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As bactérias adoram superfícies úmidas. Uma vez que se estabeleceram lá, eles não vivem como organismos solitários, mas formam comunidades maiores que são incorporadas em uma película protetora. Esses biofilmes são encontrados em várias superfícies, por exemplo, em casa em interruptores de luz, no banheiro, em brinquedos ou teclados, em carrinhos de compras ou caixas eletrônicos que muitas pessoas tocam com as mãos. Isso pode levar a infecções de contato. As bactérias, como a bactéria patogênica Pseudomonas aeruginosa, são muitas vezes persistentes e desafiam o próprio sistema imunológico do corpo ou biocidas químicos. As abordagens de pesquisa atuais estão, portanto, tentando impedir a colonização bacteriana das superfícies dos materiais ou, pelo menos, torná-la mais difícil. Uma equipe da Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) e do Instituto Federal Alemão de Hidrologia (BfG) em Koblenz desenvolveu uma nova abordagem usando nanopartículas de céria.
Moléculas de sinalização modificadas impedem a formação de biofilmes
Para a vida bacteriana nas comunidades, é importante que as células individuais “conversem” umas com as outras. A comunicação prossegue de forma não-verbal com a ajuda de moléculas sinalizadoras que são continuamente emitidas para o ambiente, podendo ocorrer diferentes “línguas” e “dialetos” dependendo da bactéria específica. À medida que a concentração bacteriana aumenta, também aumenta a concentração das moléculas sinalizadoras. Isso permite que as bactérias detectem o número de outras bactérias em seu ambiente e ativem processos que permitem a formação de biofilmes.
Para evitar a colonização com biofilmes bacterianos, vários hospedeiros se defendem com uma estratégia que “silencia” as bactérias modificando enzimaticamente as moléculas sinalizadoras. Isso é feito, por exemplo, com a ajuda de haloperoxidases, um grupo de enzimas que halogenam moléculas sinalizadoras por meio de uma complexa cadeia de reação.
Essas moléculas de sinalização modificadas têm uma estrutura semelhante às moléculas originais e ainda podem se ligar a receptores. No entanto, eles não podem mais ativar as cadeias de processo que levam à formação de biofilme. Essa interferência na regulação de genes bacterianos também é de interesse farmacológico, pois bactérias patogênicas podem evadir o ataque da defesa imunológica ou o efeito de antibióticos formando biofilmes.
Nanopartículas de Ceria assumem a função de enzimas naturais
Os pesquisadores de Mainz e Koblenz imitam esses processos com nanopartículas de dióxido de cério (CeO2). CEO2 nanopartículas são, como os pesquisadores explicam em seu recente artigo na ACS Nano, um substituto funcional para enzimas haloperoxidase. No entanto, os mecanismos moleculares subjacentes à inibição do biofilme são difíceis de desvendar em detalhes, porque não apenas ocorrem muitas reações competitivas em culturas bacterianas, mas também há um grande número de outras biomoléculas além das moléculas sinalizadoras halogenadas.
Os parceiros de cooperação de Mainz e Koblenz demonstram a participação catalítica enzimática-analógica do CeO2 nanopartículas através de uma análise da cascata de reação a nível molecular. As moléculas sinalizadoras halogenadas foram identificadas pela primeira vez em reações modelo. Em culturas bacterianas, sua detecção não foi possível diretamente porque os produtos estão sendo degradados muito rapidamente. No entanto, o processamento cromatográfico e a análise espectrométrica de massa revelaram inesperadamente a formação de mais moléculas sinalizadoras halogenadas da família das chamadas quinolonas. Isso mostra que o CeO2 as nanopartículas interferem nos processos biológicos assim como as enzimas nativas, modificando e inativando moléculas sinalizadoras.
Superfícies antibacterianas sem o risco de formação de resistência possível
“O dióxido de cério não é tóxico, quimicamente muito estável e está contido, por exemplo, em conversores catalíticos de escape de veículos modernos”, afirmou a Dra. Eva Pütz, que realizou sua tese de doutorado sobre este projeto. Ela está convencida de que o dióxido de cério é uma alternativa viável e econômica aos biocidas convencionais. “Uma aplicação prática de nossas descobertas é bloquear o crescimento bacteriano e prevenir infecções bacterianas”, disse ela. As moléculas de sinalização de quinolonas levam à formação de variantes de pequenas colônias na bactéria multirresistente Staphylococcus aureus, que muitas vezes são diagnósticas indetectáveis. Como as moléculas sinalizadoras de quinolonas halogenadas suprimem a formação de colônias, infecções perigosas por P. aeruginosa e S. aureuspor exemplo, pode ser prevenida com a ajuda de dispersões de tinta contendo CeO2 nanopartículas”, acrescentou o Dr. Athanasios Gazanis, que investigou os aspectos microbiológicos em sua tese de doutorado.
“Aqui temos um componente ambientalmente compatível para uma nova geração de superfícies antibacterianas que imitam o sistema de defesa da natureza. Mais importante, ele funciona não só no laboratório, mas também no uso diário”, destacou Nils Keltsch, que realizou a análise de traços biológicos em sua tese de doutorado.
O perigo no combate aos biofilmes com biocidas e antibióticos é a formação de resistência. No entanto, isso pode ser contornado de maneira ecologicamente correta por revestimento de polímeros com CeO2 nanopartículas.
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