As bactérias podem controlar para onde vão usando uma rede de sinalização de moléculas de proteína. Os cientistas da AMOLF desenvolveram um método de microscopia que permite ver como as bactérias individuais usam essa rede para tomar decisões. Eles descobriram que as bactérias são surpreendentemente diversas em personalidade e humor. A equipe publicou suas descobertas na revista científica eLife em 12 de dezembro, 2017

Bactérias, sendo organismos unicelulares, não tem sistema nervoso, mas são capazes de controlar seus movimentos usando uma rede de moléculas de proteínas que interagem de uma maneira especial, muito parecido com os circuitos das células nervosas em nosso cérebro. "Por exemplo E.coli, uma bactéria inofensiva que vive em nosso intestino, 'sabe' como interromper seu movimento de natação, de outra forma direto, por meio de quedas ocasionais que o desencadeiam em um novo, direção aleatória, "diz Tom Shimizu, líder do grupo de Biologia de Sistemas da AMOLF. "A E.coli usa proteínas sensoras para detectar coisas como moléculas de alimentos ou produtos químicos tóxicos para decidir se a vida está melhorando ou pior enquanto nada, e controla a frequência com que ele tomba para garantir que ficará em um bom lugar. "

Aumentar o zoom em células individuais

Por muitos anos, pesquisadores estudaram como esses circuitos moleculares em bactérias como a E. coli respondem às mudanças em seus arredores, mas isso se baseou em experimentos em que o sinal teve que ser medido em centenas de células. Johannes Keegstra, um estudante de doutorado no grupo de Shimizu, liderou o esforço para desenvolver um método de microscopia que permite aos pesquisadores ver como a rede de proteínas em cada bactéria responde às mudanças no ambiente, por exemplo, a abundância de alimentos.

Personalidade

As bactérias usadas nos experimentos tinham exatamente a mesma sequência de DNA (como gêmeos idênticos) e também foram cultivadas em condições idênticas. No entanto, os pesquisadores descobriram que a rede de proteínas em cada um deles se comporta de maneira diferente no mesmo ambiente químico. "Cada bactéria parece ter sua própria personalidade, "Keegstra diz." Por exemplo, descobrimos que a concentração química à qual as bactérias respondem, varia consideravelmente entre as bactérias. "

Humor

Além das diferenças claras nas respostas entre as bactérias (personalidade), Shimizu e Keegstra também viram que dentro de cada bactéria, a atividade molecular pode mudar consideravelmente com o tempo. Eles testemunharam que a forma como as moléculas de proteínas nas bactérias interagem para controlar o movimento não é estável, mas está constantemente variando no tempo, mesmo em ambientes 'silenciosos', sem alterações na quantidade de alimentos ou toxinas. Este 'mau humor' das células significa que o mecanismo com o qual elas 'decidem' cair ou nadar em frente, não recebe uma entrada estável, mas em vez disso, uma entrada que varia aleatoriamente.

Os pesquisadores acreditam que essas mensagens moleculares variáveis ​​devem ser causadas por eventos casuais dentro da célula. "Achamos que a individualidade bacteriana que encontramos não se deve à natureza (sequências de DNA) ou à criação (características do ambiente), mas sim para eventos aleatórios, como colisões moleculares dentro da única célula da bactéria, um exemplo clássico do que os físicos chamam de 'ruído', "Shimizu diz." Mais importante, a bactéria não produziu nenhuma proteína nova durante o experimento. Isso significa que, embora as diferenças na personalidade possam ser causadas por diferenças nos níveis de proteína entre as bactérias, as mudanças de humor deviam ser resultado de ruídos na forma como essas proteínas interagem em cada bactéria. "

Pesquisa aleatória por comida

"Ficamos realmente surpresos com o quão drásticas são suas mudanças de humor, "Keegstra acrescenta." E porque sabemos que as bactérias podem impedir que essas moléculas mensageiras interajam de forma tão aleatória, achamos que eles provavelmente fazem isso com um propósito. "

O controle instável do movimento pode ser vantajoso quando o alimento é escasso. Nesse caso, o jogo é menos sobre responder a pistas sensoriais (como odores) e mais sobre explorar eficientemente o espaço vazio para localizar recursos raros. Bactérias temperamentais fariam melhor em explorar grandes áreas sem características porque seu mau humor ajuda a evitar a volta ao mesmo lugar.

Keegstra:"A variação considerável no quão temperamental as bactérias são pode significar que algumas bactérias agem como batedores que exploram territórios distantes para ganhos ocasionais, mas grandes, enquanto outros permanecem próximos e exploram com eficiência os recursos locais. Essa divisão de trabalho poderia ser útil para a população como um todo. "

Os novos insights sobre ruído em redes bioquímicas criam oportunidades biotecnológicas, ajudando engenheiros a construir sistemas (como bactérias produtoras de insulina, por exemplo) que são mais resistentes ao ruído ou fazem uso dele de maneira otimizada. As descobertas sobre diferenças mais constantes (personalidade) no comportamento bacteriano também podem impactar estratégias médicas para direcionar bactérias patogênicas sem prejudicar bactérias boas.

O estudo da AMOLF foi co-publicado em eLife com um segundo artigo, 'Múltiplas fontes de flutuações de atividade lenta em uma rede quimiossensorial bacteriana', por R. Colin e V. Sourjik do Instituto Max-Planck de Microbiologia Terrestre.