O ambiente está repleto de micróbios. Solo, agua, superfícies internas, nossos próprios corpos - qualquer habitat que não tenha sido rigorosamente esterilizado é povoado por milhares de espécies de bactérias interdependentes, vírus, e outros organismos microscópicos.

Essas teias de microbiota são a base biológica para ecossistemas em larga escala, e pequenas mudanças na comunidade microbiana podem provocar mudanças sísmicas no meio ambiente.

As nanopartículas fazem parte de uma longa lista de substâncias que podem perturbá-las, mas descobrir seus efeitos é uma tarefa de Sísifo.

Essas comunidades compreendem um número impressionante de micróbios, muitos dos quais não podem ser cultivados em laboratório - e mesmo se pudessem, as complexas interações em comunidades microbianas do mundo real não podem ser reproduzidas por experimentos com apenas algumas espécies.

Em um novo artigo na revista Nature Nanotechnology , pesquisadores da Virginia Tech demonstram uma maneira de investigar o efeito das nanopartículas em um microbioma específico:olhando para o DNA de uma comunidade microbiana inteira, em vez de espécies individuais.

A estratégia, chamada de análise metagenômica, sequencia o DNA de todos os micróbios em uma amostra de uma vez, produzindo uma visão geral de todos os genes que estão funcionando naquele ambiente.

Os resultados sugerem que é uma ferramenta útil, sensível o suficiente para captar as mudanças que outros métodos podem não perceber - incluindo algumas que podem ter implicações para a saúde pública.

Liderando a equipe estava Amy Pruden, o professor de engenharia W. Thomas Rice, e o professor de engenharia civil e ambiental Peter Vikesland. Ambos são especialistas em sistemas ambientais complexos; Pruden estuda os papéis das comunidades microbianas dinâmicas e Vikesland atualmente se concentra nos impactos da nanotecnologia no meio ambiente.

Neste estudo, os pesquisadores analisaram as comunidades microbianas de lodo ativado, que povoam as estações de tratamento de águas residuais e decompõem os poluentes nos esgotos.

"Estamos usando o mundo real, comunidades complexas, aqueles que são importantes ambientalmente porque estão purificando nossa água, "Pruden disse.

Nanopartículas são cada vez mais comuns em águas residuais, lavado em uma lista crescente de produtos que inclui tudo, desde marshmallows a equipamentos médicos.

As nanopartículas utilizadas no estudo foram esferas e bastões de ouro sintetizados no laboratório de Catherine Murphy, professor de química da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. A equipe de pesquisa introduziu essas nanopartículas em um reator em escala de laboratório que simula uma estação de tratamento de águas residuais, e executou uma análise metagenômica após sete dias e outra após 56 dias.

Descobriu-se que as nanopartículas mudaram a distribuição de genes na comunidade microbiana do lodo ativado, e que as nanopartículas esféricas tiveram uma influência maior do que as em forma de bastão.

Entre os genes afetados estavam aqueles que ajudam as bactérias infecciosas a evitar os antibióticos.

As estações de tratamento de águas residuais foram identificadas como um reservatório para genes de resistência a antibióticos que eventualmente encontram seu caminho para o meio ambiente, onde representam um risco crescente para a saúde pública.

Mais de oito semanas de exposição a nanopartículas de ouro, o número total de genes de resistência a antibióticos na amostra manteve-se estável, mas a distribuição desses genes - isto é, contra quais antibióticos eles se protegem - mudados. Os pesquisadores também notaram mudanças nos genes que permitem que as bactérias resistam à exposição a metais, que são normalmente citotóxicos.

Enquanto isso, a identidade de um revestimento químico nas nanopartículas não induziu as mesmas mudanças genéticas.

"Os resultados surpreendentes deste estudo - que a forma das nanopartículas pode impactar a estrutura da comunidade microbiana em uma extensão maior do que as propriedades da superfície transmitidas pelos revestimentos - têm implicações significativas não apenas para informar o design mais seguro de nanomateriais e mitigar impactos indesejados ao ecossistema e à saúde pública, mas também para preparar estações de tratamento de águas residuais para um potencial, desafio crescente relativamente esquecido, "disse Pedro Alvarez, o George R. Brown Professor de Engenharia Civil e Ambiental na Rice University.

Alvarez estuda as aplicações e implicações ambientais da nanotecnologia, mas não esteve envolvido nesta pesquisa.

O revestimento das nanopartículas fez, Contudo, afetam sua distribuição entre o lodo e as águas residuais. Isso pode ter consequências ambientais:o lodo em uma estação de tratamento de águas residuais é reciclado e usado novamente, enquanto a água é devolvida ao meio ambiente.

Mas nem a mudança de localização das nanopartículas nem as mudanças genéticas dos micróbios parecem afetar a eficiência na decomposição de poluentes. Isso destaca a sensibilidade desta abordagem metagenômica:que pode ser capaz de detectar mudanças sutis em uma comunidade antes que possam ser detectadas por medidas mais simples, como o desempenho de uma estação de tratamento de águas residuais.

"É como um canário microbiano na mina de carvão, "Disse Vikesland.

Pruden e Vikesland enfatizam que muito mais pesquisas são necessárias para entender como os diferentes tipos de nanopartículas afetam as comunidades microbianas, e que não está claro se as mudanças que eles viram nos genes de resistência a antibióticos representam um risco para a saúde pública.

"Estamos colaborando com professores de ciência da computação para levar essa abordagem de avaliação de risco metagenômica para o próximo nível, "Pruden disse. Eles estão trabalhando na criação de uma ferramenta que pode ajudar a avaliar quais mudanças genéticas podem ser problemáticas.

A principal conclusão, os pesquisadores dizem, é que esses resultados sugerem que a análise metagenômica pode fornecer informações valiosas sobre os efeitos das nanopartículas em um ecossistema microbiano complexo.

"A metagenômica está dizendo que há um sinal, "Vikesland disse." No momento, não sabemos quais são as implicações desse sinal no mundo real, mas há claramente algo lá. "