A Incrível Sociedade dos Microrganismos


ResearchBlogging.org√Č bem √≥bvio que um ser humano n√£o existiria sozinho. N√£o s√≥ porque ele n√£o poderia ser gerado, mas porque dificilmente conseguiria sobreviver. J√° reparou na quantidade de pessoas que permitem (e permitiram) que voc√™ tivesse o dia de hoje como voc√™ tem? Cada parafuso, tecido, metal, tijolo e etc que permite voc√™ estudar, trabalhar, andar de autom√≥vel, comer e ler esse texto foram pensados, feitos, montados, transportados e vendidos por algu√©m. N√£o √© poss√≠vel portanto tentar entender os humanos, bem como a maneira com que eles se comunicam, isoladamente. √Č preciso olh√°-los sistemicamente, como seres sociais. As bact√©rias tamb√©m. √Č cada vez mais reconhecido que as bact√©rias n√£o existem como c√©lulas solit√°rias, mas s√£o como um “organismo colonizador” que elabora complexos sistemas de comunica√ß√£o que facilitam a sua adapta√ß√£o √†s recorrentes mudan√ßas ambientais. E elas nascem poliglotas. A sele√ß√£o natural esculpiu em diferentes esp√©cies diversos genes que as permitem se comunicar cooperativamente e repressivamente entre esp√©cies e at√© mesmo entre reinos (como por exemplo em bact√©rias patog√™nicas). Damos √† essa comunica√ß√£o bacteriana o nome de “quorum sensing” (“detec√ß√£o em qu√≥rum” – tradu√ß√£o livre).

Quorum Sensing

O termo “quorum sensing” foi cunhado devido √† habilidade dos microorganismos expressarem ou aumentarem a express√£o de certos genes quando em grande popula√ß√£o, podendo dessa forma monitorar a densidade celular (quantidade de c√©lulas ao seu redor) antes de manifestar algum fen√≥tipo. Um dos exemplos mais ilustrativos disso √© da Dictyostelium discoideum, um protozo√°rio que passa uma das fases do seu ciclo de vida produzindo um corpo multicelular. Tem um v√≠deo bem legal mostrando a forma√ß√£o de um corpo de frutifica√ß√£o atrav√©s de v√°rias c√©lulas individuais de Dictyostelium:

[youtube_sc url=http://www.youtube.com/watch?v=vjRPla0BONA]
Reparem rapidamente em 00:30 min as c√©lulas se locomovendo em “pulsos”, na dire√ß√£o de um local em que todas est√£o se agregando (√© dif√≠cil de perceber!). Esse local inicial √© em geral onde um grupo de bact√©rias encontrou alguma fonte de nutrientes. A “pulsa√ß√£o” da locomo√ß√£o das bact√©rias acontece devido √† subst√Ęncia de quorum sensing que √© difundida pelo espa√ßo vinda das c√©lulas do local de agrega√ß√£o; um pulso inicial provoca – quando em uma popula√ß√£o n√£o muito grande, para ser percept√≠vel – um comportamento oscilat√≥rio de resposta das c√©lulas: quando uma c√©lula recebe um sinal (do tipo “Ei, tem comida aqui!”), ela emite um de volta (como se etivesse gritando “Caramba, tem comida l√°!”), que √© recebido pelas c√©lulas que mandaram o sinal incialmente (o que seria um “√ďtimo! Estou indo pra√≠!”) e por outras ao seu redor, propagando o sinal. Como a transmiss√£o de informa√ß√£o com as subst√Ęncias n√£o √© imediata e nem totalmente cont√≠nua, observa-se os “pulsos”, que s√£o resultado do “gap” entre enviar e receber informa√ß√Ķes pela difus√£o de mol√©culas.

As diferentes Línguas das bactérias

Tabela com exemplos das diferentes fam√≠lias de subst√Ęncias de QS, as diferentes "l√≠nguas" das bact√©rias. Imagem modificada de S. Atkinson e P. Williams (2009) e de Y. He e L. Zhang (2008). Refer√™ncias no final do post.

