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As bactérias vivem em quase todos os habitats da Terra, incluindo no solo, na água, em fontes termais ácidas e até mesmo em nossas próprias entranhas.
Muitos estão envolvidos em processos fundamentais como fermentação, decomposição e fixação de nitrogênio. Mas os cientistas não compreendem um processo fundamental dentro das células bacterianas: como elas se organizam antes da divisão.
Dirigir vs. surfar
Quando as células se dividem, a célula se divide em duas “células filhas” com o mesmo material genético da célula original.
Durante esse processo, o DNA e outros componentes celulares se replicam e então essa “carga” é enviada para lados opostos da célula.
Depois que tudo estiver no lugar, a célula se divide ao meio para formar duas células-filhas idênticas.
A maneira como os eucariotos (o tipo de célula encontrado em animais, plantas, fungos e alguns organismos unicelulares) transportam carga celular é bem conhecida. Os motores proteicos percorrem “rodovias” feitas de proteínas chamadas filamentos de actina e microtúbulos para puxar o DNA e as organelas para lados opostos da célula.
As bactérias não possuem microtúbulos ou filamentos de actina, mas ainda conseguem coordenar o movimento dentro da célula.
Quando estudante, Anthony Vecchiarelli, Ph.D., achou surpreendente que “não sabemos como as coisas se movem dentro de uma célula em todo um domínio da vida”.
Agora membro afiliado do corpo docente do Departamento de Química Biológica da Faculdade de Medicina da Universidade de Michigan e professor assistente do Departamento de Biologia Molecular, Celular e do Desenvolvimento da Universidade de Michigan, Vecchiarelli, juntamente com uma equipe de pesquisadores, conduziu um estudo para entender melhor a organização e a coordenação do movimento. dentro de uma célula bacteriana.
Os pesquisadores da Universidade de Michigan descobriram que algumas bactérias enviam carga celular “navegando” ao longo de proteínas chamadas ATPases ParA/MinD.
Essas proteínas, ou “sistemas de posicionamento”, são até dedicadas ao transporte de um único componente celular – cada carga tem sua própria “prancha de surf”.
Esses movimentos, ou “reações de posicionamento”, podem influenciar-se mutuamente, dando uma pista de como as bactérias coordenam movimentos complexos na célula antes de sua divisão.
Os resultados são publicados em Natureza Comunicações.
Uma bactéria modelo
Para conseguir isso, a equipe de pesquisa teve primeiro que encontrar uma bactéria para estudar porque as espécies modelo normalmente usadas em pesquisas para compreender os processos biológicos não possuem muitos sistemas de posicionamento.
“Muitos dos modelos que usamos para entender como as bactérias funcionam sugerem que não havia realmente nenhuma organização complexa para todas essas cargas”, disse Vecchiarelli.
“Existem algumas bactérias como as velhas E. coli que parece segregar seus cromossomos sem um sistema de segregação ativo.”
O uso de técnicas de bioinformática para filtrar informações genéticas de bactérias foi o primeiro passo para determinar a prevalência de sistemas de posicionamento ativo.
“Descobrimos que mais de um terço de todas as bactérias sequenciadas codificam múltiplos sistemas de posicionamento para múltiplas cargas diferentes na mesma célula. E. coli é uma exceção à norma”, disse Vecchiarelli.
A equipe de pesquisa selecionou uma bactéria chamada Halothiobacillus neapolitanus estudar, pois possui sete sistemas de posicionamento diferentes para sete cargas diferentes.
A estudante de pós-graduação de Vecchiarelli, Lisa T. Pulianmackal, aprendeu como cultivar essa espécie bacteriana em laboratório e rotular fluorescentemente cinco cargas, permitindo aos pesquisadores acompanhar seu movimento em células vivas através do crescimento e divisão celular.
Ela então excluiu cada sistema de posicionamento para mostrar como cada um é dedicado a uma carga específica.
O próximo passo foi a abordagem em nível de sistemas para ver como esses movimentos de carga interagem entre si.
Abordagem de biologia de sistemas
Freqüentemente, os pesquisadores se concentram em um único processo biológico. Eles fazem uma mutação e depois verificam se esse processo específico foi influenciado. Esta abordagem pode ignorar as consequências indiretas dessa mutação.
Este estudo é um dos primeiros a utilizar uma abordagem de biologia de sistemas na organização espacial em uma célula bacteriana.
“Descobrimos que há muitas interferências, interdependências e coordenação entre esses processos de organização”, disse Vecchiarelli. “É por isso que a abordagem da biologia de sistemas é tão importante.”
Aplicações futuras
Os resultados oferecem novas perspectivas interessantes em desenvolvimentos biotecnológicos.
Cada sistema de posicionamento é composto por uma ATPase e sua proteína adaptadora, ou prancha de surf, que se conecta à carga. Isto oferece uma oportunidade de desenvolver uma ferramenta de biologia sintética que permite aos pesquisadores posicionar qualquer carga que escolherem, conectando-se ao adaptador.
“Agora que identificamos cinco sistemas de posicionamento diferentes que funcionam juntos, esperamos desenvolver um conjunto de ferramentas de biologia sintética para posicionar uma ampla variedade de cargas sintéticas e naturais em bactérias para aplicações biotecnológicas”, explicou Vecchiarelli.
Os pesquisadores também planejam investigar o movimento de carga em micróbios clinicamente relevantes, como patógenos ou bactérias causadoras de doenças.
“Para patógenos bacterianos, entender como quebrar a prancha de surf pode nos ajudar a desenvolver novos antibióticos”, disse Vecchiarelli.
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