo quando o seu mecanismo normal de natação falha tem implicações importantes para a saúde. Alguns germes podem se espalhar para cateteres médicos, implantes ou equipamentos hospitalares através da lavagem. O bloqueio dos flagelos por si só não pode impedir essa proliferação. Em vez disso, o tratamento deve ter como alvo os processos metabólicos que impulsionam o fluxo de fluidos.
E. coli e Salmonella são causas bem conhecidas de doenças transmitidas por alimentos. Reconhecer que estas bactérias podem ser espalhadas através do fluxo passivo de fluidos pode ajudar a melhorar as técnicas de saneamento em instalações de processamento de alimentos. Como a lavagem depende da fermentação e da acidez do produto, fatores modificadores como o pH superficial ou os níveis de açúcar podem limitar o crescimento bacteriano. Estudos demonstraram que mesmo pequenas mudanças na acidez podem afetar o comportamento das bactérias.
Uma situação semelhante pode existir dentro do corpo humano. Ambientes úmidos, como mucosa intestinal, fluido de feridas ou trato urinário, fornecem superfícies nas quais as bactérias podem se espalhar por lavagem, mesmo quando seus flagelos não estão funcionando de maneira eficaz.
Um sistema de engrenagem molecular para locomoção bacteriana
Um segundo estudo examinou um grupo diferente de micróbios chamados flavobactérias. não gosto E. coliEssas bactérias não nadam. Em vez disso, eles viajam ao longo das superfícies ambientais e do hospedeiro usando uma máquina especializada conhecida como sistema de secreção tipo 9, ou T9SS. Este sistema alimenta uma correia transportadora molecular que se move ao longo da superfície da célula.
Em condições normais, o T9SS permite que as flavobactérias atravessem as superfícies. O mecanismo funciona movendo uma cinta com revestimento pegajoso ao redor da célula, impulsionando a bactéria para frente a uma velocidade que lembra um snowmobile microscópico.
Os pesquisadores descobriram que uma proteína desse sistema, chamada GldJ, atua como uma espécie de câmbio 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 de deslocamento da bactéria.
O estudo descreve detalhadamente esse mecanismo de engrenagem molecular e mostra como ele permite que as bactérias ajustem seus movimentos em resposta a ambientes complexos. Esta capacidade pode proporcionar uma vantagem evolutiva, ajudando os micróbios a navegar pelas superfícies de forma mais eficaz.
Implicações para a saúde humana e a pesquisa do microbioma
O sistema T9SS afeta mais do que apenas a motilidade bacteriana. Pode afetar a saúde humana de diferentes maneiras, dependendo da comunidade microbiana envolvida.
No microbioma oral, bactérias contendo o sistema T9SS têm sido associadas a doenças gengivais. As proteínas que liberam podem causar inflamação na boca e contribuir para doenças como doenças cardíacas e Alzheimer.
Em contraste, a atividade do T9SS pode ser benéfica no microbioma intestinal. As proteínas secretadas através deste sistema podem proteger a degradação dos anticorpos, o que pode fortalecer as defesas imunológicas e melhorar 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, comunidades viscosas que causam infecções e contaminam dispositivos médicos. Ao mesmo tempo, os cientistas poderão explorar estes processos para apoiar micróbios benéficos e conceber terapias específicas para o microbioma.
“Estamos entusiasmados em descobrir um notável sistema nanogear de dupla função que integra um mecanismo de feedback, revela um snowmobile biológico controlável e mostra como as bactérias ajustam com precisão a motilidade e a secreção em um ambiente dinâmico”, disse Srivastava. “Com base neste progresso, pretendemos agora determinar a estrutura de alta resolução deste notável transportador molecular, 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 dos próximos desenvolvimentos na evolução microbiana, mas também abrirá o caminho para a bioevolução. Nanomáquinas e tecnologias terapêuticas.”
Srivastava é pesquisador do Centro de Biodesign para Microbiômica Fundamental e Aplicada, do Centro de Biodesign para Mecanismos de Evolução e professor assistente na Escola de Ciências da Vida da ASU. Os resultados aparecem em periódicos mBio.
Múltiplas estratégias ajudam a espalhar bactérias
À primeira vista, as duas invenções – o surf fluido e a 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.
Estas descobertas também sugerem que novas abordagens podem ser necessárias para combater infecções bacterianas. Muitas técnicas tradicionais concentram-se na desativação dos flagelos. Mas estes estudos mostram que as bactérias podem se espalhar sem eles.
A pesquisa aponta para a importância de controlar o ambiente em que vivem as bactérias. Fatores como disponibilidade de açúcar, nível 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 pode impedir que as bactérias se movam e liberem proteínas prejudiciais que contribuem para doenças.
