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Resolvendo um enigma que tem confundido os biólogos desde que os esporos bacterianos – bactérias inertes e adormecidas – foram descritos pela primeira vez há mais de 150 anos, pesquisadores da Harvard Medical School descobriram um novo tipo de sensor celular que permite que os esporos detectem a presença de nutrientes em seu ambiente e rapidamente voltam à vida.
Acontece que esses sensores funcionam como canais através da membrana e permanecem fechados durante a dormência, mas abrem rapidamente quando detectam nutrientes. Uma vez abertos, os canais permitem que os íons carregados eletricamente fluam para fora da membrana celular, colocando em movimento o derramamento de camadas protetoras de esporos e a ativação de processos metabólicos após anos – ou mesmo séculos – de dormência.
As descobertas da equipe, publicadas em 28 de abril na Ciênciapoderia ajudar a informar o projeto de maneiras de evitar que esporos bacterianos perigosos permaneçam inativos por meses, até anos, antes de acordar novamente e causar surtos.
“Esta descoberta resolve um quebra-cabeça que tem mais de um século”, disse o autor sênior do estudo, David Rudner, professor de microbiologia no Instituto Blavatnik da HMS. “Como as bactérias percebem as mudanças em seu ambiente e agem para sair da dormência quando seus sistemas estão quase completamente desligados dentro de um invólucro protetor?”
Como as bactérias adormecidas voltam à vida
Para sobreviver a condições ambientais adversas, algumas bactérias entram em dormência e se tornam esporos, com processos biológicos suspensos e camadas de armadura protetora ao redor da célula.
Essas minifortalezas biologicamente inertes permitem que as bactérias esperem os períodos de fome e se protejam dos estragos do calor extremo, períodos de seca, radiação ultravioleta, produtos químicos agressivos e antibióticos.
Por mais de um século, os cientistas sabem que, quando os esporos detectam nutrientes em seu ambiente, eles rapidamente eliminam suas camadas protetoras e reativam seus motores metabólicos. Embora o sensor que permite detectar nutrientes tenha sido descoberto há quase 50 anos, o meio de fornecer o sinal de despertar e como esse sinal desencadeia o renascimento bacteriano permaneceu um mistério.
Na maioria dos casos, a sinalização depende da atividade metabólica e geralmente envolve genes que codificam proteínas para produzir moléculas de sinalização específicas. No entanto, todos esses processos são interrompidos dentro de uma bactéria adormecida, levantando a questão de como o sinal induz a bactéria adormecida a acordar.
Neste estudo, Rudner e sua equipe descobriram que o próprio sensor de nutrientes se monta em um conduíte que abre a célula de volta para os negócios. Em resposta aos nutrientes, o conduíte, um canal de membrana, se abre, permitindo que os íons escapem do interior do esporo. Isso inicia uma cascata de reações que permitem que a célula dormente se livre de sua armadura protetora e retome o crescimento.
Os cientistas usaram vários caminhos para seguir as voltas e reviravoltas do mistério. Eles implantaram ferramentas de inteligência artificial para prever a estrutura do complexo sensor intrincadamente dobrado, uma estrutura feita de cinco cópias da mesma proteína sensora. Eles aplicaram o aprendizado de máquina para identificar as interações entre as subunidades que compõem o canal. Eles também usaram técnicas de edição de genes para induzir bactérias a produzir sensores mutantes como uma forma de testar como as previsões baseadas em computador se desenrolavam em células vivas.
“O que eu amo na ciência é quando você faz uma descoberta e, de repente, todas essas observações díspares que não fazem sentido se encaixam”, disse Rudner. “É como se você estivesse trabalhando em um quebra-cabeça e descobrisse onde uma peça vai e de repente você pode encaixar mais seis peças muito rapidamente.”
Rudner descreveu o processo de descoberta neste caso como uma série de observações confusas que lentamente tomaram forma, graças a uma equipe de pesquisadores com diversas perspectivas trabalhando juntos em sinergia.
Ao longo do caminho, eles continuaram fazendo observações surpreendentes que os confundiam, dicas que sugeriam respostas que não pareciam ser verdadeiras.
Costurando as pistas
Uma pista inicial surgiu quando Yongqiang Gao, um pesquisador do HMS no laboratório Rudner, estava conduzindo uma série de experimentos com o micróbio. Bacillus subtilis, comumente encontrado no solo e um primo da bactéria que causa o antraz. Gao introduziu genes de outras bactérias que formam esporos em B. subtilis para explorar a ideia de que as proteínas incompatíveis produzidas interfeririam na germinação. Para sua surpresa, Gao descobriu que, em alguns casos, os esporos bacterianos despertavam perfeitamente com um conjunto de proteínas de uma bactéria distantemente relacionada.
