Desde que as pessoas descreveram pela primeira vez os esporos bacterianos - bactérias inertes e dormentes - há mais de 150 anos, pesquisadores da Harvard Medical School nos Estados Unidos resolveram um quebra-cabeça para biólogos em um novo estudo. Eles descobriram uma nova classe de proteínas de detecção celular que permitem que os esporos detectem nutrientes presentes em seu ambiente e restaurem rapidamente a vitalidade.
Foi provado que essas proteínas sensoriais são canais iônicos que passam pela membrana celular e permanecem fechados durante a dormência, mas abrem rapidamente quando detectam nutrientes. Uma vez abertos, esses canais iônicos permitem que íons carregados fluam para fora através da membrana celular, iniciando a liberação da camada protetora de esporos e iniciando processos metabólicos após anos ou mesmo séculos de dormência. Essas descobertas podem ajudar a projetar uma maneira de evitar que esporos bacterianos perigosos fiquem dormentes por meses ou mesmo anos e acordem novamente, levando ao surto de doenças. Os resultados relevantes da pesquisa foram publicados na edição de 28 de abril de 2023 do periódico Science, com o título "Receptores de redução de esporos de fundo são canais iônicos controlados por nutrientes".
David Rudner, autor correspondente do artigo e professor de microbiologia no Instituto Bravatnik da Escola Médica de Harvard, disse: "Esta descoberta resolveu um problema que existia há mais de um século. Quando os sistemas bacterianos estão quase completamente fechados nesta concha protetora, como as bactérias percebem as mudanças no ambiente e agem para quebrar a dormência?"
Como reviver bactérias adormecidas
Para sobreviver em condições ambientais desfavoráveis, algumas bactérias entram em um estado dormente e se tornam esporos. Os processos biológicos são suspensos, e suas células são cercadas por múltiplas camadas de conchas protetoras. Essas conchas protetoras inertes permitem que as bactérias esperem o fim da fome e se protejam do calor extremo, da seca, da radiação ultravioleta, de produtos químicos irritantes e de antibióticos.
Por mais de um século, os cientistas sabem que quando os esporos detectam nutrientes em seu ambiente, eles rapidamente removem suas conchas protetoras e reacendem seus motores metabólicos. Embora as proteínas sensoriais que os permitem detectar nutrientes tenham sido descobertas há quase 50 anos, o método de transmissão de sinais de despertar e como esse sinal desencadeia a recuperação bacteriana continua sendo um mistério.
Na maioria dos casos, a transdução de sinal depende da atividade metabólica e frequentemente envolve genes que codificam proteínas para fabricar moléculas de sinalização específicas. No entanto, esses processos são fechados dentro de bactérias dormentes, o que levanta a questão de como esse sinal induz bactérias dormentes a se recuperarem.
Neste novo estudo, Rudner e sua equipe descobriram que a própria proteína sensora de nutrientes se reúne em um conduíte, permitindo que as células bacterianas comecem a trabalhar novamente. Ao reagir aos nutrientes, este conduíte (um canal iônico de membrana) se abre, permitindo que os íons fluam para fora de dentro dos esporos. Isso inicia uma série de reações, fazendo com que as células dormentes removam sua casca protetora e retomem o crescimento.
Esses autores usaram vários métodos para rastrear as reviravoltas desse mistério. Eles implantaram ferramentas de inteligência artificial para prever a estrutura desse complexo complexo de proteínas sensoriais dobradas, consistindo em cinco cópias da mesma proteína sensora. Eles aplicam aprendizado de máquina para determinar as interações entre as subunidades que compõem esse canal iônico. Eles também usaram tecnologia de edição de genoma para induzir bactérias a produzir mutantes de proteínas sensoras, de modo a testar como a previsão baseada em computador funciona em células vivas.
Rudner disse: "Uma coisa que eu gosto na ciência é que quando você faz uma descoberta, todas essas observações irrelevantes de repente se tornam significativas. É como quando você está fazendo um quebra-cabeça, você encontra a posição de um quebra-cabeça, e de repente você pode rapidamente encaixar outras seis peças de quebra-cabeça
Rudner descreveu o processo de descoberta neste estudo como uma série de observações confusas que gradualmente tomaram forma, graças aos esforços colaborativos de um grupo de pesquisadores com diferentes perspectivas. Durante esse processo, eles constantemente tiveram observações surpreendentes e confusas, que sugeriam algumas respostas aparentemente impossíveis.
