A descoberta da penicilina por Alexander Fleming - o primeiro antibiótico natural do mundo - é contada como uma história de acaso:uma placa de Petri em crescimento de bactérias foi contaminada por mofo, que secretou uma substância para manter as bactérias sob controle. A lição aprendida foi que a ciência pode tirar proveito de encontros casuais para mudar o mundo.

Mas talvez os cientistas que seguiram os passos de Fleming devessem ter prestado mais atenção a um aspecto central de sua descoberta:que dependia da relação entre concorrentes microscópicos que lutavam por espaço.

Pesquisadores da University of Wisconsin – Madison estão colaborando entre faculdades e departamentos para reaprender as lições da penicilina. Eles estão ultrapassando uma era em que micróbios eram cultivados sozinhos em busca de novos antibióticos, cultivando diferentes espécies juntas. Seu objetivo é estimular defesas naturais contra velhos inimigos, como o que aconteceu quando o fungo penicillium atacou bactérias estafilococos nas culturas de laboratório de Fleming. Essas técnicas de co-cultura visam recriar aspectos de ecossistemas reais para estimular a ação de capacidades antibióticas latentes e ocultas.

Depois de anos melhorando este método relativamente novo, cientistas da UW – Madison School of Pharmacy e da College of Agricultural and Life Sciences descobriram o novo antibiótico keyicina, uma demonstração da eficácia da técnica. Os pesquisadores dizem que esta descoberta não teria sido possível sem uma colaboração entre faculdades que remonta a quase uma década.

Os micróbios que nos dão a maior parte de nossos antibióticos nunca crescem sozinhos na natureza. No entanto, eles têm esse luxo no laboratório, onde os cientistas cultivam bactérias ou fungos isoladamente para estudá-los um de cada vez. Muitos antibióticos que salvam vidas foram descobertos nessas condições. Mas com o tempo essas descobertas diminuíram, enquanto os patógenos começaram a desenvolver resistência aos medicamentos existentes.

"O poço secou, "diz Tim Bugni, um químico por formação e um professor de farmácia na UW – Madison, que foi o autor sênior do artigo anunciando a keyicina, publicado em 2017. "Nos anos 90, a maioria das empresas farmacêuticas abandonou esta área de pesquisa. A partir de 2000, a genômica realmente começou a decolar. "

A era genômica revelou uma oportunidade tentadora:o sequenciamento de DNA mostrou que muitas bactérias tinham uma coleção de genes para a produção de novos antibióticos. Eles simplesmente nunca foram ativados. Mesmo as condições de laboratório mais criativas não poderiam induzir os micróbios a explorar esse arsenal de novos produtos químicos.

Quando Bugni chegou ao UW – Madison em 2009, ele logo começou a trabalhar com Cameron Currie, professor de bacteriologia. Os dois compartilhavam o interesse em parcerias entre micróbios e animais e na pesquisa de antibióticos.

"Muitas dessas capacidades genéticas silenciosas para a produção de compostos antimicrobianos estão ligadas ao papel ecológico que desempenham, "diz Currie, um co-autor do artigo keyicin. O professor de Farmácia Lingjun Li também contribuiu para o trabalho, que foi liderado pelo ex-aluno de graduação de Bugni, Navid Adnani. Colaboradores da Universidade de Minnesota, Yumanity Therapeutics e Bruker Daltonics também contribuíram.

"Dado que a produção de antibióticos é energeticamente dispendiosa para as bactérias, se eles estão usando-os em uma estrutura ecológica, para inibir um patógeno ou competidor, faz sentido, de uma perspectiva evolucionária, fazer isso apenas quando recebem um sinal do organismo-alvo, em vez de acioná-lo continuamente, "diz Currie.

Em teoria, um micróbio concorrente fornece esse sinal ausente. Em resposta à ameaça, bactérias ativam seus genes antes silenciosos, bombeando um antibiótico previamente não caracterizado. Os pesquisadores descobriram a keyicina quando a bactéria Micromonospora foi desafiada com Rhodococcus. Hora extra, a keyicina produzida pela Micromonospora ajudou a dominar a cultura.

Ambas as cepas de bactérias vieram do oceano, onde estão associados a invertebrados. Uma porção considerável dos antibióticos existentes foi descoberta em bactérias que vivem no solo. Mas o trabalho contínuo com essas bactérias terrestres descobriu as mesmas drogas continuamente. Bugni, que se especializou em micróbios marinhos, diz que explorar este ecossistema relativamente desconhecido dá aos cientistas uma chance melhor de evitar esse "problema de redescoberta, "que atrapalha a pesquisa com antibióticos.

“Há muita diversidade bacteriana inexplorada no ambiente marinho, "Bugni diz.

O trabalho de co-cultura é financiado por uma bolsa do Centro de Excelência para Pesquisa Translacional do National Institutes of Health. David Andes, professor e chefe de doenças infecciosas da Escola de Medicina e Saúde Pública da Universidade de Wisconsin, lidera a concessão, do qual Currie e Bugni são membros. Enquanto Bugni se concentra em bactérias marinhas, Currie é especialista em micróbios associados a insetos terrestres.

A equipe está avaliando o potencial terapêutico da keyicina em animais. (A maioria dos novos antibióticos enfrenta obstáculos consideráveis ​​para serem usados ​​em humanos, mas apenas mais pesquisas dirão.) Enquanto isso, os pesquisadores dizem que a prova de conceito fornecida pela descoberta da keyicina sugere que a co-cultura continuará a fornecer mais novos candidatos a antibióticos.

Esta abordagem requer evolução, biológico, perícia química e médica dirigida a um problema cada vez mais complexo.

"Este tipo de trabalho interdisciplinar é absolutamente crítico para ter sucesso neste reino, "diz Currie.