Os cientistas usaram uma nova técnica de imagem de alta velocidade para capturar os momentos explosivos iniciais quando os antibióticos atacam e destroem as bactérias.

Nessas escalas de tempo ultrarrápidas, a equipe observou os medicamentos criando poros microscópicos na camada externa protetora da bactéria, fazendo com que seu conteúdo vazasse e a célula morresse.

Os experimentos são alguns dos primeiros desse tipo e os resultados podem abrir caminho para o desenvolvimento de antibióticos mais eficazes que atinjam mais especificamente a membrana da bactéria.

A pesquisa é publicada na revista ACS Central Science.

Como funcionam os antibióticos?

Uma maneira pela qual os antibióticos matam as bactérias é atacando e danificando a integridade da membrana externa bacteriana, composta por uma bicamada fosfolipídica.

Estas são duas camadas de moléculas de gordura (fosfolipídios) que formam uma barreira ao redor de todas as células bacterianas. A bicamada é uma estrutura dinâmica e complexa que possui propriedades físicas únicas, como sua fluidez, que dependem dos tipos e da quantidade de lipídios na membrana.

A ruptura da membrana é uma das principais causas de morte bacteriana, mas ainda não foi totalmente compreendido como isso acontece exatamente, principalmente porque esses eventos ocorrem em escalas de tempo excepcionalmente curtas.

O presente estudo aborda essa lacuna de conhecimento combinando experimentos com simulações computacionais para sondar os processos iniciais envolvidos no dano à membrana.

Capturando o invisível

Uma equipe liderada por pesquisadores da Universidade de Oxford e da Universidade da Califórnia, em San Diego, usou microscopia de força atômica de alta velocidade (HS-AFM) para observar um antibiótico destruidor de membrana interagindo com uma membrana bacteriana quase em tempo real.

O instrumento de alta velocidade registra as interações entre uma ponta oscilante em nanoescala e um material macio a uma taxa de quase 770.000 quadros por segundo, revelando detalhes que não podem ser vistos usando métodos de imagem convencionais.

A equipe usou os recursos exclusivos do instrumento para capturar os eventos que acontecem em escalas de tempo de microssegundos a milissegundos após um antibiótico entrar em contato com a membrana bacteriana, permitindo-lhes observar o início do processo de morte celular.

O professor Aleksander Bublitz, do Departamento de Química de Oxford, disse:“É incrivelmente difícil obter imagens de processos rápidos em escalas tão pequenas, mas combinando esta ferramenta com simulações computacionais podemos começar a entender como os antibióticos causam a quebra das membranas. Poderemos então usar essa informação para conceber medicamentos melhores que tenham como alvo específico as membranas bacterianas e as destruam de forma mais eficaz”.

Novos insights

A pesquisa revela, pela primeira vez, o papel crucial que a fluidez da membrana bacteriana e a dinâmica de ligação das moléculas de antibióticos desempenham no processo de formação de poros.

Ao imitar o sistema com simulações de computador, os pesquisadores conseguiram ver como o antibiótico funciona no nível atômico.

As simulações permitiram identificar lipídios de membrana específicos e interações específicas entre antibióticos e membranas que são críticas para o processo de formação de poros.

Esta informação pode ser usada para desenvolver medicamentos mais eficazes através da engenharia de moléculas específicas que têm como alvo os lipídios identificados ou locais de ligação de antibióticos.