As bactérias se comunicam usando sinais químicos comparáveis ​​às ondas de rádio

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Bactérias Pseudomonas aeruginosa

Os cientistas mostraram que a bactéria Pseudomonas aeruginosa se comunica usando sinais químicos análogos aos sinais de rádio para ajudar as células a se unir e formar comunidades. Crédito: Janice Haney Carr/CDC

Estudo liderado pela UCLA pode ter implicações para pesquisas médicas e de sustentabilidade.

A ideia de bactérias se unirem para formar uma comunidade socialmente organizada capaz de cooperação, competição e comunicação sofisticada pode parecer à primeira vista coisa de ficção científica – ou simplesmente grosseira.

Mas as comunidades de biofilmes têm implicações importantes para a saúde humana, desde causar doenças até ajudar na digestão. E eles desempenham um papel em uma série de tecnologias emergentes destinadas a proteger o meio ambiente e gerar energia limpa.

Novas pesquisas lideradas pela UCLA podem fornecer aos cientistas insights que os ajudarão a cultivar micróbios úteis ou eliminar os perigosos das superfícies onde os biofilmes se formaram – inclusive em tecidos e órgãos do corpo humano. O estudo, publicado no Anais da Academia Nacional de Ciências, descreve como, quando os biofilmes se formam, as bactérias se comunicam com seus descendentes usando um sinal químico análogo às transmissões de rádio.

Os pesquisadores mostraram que os níveis de concentração de uma molécula mensageira chamada diguanilato cíclico, ou c-di-GMP, podem aumentar e diminuir em padrões bem definidos ao longo do tempo e ao longo de gerações de bactérias. As células bacterianas empregam essas ondas de sinais químicos, descobriu o estudo, para codificar informações para seus descendentes que ajudam a coordenar a formação de colônias.

Nesse fenômeno, se uma determinada célula se liga a uma superfície é influenciada pela forma específica dessas oscilações – assim como a maneira como as informações são armazenadas nas ondas de rádio AM e FM.

“Como essas oscilações orquestram o que toda a linhagem faz, um grande número de células é controlado ao mesmo tempo com esses sinais”, disse o autor correspondente Gerard Wong, professor de bioengenharia da Escola de Engenharia da UCLA Samueli e de química e bioquímica na o UCLA College e membro do California NanoSystems Institute da UCLA. “Isso significa que potencialmente temos um novo botão para controlar ou ajustar a formação de biofilme, que funciona como comunicação em massa para bactérias”.

Interromper a formação de biofilmes pode salvar vidas em certos cenários, como combater as infecções que revestem o revestimento dos pulmões em pessoas com fibrose cística.

Em outras situações, aumentar a capacidade de cultivar biofilmes seria útil – fortalecer colônias de bactérias “boas” no intestino humano para ajudar na digestão, por exemplo, ou para proteger as pessoas de micróbios causadores de doenças. E cientistas e engenheiros, incluindo vários da UCLA, estão trabalhando para desenvolver biofilmes bacterianos que podem quebrar o plástico, consumir resíduos industriais ou até mesmo gerar eletricidade em uma célula de combustível.

O estudo acrescenta novas dimensões à compreensão científica dos mecanismos que levam aos biofilmes. O paradigma atual, estabelecido nos últimos 20 anos, sustenta que quando uma bactéria detecta uma superfície, essa célula começa a produzir c-di-GMP, que por sua vez faz com que a bactéria se ligue à superfície. De fato, as células do biofilme geralmente têm níveis mais altos de c-di-GMP do que as células bacterianas que se movem muito.

A pesquisa de biofilme com foco na capacidade das bactérias de se comunicar de uma geração para outra foi iniciada pelo primeiro autor Calvin Lee, pesquisador de pós-doutorado da UCLA, juntamente com Wong e seus colegas de equipe, em uma publicação de 2018. No estudo atual, a equipe elucida como as bactérias se comunicam sobre a existência de uma superfície usando sinais c-di-GMP: ondas de sinal de diferentes alturas e diferentes frequências podem ser transmitidas por uma célula para seus descendentes.

Esses sinais químicos são análogos, respectivamente, ao rádio AM — modulação em amplitude, que codifica um determinado sinal com base na amplitude, ou altura, de uma onda de rádio — e ao rádio FM — modulação em frequência, que codifica os sinais pelo número de oscilações no onda em um determinado período de tempo.

Com técnicas de análise tipicamente usadas em big data e inteligência artificial, os pesquisadores identificaram três fatores importantes que controlam a formação do biofilme: os níveis médios de c-di-GMP, a frequência de oscilações nos níveis de c-di-GMP e o grau de movimento celular na superfície onde o biofilme está se formando.

“O paradigma existente é que uma entrada produz uma saída, com níveis crescentes de sinal levando à formação de biofilme”, disse Lee. “Estamos propondo que múltiplas entradas eventualmente levem à mesma saída, e que as bactérias podem deixar mensagens duradouras para seus descendentes. Você precisa olhar para mais coisas para ter uma visão completa.”

Referência: “A transmissão de sinais c-di-GMP modulados em amplitude e frequência facilita o comprometimento cooperativo de superfície em linhagens bacterianas” por Calvin K. Lee, William C. Schmidt, Shanice S. Webster, Jonathan W. Chen, George A. O ‘Toole e Gerard CL Wong, 25 de janeiro de 2022, Anais da Academia Nacional de Ciências.
DOI: 10.1073/pnas.2112226119

Outros co-autores do estudo são os estudantes de pós-graduação William Schmidt e Jonathan Chen da UCLA, e o estudante de pós-graduação Shanice Webster e o professor George O’Toole do Dartmouth College.

O estudo foi apoiado pelo National Institutes of Health, o Army Research Office e a National Science Foundation.





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