Sinalização bacteriana através do biofilme afetada pela estrutura da superfície – Strong The One

Semelhante à forma como as células dos tecidos humanos se comunicam e funcionam juntas como um todo, as bactérias também são capazes de se comunicar umas com as outras por meio de sinais químicos, um comportamento conhecido como sinalização de quorum (QS). Esses sinais químicos se espalham por um biofilme que as colônias de bactérias formam depois de atingirem uma certa densidade e são usados ​​para ajudar as colônias a eliminar alimentos, bem como se defender contra ameaças, como antibióticos.

“O QS os ajuda a construir infraestrutura ao seu redor, como uma cidade”, descreveu Dharmesh Parmar, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Jonathan Sweedler (CABBI/BSD/MMG), James R. Eiszner Family Endowed Chair no departamento de química. “Os biofilmes têm canais que permitem a passagem de nutrientes e informações na forma de sinais químicos. Eles também permitem a comunicação cruzada entre as colônias se houver uma ameaça ou estresse no ambiente.”

A formação de biofilme e a subsequente resistência a antibióticos podem ser especialmente perigosas para pessoas com imunidade enfraquecida ou com doenças como fibrose cística (FC), que leva a uma superfície de muco estagnado dentro dos pulmões, à qual as bactérias podem se fixar mais facilmente. Para entender melhor quais fatores de superfície influenciam ou potencialmente inibem a formação de biofilme na presença de antibióticos, pesquisadores do laboratório Sweedler da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, juntamente com colaboradores da Universidade de Notre Dame, mediram a taxa de formação de biofilme via QS em uma bactéria comumente adquirida em infecções hospitalares, Pseudomonas aeruginosa.

P. aeruginosa forma biofilmes rapidamente em uma variedade de superfícies, o que acelera quando as colônias começam a se comunicar usando QS e dificulta o tratamento com antibióticos. Adicionalmente, P. aeruginosa pode variar na espessura do biofilme que produz. A cepa “mucoide” produz um biofilme mais espesso do que a cepa não mucóide e está frequentemente ligada a infecções em pacientes com FC, uma condição genética que aumenta a viscosidade do muco e o acúmulo nos pulmões.

No estudo, ambas as cepas foram cultivadas em superfícies fabricadas que variavam em estrutura, sendo uma uniforme ou “sem padrão” e a outra “padronizada” com blocos estriados. Os pesquisadores então mediram a rapidez com que as colônias foram capazes de começar a se comunicar com o QS enquanto cresciam na presença de antibióticos ou não. O QS foi detectado usando espectrometria de massa e imagem Raman, que mediu a presença de moléculas de sinalização associadas ao comportamento. A primeira coisa que os pesquisadores notaram foi que os antibióticos retardaram o crescimento de um biofilme e a produção de moléculas QS em ambas as cepas e tipos de estrutura. Em seguida, os pesquisadores descobriram que o tipo de superfície teve um grande efeito na cepa não mucóide, pois a estrutura padronizada foi associada a latências mais longas antes que a expressão das moléculas QS estivesse em seu pico. Este não foi o caso da cepa mucóide mais espessa.

“Embora o impacto do antibiótico retardando o crescimento do biofilme não tenha nos surpreendido, o impacto grande e diferencial na estrutura da superfície foi impressionante”, disse Sweedler.

“Na cepa não mucóide, o padrão de superfície teve um grande impacto nas propriedades do sinal QS”, acrescentou Parmar. “No caso do mucóide, a estrutura da superfície teve um impacto mínimo em suas assinaturas metabólicas”.

Os pesquisadores também exploraram como a distribuição das moléculas de sinalização QS diferia em diferentes partes do biofilme quando crescidas em uma superfície plana e expostas a antibióticos. Amostras foram retiradas do “biofilme estático”, onde o biofilme se liga à superfície, o “sobrenadante” ou meio líquido da cultura, e o “biofilme da película”, que se forma sobre o meio líquido e interage com o ar .

Os pesquisadores descobriram que o líquido sobrenadante e os biofilmes da película continham moléculas de sinalização associadas a uma resposta ao estresse, enquanto o biofilme estático não continha essas moléculas. Os pesquisadores acham que isso ocorre porque o componente líquido do biofilme é o que permite que as bactérias flutuem e iniciem novas colônias em outros lugares, mas no processo as bactérias também são expostas a situações ameaçadoras, como a presença de antibióticos.

Ao comparar o comportamento do QS durante o crescimento do biofilme nesses diferentes tratamentos, os pesquisadores podem entender melhor como e que tipo de moléculas essa espécie de bactéria usa e obter novos insights sobre o crescimento bacteriano.

“P. aeruginosa biofilme é bastante difícil de erradicar usando os antibióticos disponíveis atualmente, então nosso objetivo com este estudo foi entender quais são os fatores que governam o crescimento e a estabilidade desses biofilmes e como as bactérias escapam dessas estruturas do biofilme para colonizar novos locais”, explicou Parmar .

“As abordagens ricas em informações químicas e as técnicas analíticas que usamos nos permitiram investigar esses eventos moleculares complexos relacionados à formação de biofilmes no espaço e no tempo.” Sweedler explicou.

A equipe diz que o próximo passo é usar essas técnicas analíticas otimizadas para medir sinais QS em fatias pulmonares de ratos, em vez de estruturas fabricadas como as usadas no estudo atual. Porque P. aeruginosa é freqüentemente associado a infecções nos pulmões de pacientes com FC, entender como ele forma biofilmes nos pulmões pode ajudar os cientistas a projetar métodos para retardar ou prevenir o crescimento de bactérias nesses pacientes. Parmar descreveu que uma potencial aplicação futura poderia ser a engenharia de superfícies de dispositivos médicos para impedir a adesão bacteriana e a formação de biofilme. Essas descobertas também podem ser usadas para ajudar a prevenir a bioincrustação, que ocorre quando bactérias estragam ou degradam produtos e superfícies biológicas.