Modelo bacteriano ajuda a revelar como nossos corpos previnem explosões populacionais – e câncer
Crédito:Célula (2024). DOI:10.1016/j.cell.2024.01.024 Para que o tamanho de qualquer população permaneça estável ao longo do tempo, as suas taxas de natalidade e mortalidade devem ser equilibradas. Se a taxa de natalidade for demasiado elevada, poderá haver uma explosão populacional; se for muito baixo, a população diminuirá. Este tipo de equilíbrio existe, por exemplo, entre os cerca de 10 biliões de células que constituem o nosso corpo.
Quando atingimos a idade adulta, as nossas células estaminais podem dividir-se para renovar os tecidos do corpo, mas depois de se dividirem várias vezes, tornam-se células maduras que se dividem algumas vezes e depois morrem. Só notamos esse equilíbrio quando ele é perturbado – por exemplo, quando as células começam a se dividir incontrolavelmente e a criar crescimentos cancerígenos.
Segue-se que um equilíbrio entre células em divisão e células maduras é uma pré-condição para a existência de qualquer organismo multicelular, mas como é mantido? Em um novo estudo publicado recentemente na Cell , pesquisadores do Instituto Weizmann de Ciência usaram organismos unicelulares para entender melhor como os organismos multicelulares mantêm esse equilíbrio e se protegem do câncer.
A diferenciação celular é um “treinamento de especialização” biológico em que uma célula-tronco se divide em duas células-filhas, uma das quais assume um papel definido e adquire as características necessárias para cumpri-lo. Quando as células se diferenciam, sua nova especialidade é útil para o organismo multicelular do qual fazem parte, mas elas pagam um alto preço individual:quanto mais avançam nesse caminho de especialização, mais diminui sua capacidade de replicação, até que não sejam mais capazes de se diferenciar. não é mais capaz de se dividir.
Esta divisão lenta de células diferenciadas torna-as vulneráveis a populações de células que se dividem e crescem a um ritmo mais rápido e podem, portanto, assumir o controlo do tecido e dos seus recursos. Em alguns tipos de cancro do sangue, por exemplo, as células estaminais da medula óssea sofrem uma mutação que retarda a sua diferenciação e permite-lhes produzir mais células estaminais filhas. Essas células mutantes aproveitam o ponto fraco natural do processo de diferenciação, superando a população de células saudáveis em um processo conhecido como aquisição mutante.
Embora uma mutação, em média, ocorra em cada divisão celular do nosso corpo, a maioria de nós desfruta de décadas de boa saúde, através de incontáveis divisões celulares, sem experimentar a aquisição de mutantes. Isto sugere que existem mecanismos eficazes para lidar com esta ameaça, mesmo que sejam difíceis de identificar em organismos complexos.
Cientistas do grupo de pesquisa do professor Uri Alon no Departamento de Biologia Celular Molecular de Weizmann decidiram projetar bactérias E. coli, que normalmente não se diferenciam, para fazê-las passar por um processo de diferenciação artificial, permitindo aos pesquisadores estudar como uma população de células lida com mutantes. assumir.
“Há uma série de vantagens claras no modelo da E. coli”, explica o Dr. David Glass, que liderou o estudo no laboratório de Alon. “Um deles é o curto período de geração, que nos permitiu estudar o desenvolvimento de mutantes ao longo de centenas de gerações em laboratório”.
Para produzir bactérias E. coli capazes de se diferenciar, os investigadores inspiraram-se nas cianobactérias chamadas Anabaena, que se diferenciam – cortando certos segmentos do seu ADN – em resposta à escassez de azoto no seu ambiente. Embora as bactérias diferenciadas percam a capacidade de se dividir, elas ganham uma importante vantagem de sobrevivência:a capacidade de fornecer nitrogênio a si mesmas e a toda a colônia.
Para imitar o processo de diferenciação no modelo de E. coli, os cientistas cultivaram a bactéria num ambiente que incluía antibióticos, mas carecia de um aminoácido essencial. Usando engenharia genética, inseriram em cada bactéria várias cópias de um gene de resistência a antibióticos e várias cópias de um gene que produziu o aminoácido que faltava.
Antes do início do processo de diferenciação artificial – isto é, quando as bactérias estavam num estado equivalente ao das células estaminais – os genes de resistência aos antibióticos estavam activos, de modo que as bactérias foram capazes de se dividir e diferenciar a uma taxa elevada, apesar da presença de o antibiótico.
