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Os bacteriófagos, vírus que atacam e destroem bactérias, estão por toda parte no mundo natural, onde desempenham um papel vital na regulação das populações de micróbios de formas que ainda não são bem compreendidas.
Uma nova pesquisa liderada pela Universidade de Utah e pela University College London (UCL) descobriu que os patógenos bacterianos de plantas são capazes de reaproveitar elementos de seus próprios bacteriófagos, ou fagos, para eliminar micróbios concorrentes. Estas descobertas surpreendentes sugerem que tais elementos derivados de fagos poderão algum dia ser aproveitados como uma alternativa aos antibióticos, de acordo com Talia Karasov, professora assistente na Escola de Ciências Biológicas dos EUA.
Este resultado não era o que ela esperava encontrar quando embarcou nesta investigação com uma equipa internacional de cientistas.
Os agentes patogénicos microbianos estão por todo o lado, mas apenas numa fracção das vezes adoecem os seres humanos, outros animais ou plantas, de acordo com Karasov, cujo principal interesse de investigação está nas interacções entre plantas e agentes patogénicos microbianos. O laboratório Karasov está procurando compreender os fatores que levam a doenças e epidemias em vez de manter os patógenos sob controle.
Em suas pesquisas anteriores o laboratório analisou como um patógeno bacteriano específico Pseudomonas viridiflava, manifesta-se em ambientes agrícolas e silvestres. Em terras cultivadas, descobriram eles, uma variante se espalharia amplamente em um campo de cultivo e se tornaria o micróbio dominante presente. Mas esse não foi o caso em terras não cultivadas, o que levou Karasov a descobrir o porquê.
“Vemos que nenhuma linhagem única de bactérias pode dominar. Nós nos perguntamos se os fagos, os patógenos de nossos patógenos bacterianos, poderiam impedir a propagação de linhagens únicas – talvez os fagos estivessem matando algumas cepas e não outras. Foi aí que nosso estudo começou, mas não foi aí que tudo acabou”, disse Karasov. “Examinamos os genomas de patógenos bacterianos de plantas para ver quais fagos os estavam infectando. Mas não foi o fago que descobrimos que era interessante. A bactéria pegou um fago e o redirecionou para a guerra com outras bactérias, agora usando-o para matar bactérias concorrentes.”
De acordo com seu estudo publicado esta semana em Ciência, o patógeno adquire elementos dos fagos na forma de aglomerados não autorreplicantes de fagos reaproveitados chamados tailocinas, que penetram nas membranas externas de outros patógenos e os matam. Depois de descobrir esta guerra contínua nas populações de patógenos bacterianos, o laboratório Karasov e o laboratório de Hernán Burbano na UCL exploraram os genomas de patógenos modernos e históricos para determinar como as bactérias evoluem para atingir umas às outras.
“Você pode imaginar uma corrida armamentista entre as bactérias, onde elas tentam matar umas às outras e tentam desenvolver resistência umas às outras ao longo do tempo”, disse Burbano. “As amostras de herbário dos últimos 200 anos que analisamos forneceram uma janela para esta corrida armamentista, fornecendo informações sobre como as bactérias evitam ser mortas por seus concorrentes”.
Mineração de amostras de herbário em busca de seu DNA microbiano
Burbano foi pioneiro no uso de espécimes de herbário para explorar a evolução das plantas e seus patógenos microbianos. Seu laboratório sequencia os genomas das plantas hospedeiras e dos micróbios associados à planta no momento da coleta, há mais de um século.
Para a pesquisa de fagos, Burbano analisou espécimes históricos de Arabidopsis thaliana, uma planta da família da mostarda comumente chamada de agrião, coletada no sudoeste da Alemanha, comparando-os e os micróbios que abrigavam com plantas que crescem hoje na mesma parte da Alemanha.
“Descobrimos que todas as tailocinas históricas estavam presentes no nosso conjunto de dados atual, sugerindo que a evolução manteve a diversidade das variantes da tailocina ao longo do século”, disse ele. “Isso provavelmente indica um conjunto finito de possíveis mecanismos de resistência/sensibilidade dentro da nossa população bacteriana estudada.
A autora principal, Talia Backman, questiona se as tailocinas poderiam ajudar a resolver a crise iminente de resistência aos antibióticos observada em bactérias nocivas que infectam humanos.
“Nós, como sociedade, necessitamos urgentemente de novos antibióticos, e as tailocinas têm potencial como novos tratamentos antimicrobianos”, disse Backman, um estudante de pós-graduação no laboratório Karasov. “Embora as tailocinas tenham sido encontradas anteriormente em outros genomas bacterianos e tenham sido estudadas em laboratório, seu impacto e evolução em populações bacterianas selvagens não eram conhecidos. O fato de termos descoberto que todos esses patógenos de plantas selvagens têm tailocinas e essas tailocinas estão evoluindo matar bactérias vizinhas mostra o quão importantes elas podem ser na natureza.”
Tal como a maioria dos pesticidas, muitos dos nossos antibióticos foram desenvolvidos há décadas para matar uma vasta gama de organismos prejudiciais, que são prejudiciais e benéficos para a saúde humana e vegetal. As tailocinas, por outro lado, têm maior especificidade do que a maioria dos antibióticos modernos, matando apenas algumas cepas selecionadas de bactérias, sugerindo que poderiam ser implantadas sem causar resíduos em comunidades biológicas inteiras.
“Esta é uma pesquisa básica neste momento, ainda não pronta para aplicação, mas acho que há um bom potencial de que isso possa ser adaptado para o tratamento de infecções”, disse Karasov. “Nós, como sociedade, na forma como tratamos as pragas na agricultura e os patógenos bacterianos em humanos, usamos tratamentos uniformes e de amplo espectro. A especificidade da morte da tailocina é uma maneira que você poderia imaginar fazendo tratamentos mais personalizados.”
Intitulado “Uma bacteriocina semelhante à cauda do fago suprime concorrentes em metapopulações de bactérias patogênicas”, o estudo foi publicado na edição de 14 de junho da revista Ciência. A pesquisa foi apoiada pelos Institutos Nacionais de Saúde, fundos iniciais da Universidade de Utah, Leverhulme Trust e Royal Society. Participaram da pesquisa com a Escola de Ciências Biológicas da U a University College London, o Instituto Max Planck de Biologia, o Laboratório de Treinamento e Serviços Analíticos do Centro de Pesquisa de Carboidratos Complexos da Universidade da Geórgia, da Universidade de Nova York, do Departamento de Bioquímica da U’s e Lawrence Laboratório Nacional de Berkeley.
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