Pesquisadores da Universidade do Texas em Austin e da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, criaram um novo modelo teórico que descreve com precisão como enxames de bactérias navegam em seu ambiente para localizar e consumir nutrientes.

Micróbios como a bactéria intestinal comum E. coli realizam um processo conhecido como quimiotaxia para detectar gradientes microscópicos de nutrientes. Os micróbios “nadam” ou “rastejam” pelo ambiente, impulsionados por flagelos rotativos, para perseguir gradientes de atrativos químicos até chegarem a um local rico em nutrientes.

O novo modelo dos pesquisadores, publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences, é o mais preciso até agora na previsão da dinâmica da quimiotaxia bacteriana sob várias concentrações e viscosidades de nutrientes – fatores importantes que determinam o comportamento de natação ou rastejamento das bactérias.

As descobertas ajudam os cientistas a compreender melhor como as bactérias encontram alimentos em microescala e podem levar a avanços tecnológicos nas áreas de biossensorização, diagnóstico e medicina.

“Esses micróbios exibem um comportamento surpreendentemente rico, e prever com precisão como eles navegam em um gradiente é um desafio”, disse Igor Aronson, professor de matemática na UT Austin e coautor do artigo. "Nosso modelo simplificado permite aos pesquisadores calcular a velocidade com que os micróbios encontram alimentos e comparar as previsões com experimentos, o que poderia ajudar a otimizar o processo pelo qual os micróbios encontram alimentos ou alvos no futuro. Isso tem implicações para aplicações em biotecnologia, saúde, e remediação ambiental."

A quimiotaxia bacteriana também está ligada à virulência. Os micróbios dependem da detecção do gradiente químico na quimiotaxia para localizar e infectar um hospedeiro. A E. coli, por exemplo, utiliza quimiotaxia para encontrar nutrientes e também para localizar e infectar intestinos de mamíferos, o habitat preferido dos micróbios.

“As descobertas podem levar a novos antibióticos que dificultam este sistema de navegação na quimiotaxia, prevenindo a transmissão de doenças”, disse Alexander V. Argun, professor de matemática da UCLA e outro co-autor do artigo.

Os investigadores observam que os modelos matemáticos anteriores que descrevem a quimiotaxia bacteriana fizeram uma série de suposições simplificadoras nas suas equações, o que acabou por impedi-los de igualar a precisão das observações experimentais. Em particular, os modelos anteriores não conseguiram ter em conta um efeito inercial sobreamortecido que actua sobre os micróbios, o que retarda a sua dinâmica.

“A experiência das bactérias é semelhante a nadar no melaço”, disse Aronson. “A dinâmica é muito diferente de nadar na água, e a maioria dos modelos anteriores não levava isso em consideração”.

O novo modelo teórico desenvolvido por Aronson e Argun incorpora o efeito inercial juntamente com vários outros efeitos realistas, como o tamanho e a densidade interna das bactérias, para melhorar significativamente a precisão do modelo na replicação de observações experimentais.

Argun também observou que alguns sistemas de quimiotaxia bacteriana apresentam uma resposta de velocidade não monotônica, o que significa que a velocidade dos micróbios aumenta até o máximo à medida que a concentração de nutrientes aumenta e depois começa a diminuir.

“Isso é diferente do que vemos na maioria dos fenômenos físicos, onde a velocidade sempre aumenta à medida que a força motriz aumenta”, disse Argun. "Aqui, a natação torna-se menos eficiente em altas concentrações de nutrientes devido à 'sinalização excessiva', que nosso modelo é capaz de capturar."

Os investigadores usaram o seu modelo para gerar uma previsão quantitativa precisa de como a velocidade de natação dos micróbios muda à medida que se adaptam à escassez de nutrientes, uma previsão anteriormente não disponível em modelos analíticos.

“Esses modelos matemáticos não apenas nos ajudam a obter insights sobre a natureza, mas também podem nos ajudar a fazer previsões que podem ser testadas experimentalmente”, disse Aronson. "Este modelo deve fornecer uma melhor compreensão do papel da quimiotaxia na motilidade, ecologia e fisiologia bacteriana."