Lior Artzi, um pós-doutorando no laboratório na época desta pesquisa, apresentou uma explicação para a descoberta de Gao. E se o sensor fosse uma espécie de receptor que funcionasse como um portão fechado até detectar um sinal, no caso um nutriente como um açúcar ou um aminoácido? Uma vez que o sensor se liga ao nutriente, o portão se abre, permitindo que os íons fluam para fora do esporo.
Em outras palavras, as proteínas de bactérias distantemente relacionadas não precisariam interagir com proteínas incompatíveis. B. subtilis proteínas do esporo, mas simplesmente respondem a mudanças no estado elétrico do esporo quando os íons começam a fluir.
Rudner foi inicialmente cético em relação a essa hipótese porque o receptor não se encaixava no perfil. Não tinha quase nenhuma das características de um canal iônico. Mas Artzi argumentou que o sensor pode ser feito de várias cópias da subunidade trabalhando juntas em uma estrutura mais complexa.
AI entrou no chat
Outro pós-doutorando, Jeremy Amon, um dos primeiros a adotar o AlphaFold, uma ferramenta de IA que pode prever a estrutura de proteínas e complexos de proteínas, também estudava a germinação de esporos e estava preparado para investigar o sensor de nutrientes.
A ferramenta previu que uma subunidade específica do receptor se monta em um anel de cinco unidades conhecido como pentâmero. A estrutura prevista incluía um canal no meio que poderia permitir que os íons passassem pela membrana do esporo. A previsão da ferramenta de IA era exatamente o que Artzi suspeitava.
Gao, Artzi e Amon se uniram para testar o modelo gerado por IA. Eles trabalharam em estreita colaboração com um terceiro pós-doutorado, Fernando Ramírez-Guadiana e os grupos de Andrew Kruse, professor de química biológica e farmacologia molecular da HMS, e a bióloga computacional Deborah Marks, professora associada de biologia de sistemas da HMS.
Eles projetaram esporos com subunidades receptoras alteradas previstas para ampliar o canal da membrana e descobriram que os esporos despertaram na ausência de sinais de nutrientes. Por outro lado, eles geraram subunidades mutantes que previram que estreitariam a abertura do canal. Esses esporos falharam em abrir o portão para liberar íons e despertar da estase na presença de nutrientes suficientes para persuadi-los a sair da dormência.
Em outras palavras, um ligeiro desvio da configuração prevista do complexo dobrado poderia deixar o portão aberto ou fechado, tornando-o inútil como ferramenta para despertar as bactérias adormecidas.
Implicações para a saúde humana e segurança alimentar
Entender como as bactérias dormentes voltam à vida não é apenas um quebra-cabeça intelectualmente tentador, disse Rudner, mas com implicações importantes para a saúde humana. Várias bactérias que são capazes de entrar em dormência profunda por períodos de tempo são patógenos perigosos, até mesmo mortais: a forma branca em pó do antraz armado é composta de esporos bacterianos.
Outro patógeno formador de esporos perigoso é Clostridioides difficile, que causa diarreia e colite com risco de vida. doença de C. difícil normalmente ocorre após o uso de antibióticos que matam muitas bactérias intestinais, mas são inúteis contra esporos dormentes. Depois do tratamento, C. difícil desperta da dormência e pode florescer, muitas vezes com consequências catastróficas.
A erradicação dos esporos também é um desafio central nas fábricas de processamento de alimentos porque as bactérias adormecidas podem resistir à esterilização devido à sua armadura protetora e estado desidratado. Se a esterilização não for bem-sucedida, a germinação e o crescimento podem causar sérias doenças transmitidas por alimentos e enormes perdas financeiras.
Compreender como os esporos sentem os nutrientes e saem rapidamente da dormência pode permitir que os pesquisadores desenvolvam maneiras de desencadear a germinação precocemente, tornando possível esterilizar as bactérias ou bloquear a germinação, mantendo as bactérias presas dentro de suas conchas protetoras, incapazes de crescer, reproduzir e estragar os alimentos. ou causar doença.
Autoria, financiamento, divulgações
Autores adicionais incluem Kelly Brock e Joshua Cofsky, da HMS.
O suporte para este trabalho vem das concessões do National Institutes of Health GM086466, GM127399, GM122512, AI171308 (DZR), AI164647 (DZR, ACK, DSM) e fundos da Harvard Medical School Dean’s Initiative. Amon foi financiado pelo National Institutes of Health conceder F32GM130003. Artzi foi bolsista da Simons Foundation da Life Sciences Research Foundation.
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