As surpreendentes novas maneiras pelas quais as bactérias se espalham sem hélices

O movimento é crítico para as bactérias. Permite-lhes reunir-se em comunidades, explorar novos ambientes e escapar de condições prejudiciais. Aprender 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 a salmonela e E. coli podem migrar através de superfícies úmidas mesmo quando seus flagelos estão desativados. As bactérias geram movimento através de seu metabolismo. Quando fermentam açúcares, eles criam pequenas correntes que fluem para fora através da superfície úmida. Esses fluxos empurram lentamente a colônia bacteriana para fora, semelhante a folhas flutuando 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 este tipo de movimento, os cientistas poderão retardá-lo ou interrompê-lo, alterando as condições ambientais, como o pH ou os níveis de açúcar.

“Ficamos impressionados 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) sem flagelos, as células não se movessem”, diz Wadhwa. “Mas as bactérias migraram com abandono, como se nada estivesse errado, o que nos levou a uma busca de vários anos para entender como elas estavam fazendo isso.

“Isso apenas mostra que mesmo quando pensamos que já descobrimos algo, muitas vezes há surpresas esperando 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. O estudo aparece no Revista de Bacteriologia e foi selecionado como Escolha do Editor, destacando sua importância.

Lavagem movida a açúcar

O efeito de lavagem começa quando as bactérias consomem açúcares fermentáveis, como glicose, maltose ou xilose. Durante a fermentação, os micróbios liberam subprodutos ácidos, incluindo acetato e formato. Esses compostos puxam a 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 eles, as bactérias não podem produzir os fluxos de fluido necessários para a lavagem. Ambientes ricos em açúcar dentro do corpo, como o muco, podem, portanto, facilitar a propagação de bactérias nocivas e desencadear infecções.

Os cientistas também testaram o que acontece quando surfactantes, moléculas semelhantes a detergentes, são adicionados às colônias. Esses compostos pararam de se espalhar completamente. No entanto, os mesmos produtos químicos não interferiram na enxameação, outro tipo de movimento bacteriano alimentado por flagelos que permite que os micróbios se espalhem rapidamente pelas superfícies molhadas. Esta diferença sugere que os dois comportamentos dependem de mecanismos físicos separados. Também sugere que algum dia os surfactantes poderão ser usados ​​para controlar o movimento bacteriano, dependendo se os micróbios estão se espalhando ou fervilhando.

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 micróbios podem espalhar-se através de cateteres médicos, implantes ou equipamentos hospitalares através de lavagem. O simples bloqueio dos flagelos pode não impedir essa propagação. Em vez disso, os tratamentos podem precisar direcionar os processos metabólicos que impulsionam as correntes fluidas.

E. coli e a salmonela são causas bem conhecidas de doenças de origem alimentar. Reconhecer que estas bactérias podem espalhar-se através de fluxos de fluidos passivos pode ajudar a melhorar as estratégias de saneamento nas instalações de processamento de alimentos. Como a lavagem 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 mudanças modestas na acidez podem influenciar a forma como as bactérias se movem.

Condições semelhantes também podem existir dentro do corpo humano. Ambientes úmidos, como muco intestinal, fluidos de feridas ou trato urinário, fornecem superfícies onde as bactérias podem se espalhar através da lavagem, mesmo quando seus flagelos não estão funcionando de maneira eficaz.

Um sistema de engrenagem molecular para movimento bacteriano

Um segundo estudo examinou um grupo diferente de micróbios chamados flavobactérias. Diferente 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 deslizem pelas superfícies. O mecanismo funciona movendo uma cinta revestida com adesivo ao redor da parte externa 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 alavanca 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 seu movimento 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 influencia mais do que apenas o movimento bacteriano. Também pode afetar a saúde humana de diferentes maneiras, dependendo da comunidade microbiana envolvida.

No microbioma oral, as bactérias que contêm o sistema T9SS têm sido associadas a doenças gengivais. As proteínas que eles liberam podem desencadear inflamação na boca e também contribuir para doenças como doenças cardíacas e Alzheimer.

Em contraste, a atividade do T9SS no microbioma intestinal pode ser benéfica. As proteínas secretadas através deste sistema podem proteger a degradação dos anticorpos, o que fortalece as defesas imunológicas e pode melhorar a eficácia das vacinas orais.

Compreender como funciona esta caixa de velocidades molecular pode ajudar os investigadores a desenvolver formas de impedir que as bactérias formem biofilmes, comunidades viscosas que causam infecções e contaminam dispositivos médicos. Ao mesmo tempo, os cientistas poderão aproveitar estes mecanismos para apoiar micróbios benéficos e conceber terapias direcionadas ao microbioma.

“Estamos muito entusiasmados por ter descoberto um extraordinário sistema nanogear de dupla função que integra um mecanismo de feedback, revelando um snowmobile biológico controlável e mostrando como as bactérias ajustam com precisão a motilidade e a secreção em ambientes dinâmicos”, diz Shrivastava. “Com base nesta inovação, pretendemos agora determinar estruturas de alta resolução deste notável transportador molecular para visualizar, com precisão atômica, como suas partes móveis se interligam, transmitem força e respondem ao feedback mecânico. Desvendar esse design intrincado não apenas aprofundará nossa compreensão da evolução microbiana, mas também inspirará o desenvolvimento de nanomáquinas e tecnologias terapêuticas de bioengenharia de próxima geração. “

Shrivastava é pesquisador do Centro de Biodesign para Microbiômica Fundamental e Aplicada, do Centro de Biodesign para Mecanismos de Evolução e professor assistente da Escola de Ciências da Vida da ASU. As descobertas aparecem na revista mBio.

Múltiplas estratégias ajudam a espalhar bactérias

À primeira vista, as duas descobertas – surf fluido 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 possuírem, mais difícil será controlá-los.

Estas 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.

A pesquisa aponta para a importância de controlar os ambientes onde vivem as bactérias. Fatores como disponibilidade de açúcar, 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 velocidades T9SS também pode impedir a movimentação de bactérias e a libertação de proteínas nocivas que contribuem para doenças.