Quando o processo de diferenciação começou por meio do corte dos genes de resistência aos antibióticos, as bactérias perderam gradativamente a capacidade de se dividir e diferenciar, mas ganharam uma vantagem de sobrevivência:os cortes no DNA ativaram gradativamente os genes que produziam o aminoácido essencial.
“Para determinar qual taxa de diferenciação funciona melhor, realizamos uma competição entre 11 cepas de E. coli, cada uma das quais corta segmentos de DNA – ou seja, diferencia – em uma taxa diferente”, explica Glass. “Misturamos quantidades iguais de bactérias, cultivamos-as ao longo de alguns dias e depois verificámos quais tinham sobrevivido.
"Descobrimos uma selecção muito forte a favor de bactérias que se diferenciavam a uma taxa moderada e descobrimos que estirpes de bactérias com uma taxa moderada de diferenciação mantinham o equilíbrio óptimo dos tipos de células na sua população. Em qualquer momento, apenas uma minoria dos as células eram 'células-tronco puras' ou 'células totalmente diferenciadas', e a maioria foi encontrada em estados intermediários do processo."
Esta taxa de diferenciação ideal e moderada é partilhada por vários sistemas do corpo humano, nos quais é mantido um equilíbrio quantitativo entre células estaminais, células progenitoras em diferentes fases de diferenciação e células diferenciadas que ocasionalmente morrem e são substituídas por novas.
Para manter o tamanho da população estável, é importante manter esse equilíbrio mesmo quando as condições ambientais mudam. Para descobrir se as bactérias no seu modelo mantinham realmente este equilíbrio mesmo sob condições alteradas, os investigadores cultivaram-nas em 36 combinações diferentes de concentrações de antibióticos e aminoácidos no meio de cultura.
“Vimos que em todas as situações – exceto nas mais extremas, como a ausência total de antibióticos – a taxa ideal de diferenciação das células permaneceu na faixa moderada e o equilíbrio foi mantido”, explica Glass. “Isso significa que o equilíbrio populacional que caracteriza o modelo de diferenciação que desenvolvemos é, em grande medida, imune às mudanças e ameaças ambientais”.
Mas será que uma população de bactérias que se diferencia a uma taxa óptima também é imune à aquisição de mutantes, como os sistemas dos organismos multicelulares?
Para testar a capacidade destas bactérias resistirem à aquisição de mutantes, os investigadores cultivaram-nas ao longo de muitas gerações e verificaram se mutações aleatórias apareciam durante o longo período de crescimento, criando bactérias que não se diferenciam de todo e se dividem incontrolavelmente. Em outras palavras, as bactérias mutantes provocam a aquisição de mutantes ou são suprimidas em um estágio inicial?
Na primeira vez que conduziram o experimento, os pesquisadores ficaram desapontados ao encontrar aquisições mutantes em metade dos casos. “Descobrimos que quando uma mudança genética quebra a ligação entre a desaceleração da diferenciação e a obtenção dessa vantagem de sobrevivência, os mutantes que não se diferenciam podem assumir o controle”, acrescenta Glass.
Em seguida, os pesquisadores repetiram o experimento com uma nova cepa bacteriana que foi geneticamente modificada para ser imune à mutação identificada. “Conseguimos cultivar cerca de 270 gerações de bactérias diferenciadoras e não ocorreu nenhuma aquisição de mutantes. Infelizmente, a invasão de Israel em 7 de outubro interrompeu o experimento e as bactérias podem muito bem ser ainda mais resistentes”, diz Glass.
"Mostramos que um sistema no qual as células diferenciadas de E. coli param de se dividir, mas ganham uma vantagem de sobrevivência, pode manter um equilíbrio populacional ideal e evitar a aquisição de mutantes. Muitas doenças, como câncer e doenças autoimunes, são exclusivas de organismos multicelulares. Quando geneticamente Ao projetarmos cada vez mais características de sistemas multicelulares em organismos unicelulares, podemos descobrir os pontos fracos e procurá-los também em tecidos humanos”.
“Além da ciência básica, estas novas descobertas também poderão ter um impacto na utilização de bactérias na indústria”, acrescenta Glass. “Bactérias geneticamente modificadas são atualmente utilizadas na produção em larga escala de insulina, enzimas e outras substâncias utilizadas pelos seres humanos. Criar uma população de bactérias diferenciadoras que mantenha o seu equilíbrio, se renove e até evite a aquisição de mutantes pode ser muito útil nestes processos de produção. ."