As “l√≠nguas”, ou simplesmente certas coisas que as bact√©rias querem “dizer” (como “Estou afim de dar uma reproduzida!” ou “Fujam, eles est√£o vindo!”) s√£o “ditas” atrav√©s de diferentes tipos de subst√Ęncias que os microorganismos produzem. No caso da Dictyostelium ali em cima, a subst√Ęncia √© AMP c√≠clico (√© quase um ATP, s√≥ que duas vezes menos fosfatado… e c√≠clico, √© claro), mas se tratando de bact√©rias – que ainda √© a principal plataforma de aplica√ß√£o da Biologia Sint√©tica – existem tr√™s tipos principais de subst√Ęncias de quorum sensing: as acil-homoserinas lactonas (HSL ou AHL), auto-indutores 2 (AI-2) e pequenos √°cidos graxos, chamados de “DSF”s (Diffusible Signal Factor – do ingl√™s: Fator Sinalizador Difus√≠vel). Existem ainda outras fam√≠lias de subst√Ęncias de QS, mas aparentemente menos comuns que essas tr√™s principais.

O Mecanismo Gênico

A ativa√ß√£o dos sistemas de QS s√≥ ocorre em uma alta densidade celular. Isso permite que se chegue uma concentra√ß√£o limiar de subst√Ęncias de QS para express√£o de genes. 1, 2 e 3 s√£o os tr√™s elementos b√°sicos de DNA para se construir um sistema de QS. Imagem modificada de NA. Whitehead et al (2001), refer√™ncia no final do post.

Para um microrganismo ganhar a abilidade de “falar em outra l√≠ngua”, em geral s√£o necess√°rios apenas tr√™s elementos de DNA: um gene que gere uma enzima que produza uma subst√Ęncia de QS, outro gene que produza o “receptor” dessa subst√Ęncia – que em geral √© um fator de transcri√ß√£o – e um promotor, no qual o fator de transcri√ß√£o (ap√≥s se associar √† subst√Ęncia de QS) se liga para controlar a express√£o g√™nica (imagem ao lado).

Se uma bact√©ria (por exemplo) “fala” a mesma “l√≠ngua” que suas companheiras de col√īnia, como ela diferenciaria ent√£o um sinal pr√≥prio (a pr√≥pria subst√Ęncia de QS sendo produzida) de um sinal de outras c√©lulas (subst√Ęncia de QS externa)!? Isso √© importante, porque se a bact√©ria receber o pr√≥prio sinal que envia, ela entrar√° em um processo autocatal√≠tico que resultar√° em uma cont√≠nua auto-ativa√ß√£o da c√©lula independente do sinal das bact√©rias ao seu redor. Acontece que uma bact√©ria n√£o produz n√≠veis suficientes de QS para “se ouvir”. Sem o sinal externo, a transcri√ß√£o de genes pelo sistema de quorum sensing √© fraca e insuficiente para iniciar um feedback positivo; apenas em alta densidade celular se consegue alcan√ßar uma concentra√ß√£o cr√≠tica de subst√Ęncias de QS para estimular a transcri√ß√£o dos genes que o QS controla.

Quorum Sensing no iGEM

Apesar de n√£o ser um meio de transmiss√£o de informa√ß√£o t√£o r√°pido e eficiente como o dos light switches, os sistemas de QS s√£o bastante utilizados em dispositivos sint√©ticos devido √† sua especificidade e falta de “falsos sinais” – afinal, √© extremamente f√°cil estimular n√£o-intencionalmente uma c√©lula sens√≠vel √† luz. No Registry of Parts existem cerca de 6 sistemas de QS¬†completos, padronizados e dispon√≠veis para constru√ß√£o, todos usando (em geral) diferentes AHLs, usados tanto na ativa√ß√£o e inibi√ß√£o da express√£o de genes.

Exemplos de utiliza√ß√£o desse sistema de transmiss√£o de informa√ß√£o n√£o faltam no iGEM. J√° tratamos no blog de um dos in√ļmeros projetos do iGEM que utilizam quorum sensing, o da Unicamp de 2009. Em seu projeto, o time brasileiro utilizou sinais de AI-2 como um “sistema de alerta” em bact√©rias produtoras de bioprodutos em um bioreator. Quando um microrganismo contanimante surgisse (produzindo AI-2), o sistema de QS atuaria para comunicar sua presen√ßa a todas as bact√©rias ao redor do organismo invasor, iniciando gatilhos g√™nicos para produ√ß√£o de subst√Ęncias nocivas ao contaminante, afim de extermin√°-lo do bioreator.

