Cientistas descobrem como as bactérias usam o ruído para sobreviver ao estresse

Microcolônias de E. coli.
Expressão ruidosa de resposta ao estresse em microcolônias de E. coli.

Mutações no genoma de um organismo dão origem a variações em sua forma e função – seu fenótipo. No entanto, as variações fenotípicas também podem surgir de outras maneiras. As colisões aleatórias de moléculas que constituem um organismo – incluindo seu DNA e as proteínas que transcrevem o DNA para o RNA – resultam em expressão gênica ruidosa que pode levar a variações no comportamento mesmo na ausência de mutações. Em um trabalho de pesquisa publicado na Nature Communications, pesquisadores da Microsoft Research e da Universidade de Cambridge descobriram como as bactérias podem combinar a expressão gênica ruidosa com o crescimento barulhento para sobreviver a ambientes em rápida mudança.

“Aproveitamos os avanços da tecnologia microfluídica, a microscopia de lapso de tempo e a disponibilidade de bibliotecas de bactérias geneticamente modificadas que ocorreram na última década para fornecer detalhes sem precedentes de como as células individuais sobrevivem ao estresse”, diz Om Patange, pesquisador da Microsoft. “Esperamos que isso ajude os colegas pesquisadores a verem que os estudos de bactérias no nível unicelular podem revelar aspectos importantes de como esses organismos vivem e lutam contra o meio ambiente.”

As células ligam estocasticamente a resposta ao estresse e diminuem o crescimento para sobreviver a tempos estressantes futuros. Uma montagem de E. coli cultivada em um dispositivo microfluídico ilustra esse fenômeno.
As células ligam estocasticamente a resposta ao estresse e diminuem o crescimento para sobreviver a tempos estressantes futuros. Uma montagem de E. coli cultivada em um dispositivo microfluídico ilustra esse fenômeno.

Usando um dispositivo microfluídico, Patange – com os colegas e supervisores Andrew Phillips, chefe do grupo de Computação Biológica da Microsoft Research, e James Locke, líder do grupo de pesquisa no Sainsbury Laboratory, de Cambridge – observaram que células de Escherichia coli crescem e se dividem por muitas gerações. Eles descobriram que um regulador chave da resposta ao estresse chamado RpoS pulsava de vez em quando. Quando essas células em crescimento feliz foram expostas a um estresse químico súbito, as poucas células prontas para o estresse sobreviveram. Este é um exemplo impressionante de uma população microbiana dividida em duas populações, apesar de ter a mesma composição genética. Os pesquisadores descobriram ainda que a população sobrevivente estava pagando um preço para sobreviver: cresceram mais lentamente que seus vizinhos.

Para descobrir o mecanismo que faz com que as células cresçam lentamente e ativem sua resposta ao estresse, os pesquisadores desenvolveram uma simulação estocástica de reações biológicas dentro de células individuais. Eles descobriram que um simples acoplamento inibitório mútuo de resposta ruidosa ao estresse e crescimento ruidoso causava os pulsos observados e também captava observações mais sutis.

Este estudo, cujos conjuntos de dados de célula única estão disponíveis no GitLab, tem implicações puras e aplicadas. O fenômeno da resposta ao estresse pode estar relacionado à persistência, estratégia utilizada pelas bactérias para fugir dos antibióticos sem mutações. Entender a conexão entre a persistência e a resposta ao estresse pode levar a abordagens mais sutis para os tratamentos com antibióticos. A ideia de que as bactérias desenvolveram um fenótipo de nível populacional governado por ações de célula única também é intrigante. Entender o benefício obtido pela população em detrimento de bactérias únicas pode fornecer insights sobre a evolução das estratégias cooperativas.

“As bactérias podem nos ensinar sobre estratégias cooperativas que ainda não conseguimos ter”, diz Patange. “Também podemos aprender a usar e nos defender melhor das bactérias se pudermos ver o mundo a partir de sua perspectiva.”

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