Juntando pistas
Quando o pesquisador do Laboratório Rudner Yongqiang Gao conduziu uma série de experimentos com Bacillus subtilis, uma pista inicial surgiu. Gao introduziu os genes de outras bactérias formadoras de esporos em Bacillus subtilis para explorar a ideia de que as proteínas incompatíveis produzidas por elas interfeririam na germinação dos esporos. Para sua surpresa, Gao descobriu que, em alguns casos, esporos bacterianos dormentes podem perfeitamente despertar após usar um conjunto de proteínas de bactérias distantes.
Durante este estudo, o pós-doutorado do Laboratório Rudner, Lior Artzi, forneceu uma explicação para a descoberta de Gao. Se este tipo de proteína sensora for um receptor, ele age como uma porta fechada antes de detectar um sinal (neste caso, um nutriente como açúcar ou aminoácido). Uma vez que tais proteínas sensoras se liguem aos nutrientes, elas se abrirão, permitindo que os íons fluam para fora dos esporos.
Em outras palavras, essas proteínas de bactérias com relações genéticas distantes não precisam interagir com proteínas de esporos incompatíveis de Bacillus subtilis, mas apenas respondem a mudanças no estado elétrico dos esporos quando os íons começam a fluir.
Rudner inicialmente manteve uma atitude cética em relação a essa hipótese, pois tais receptores não se encaixavam nessa característica. Eles quase não têm características de canais iônicos. No entanto, Artzi acredita que tais proteínas sensoriais podem ser compostas de múltiplas subunidades e trabalhar juntas em uma estrutura mais complexa.
A inteligência artificial mostra suas habilidades
Jeremy Amon, pós-doutorado do Laboratório Rudner, é um dos primeiros usuários do AlphaFold, uma ferramenta de inteligência artificial que pode prever a estrutura de proteínas e complexos proteicos.
Esta ferramenta de inteligência artificial prevê a montagem de uma subunidade específica do receptor em um anel pentâmero. A estrutura prevista inclui um canal localizado no meio que permite que os íons passem pela membrana do esporo. A previsão desta ferramenta de inteligência artificial coincide com o palpite de Artzi.
Gao, Artzi e Amon colaboraram posteriormente para testar esse modelo gerado por inteligência artificial. Eles trabalharam em estreita colaboração com o pós-doutorado Fernando Ramírez Guadiana do Rudner Lab, Andrew Kruse, professor de bioquímica e farmacologia molecular da Harvard Medical School, e Deborah Marks, professora associada de biologia de sistemas e bióloga computacional da Harvard Medical School.
Eles utilizaram as subunidades alteradas do receptor para modificar os esporos, que deveriam ampliar esse canal iônico da membrana e descobriram que os esporos despertariam sem sinais de nutrientes. Por sua vez, eles produziram subunidades mutantes do receptor, que eles previram que reduziriam o tamanho do poro do canal iônico. Esses esporos falharam em abrir o portão para liberar íons e foram incapazes de despertar de seu estado de repouso, mesmo quando nutrientes suficientes os induziram a se libertar da dormência.
Em outras palavras, um pequeno desvio da configuração prevista do complexo de proteínas sensoriais dobradas pode fazer com que a via iônica se abra ou feche, tornando-a inútil como ferramenta para despertar bactérias adormecidas.
Impacto na saúde humana e na segurança alimentar
Rudner disse que entender como bactérias dormentes podem restaurar a vida não é apenas um desafio intelectual tentador, mas também tem um impacto significativo na saúde humana. Algumas bactérias que podem entrar em um estado profundo de dormência por um longo tempo são perigosas, até mesmo patógenos mortais: a arma branca em pó do antraz é composta de esporos bacterianos.
Outro patógeno perigoso que forma esporos é o Clostridium difficile, que causa diarreia e colite com risco de vida. Doenças causadas pela infecção por Clostridium difficile geralmente ocorrem após o uso de antibióticos, que podem matar muitas bactérias intestinais, mas não têm efeito sobre esporos dormentes. Após o tratamento, o Clostridium difficile desperta de seu estado dormente e pode proliferar em grandes quantidades, muitas vezes resultando em consequências catastróficas.
Eliminar esporos também é um desafio central para plantas de processamento de alimentos, pois bactérias dormentes podem resistir ao tratamento de desinfecção devido à sua casca protetora e estado desidratado. Se a desinfecção não for bem-sucedida, a germinação e o crescimento dos esporos podem causar doenças graves transmitidas por alimentos e enormes perdas econômicas.
Entender como os esporos percebem os nutrientes e se libertam rapidamente da dormência pode permitir que os cientistas desenvolvam métodos que desencadeiem a germinação dos esporos mais cedo, potencialmente desinfetando bactérias ou impedindo a germinação dos esporos, prendendo-os em suas cascas protetoras, impedindo o crescimento, a proliferação e causando deterioração dos alimentos ou doenças.