Parte do vídeo explicativo do time da Unicamp de 2009. Uma pequena esquematização de como usaram quorum sensing.

Aprender como uma popula√ß√£o de microrganismos de comunica √© extremamente √ļtil para saber como ela se comporta, e no caso da biologia sint√©tica, muito √ļtil para conseguir controlar esse comportamento para transmitir informa√ß√Ķes em um dispositivo g√™nico sint√©tico. Mas √© claro que prever todo um comportamento de um sistema biol√≥gico n√£o √© nada f√°cil. Como j√° salientava Asimov, h√° algo em comum no comportamento de humanos e √°tomos: ambos s√£o muito previs√≠veis singularmente, mas praticamente ca√≥ticos quando em coletivo. Apesar de mais simples, popula√ß√Ķes de microrganismos tamb√©m se comportam assim, o que √© uma das raz√Ķes que tornam o trabalho em laborat√≥rio muitas vezes frustante e cansativo. Um guia nesse caos √© essa compreens√£o sist√™mica da comunica√ß√£o entre bact√©rias (que origina certas resist√™ncias a antibi√≥ticos inesperadas e outras coisas bizarras), que assim como seres humanos, as torna seres mais sociais do que voc√™ possa imaginar.

Referências

  1. Whitehead, N. (2001). Quorum-sensing in Gram-negative bacteria FEMS Microbiology Reviews, 25 (4), 365-404 DOI: 10.1016/S0168-6445(01)00059-6
  2. Atkinson, S., & Williams, P. (2009). Quorum sensing and social networking in the microbial world Journal of The Royal Society Interface, 6 (40), 959-978 DOI: 10.1098/rsif.2009.0203
  3. He YW, & Zhang LH (2008). Quorum sensing and virulence regulation in Xanthomonas campestris. FEMS microbiology reviews, 32 (5), 842-57 PMID: 18557946

 

Um por Todos e Todos por Um! Agradecimentos à Multidão que Faz Acontecer!

Acho que conseguimos fazer algo sensacional. E aparentemente inédito também. Eu já disse em outro post o quão somos todos poderosos com a internet, e foi com esse incrível poder Рquase utópico Рque conseguimos ser (pelo o que tudo indica) o primeiro projeto de ciência brasileiro a ser financiado com sucesso por crowdfunding, com incríveis 109% financiados.

At√© agora n√£o caiu a ficha que conseguimos quase cerca de 6000 reais em um m√™s e meio. Me lembro do dia em que cheguei no meu apartamento e disse aos meus colegas: “Cara, eu preciso de 2700 d√≥lares nos pr√≥ximos dois meses!” (antes de me explicar acharam que estava envolvido com algum tipo de m√°fia de agiotas).
Eu n√£o fazia a m√≠nima ideia de como arrumar esse dinheiro. Parecia imposs√≠vel. T√≠nhamos ca√≠do em uma grande “sinuca financeira” ao tentar pedir financiamento pela universidade para um projeto que n√£o se encaixa direito em quase nenhum dos programas de apoio que ela oferece. Essa √© a sina da inova√ß√£o: n√£o existe nada pr√©-definido para aquilo que √© novo. Bem, como est√°vamos fazendo algo novo, porque ent√£o n√£o sair do √≥bvio? Porque esperar sempre apoio das mesmas fontes de financiamento que ditam o que pode e o que n√£o pode ser feito? Foi a√≠ que o Hotta¬†me veio com a intrigante ideia: “Porque voc√™s n√£o tentam financiamento por esse site aqui?”. Desde ent√£o descobri que al√©m de algo chamado crowsourcing, existe algo t√£o velho quanto o imposto de renda (s√≥ que um pouco diferente) chamado crowdfunding, o financiamento pela multid√£o.

Sem saber a dificuldade de tal tarefa, simplesmente criei uma p√°gina de financiamento no RocketHub (o site de crowdfunding que usamos) para um projeto brasileiro de Biologia Sint√©tica. De novo: brasileiro e em algo chamado Biologia Sint√©tica. Como fazer a multid√£o se interessar por esse projeto dentre v√°rios outros bem mais atrativos envolvendo m√ļsica, filmes, arte e etc? Estereotipando, √©ramos um projetinho latinoamericano nerd junto de v√°rios outros gringos, super chamativos e descolados. Eu n√£o sabia em que estava me metendo. Talvez seja por isso que a ficha ainda n√£o caiu depois que tudo deu certo. Voc√™ tab√©m n√£o iria acreditar na quantidade de pessoas que existem a√≠ fora dispostas a apoiar suas ideias.

