Os biólogos da Universidade de Columbia revelaram um mecanismo pelo qual as células bacterianas se aglomeram, ambientes privados de oxigênio acessam oxigênio para produção de energia, garantindo a sobrevivência da célula. A descoberta pode explicar como algumas bactérias, tal como Pseudomonas aeruginosa ( P. aeruginosa ), são capazes de prosperar em ambientes pobres em oxigênio, como biofilmes, e resistir a antibióticos.

" P. aeruginosa infecções por biofilme são uma das principais causas de morte para pessoas que sofrem de fibrose cística, uma condição genética que afeta os pulmões e o sistema digestivo, "disse o investigador principal Lars Dietrich, professor associado de ciências biológicas. "Uma compreensão dos caminhos que contribuem para a sobrevivência e virulência de P. aeruginosa e outras bactérias capazes de existir em ambientes carentes de oxigênio podem informar as abordagens de tratamento para muitos desses e de outros pacientes imunocomprometidos. "

O estudo aparece esta semana na revista eLife .

As bactérias raramente vivem por si mesmas como organismos unicelulares. Em vez disso, a maioria cresce em comunidades, aproveitando a força dos números para formar um biofilme com propriedades semelhantes a tecido semelhantes a um andaime que serve para fortalecer a comunidade, tornando-se 1, 000 vezes mais resistente à maioria dos antibióticos.

Cada célula individual deve, por si só, extrair elétrons dos alimentos que são transportados ao longo da membrana celular até chegarem a uma molécula de oxigênio. A energia liberada durante esse processo metabólico é usada para sustentar a vida. À medida que as comunidades de bactérias continuam a crescer e se formar em um biofilme, Contudo, eles podem ficar superlotados, criando um ambiente onde cada célula tem que competir por nutrientes e oxigênio limitados para sobreviver.

A pesquisa mostrou que algumas bactérias, Incluindo P. aeruginosa , desenvolveram diferentes estratégias para responder e lidar com as condições de baixo teor de oxigênio nos biofilmes. Comunidades de bactérias podem, por exemplo, mude a estrutura geral do biofilme de modo que sua proporção entre área de superfície e volume seja maior e uma proporção maior de células internas seja capaz de acessar o oxigênio do lado externo. P. aeruginosa também pode fazer moléculas chamadas fenazinas, que ajudam a transportar elétrons de dentro para fora da célula e, finalmente, para o oxigênio disponível à distância. Outra estratégia é fazer versões alternativas de oxidases terminais, enzimas na membrana que transferem elétrons para o oxigênio, que usam o oxigênio de forma mais eficiente ou são melhores em eliminá-lo quando sua concentração é baixa. Embora tenha havido numerosos estudos feitos para examinar a importância dessas enzimas e estratégias para P. aeruginosa crescimento, eles foram amplamente conduzidos em culturas líquidas bem oxigenadas no laboratório. Quando P. aeruginosa infecta um hospedeiro real, como um humano, frequentemente cresce como um biofilme e encontra condições muito diferentes.

Com financiamento federal do National Institutes of Health e da National Science Foundation, Dietrich, primeiro autor Jeanyoung Jo, e seus colegas decidiram compreender melhor se oxidases terminais específicas são importantes para P. aeruginosa metabolismo em comunidades de biofilme, como as fenazinas podem compensar os baixos níveis de oxigênio, e como essas estratégias adaptadas podem contribuir para P. aeruginosa capacidade de causar infecções.

Eles descobriram que a cadeia de transporte de elétrons tão crítica para a conversão de elétrons em energia pode e está operando profundamente no biofilme privado de oxigênio e que, nesses ambientes, a bactéria depende de uma parte específica da oxidase terminal da cadeia - uma proteína chamada CcoN4 - para acessar o oxigênio e crescer normalmente. As células sem essa proteína não sobrevivem tão bem quanto as células com ela e os pesquisadores acreditam, portanto, que o CcoN4 contribui para a virulência da bactéria. Eles também descobriram que o CcoN4 desempenha um papel no uso otimizado de fenazinas em biofilmes. Embora essas fenazinas tenham demonstrado compensar metabolicamente as condições de baixo teor de oxigênio em P. aeruginosa biofilmes, o mecanismo que permitia isso permanecia um mistério científico.

"Esta bactéria é mestre em encontrar diferentes estratégias para acessar o oxigênio, "Dietrich disse." Nós sabíamos que as fenazinas estavam envolvidas e que de alguma forma ajudavam a célula a obter oxigênio, mas não sabíamos como. Parece que estão vindo da cadeia de transporte de elétrons. Essa é uma revelação importante. Sabemos que as células bacterianas têm diferentes maneiras de metabolizar a energia em ambientes ricos em oxigênio, mas por muito tempo não conseguimos descobrir como eles estavam quando o oxigênio era difícil de acessar. "

As descobertas podem ter grandes implicações para o tratamento de P. aeruginosa infecções por biofilme, como uma compreensão dos caminhos que contribuem para P. aeruginosa a sobrevivência e a virulência podem informar as abordagens de tratamento para os pacientes. Desenvolvimento de terapias que bloqueiam oxidases terminais contendo CcoN4, por exemplo, enfraqueceria a bactéria e sua capacidade de causar infecção.

"Estamos começando a entender mais e mais como as células são capazes de sobreviver em circunstâncias horríveis, "Dietrich disse." Estamos entendendo o mecanismo. Agora podemos começar a procurar maneiras de encerrar esse processo. "