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