Seguimos √† risca as recomenda√ß√Ķes que o site d√° para conseguir os projetos financiados: entrar em contato primeiro um c√≠rculo de pessoas diretamente relacionadas conosco e depois com um c√≠rculo de pessoas desconhecidas. O engra√ßado √© que ficou tudo misturado. Ao mesmo tempo que apareciam pessoas totalmente n√£o-relacionadas com qualquer pessoa do grupo, apareciam amigos e parentes dando uma engordada na vaquinha online.

Em cada email que recebia com uma quantia de dinheiro, independente da quantia que fosse, era como um pequeno presente de natal fora de √©poca. Mais do que pessoas dando dinheiro a n√≥s, t√≠nhamos pessoas acreditando no nosso projeto, acreditando em n√≥s. √Č aquele tipo de coisa que os cart√Ķes de cr√©dito nos ensinaram muito bem que n√£o tem pre√ßo. √Č principalmente por isso que por mais que eu escreva, n√£o vou encontrar palavras para agradecer esse apoio de todos deram, seja de amigo, parente, professor, blogueiro, empresa, escritor, entusiasta e parceiro do grupo. Fomos muito al√©m da expectativa mais otimista que t√≠nhamos. Estamos muito mais motivados, felizes e com certeza de toda a responsabilidade que temos agora, que al√©m de representar nosso pa√≠s na maior competi√ß√£o de Biologia Sint√©tica do mundo, √© fazer todos os apoiadores tamb√©m merecedores (al√©m dos rewards, √© claro) do sucesso que tivermos. Mas por enquanto gostar√≠amos muito de dizer:

Joana Guiro, Tania, Douglas Domingues, Cristiano Breuel, Kathleen Raven, Elias de A. Rodrigues, Renilda Souza, Roseane Souza, Adriana Marcelino Escarabichi, Regivaldo, Bruno Vellutini, Cleandho, Cristina Caldas, Luis Brudna, Daniel Ariano, Bernardo Lemos, Silv√©rio Flora Filho, Alex Gorshkov, Shridhar Jayanthi, Carlos Gustavo, Marcus Nunes, Carlos Hotta, Gilberto, Andr√©s Ochoa, Blog Blabos de Blebe, Mateus Schriener G. Lopes, Mariana Machado de Paula Albuquerque, Jean Marcel Duvoisin Schmidt, D√©bora Pimentel, Andre Pimenta Freire, Rafael Calsaverini, Bruno de Medeiros, Integrated DNA Technologies (IDT), Felipe (phi!), Carolina Carrijo, Rafael Tuma Guariento, F√°bio Cespedes, Carolina Menezes Silverio, Konrad F√∂rstner, Francisco Camargo (Chico!), Cl√°udia Chow, Roberto Takata, e o Instituto de Pesquisas Sociais, Pol√≠ticas e Econ√īmicas…

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H√° ainda muito trabalho pela frente e v√°rios outros desafios a serem encarados, mas esse nosso primeiro sucesso tang√≠vel j√° est√° ganhando repercuss√£o em alguns lugares, como no blog sobre ci√™ncia da revista piau√≠ (“De gr√£o em gr√£o“) e no blog do pr√≥prio RocketHub (“Brazilian Science Dreams Comes Alive” e “A RocketHub Story: Dreamers Don’t Blink“). Espero que essa moda gringa pegue por aqui, e que ainda possamos ver no Brasil v√°rios projetos cient√≠ficos criativos mais livres, abertos e poss√≠veis com crowdfunding, sem depender muito dos programas pr√©-formatados de apoio √† pesquisa e desenvolvimento. Afinal, como j√° disse no nosso v√≠deo promocial: “Because when you help science, you help everyone!”.

OBS: agora eu tenho uma exclusiva “Wings Badge” no RocketHub! A melhor badge que j√° ganhei! ūüėÄ