Bactérias em polímeros criam estruturas semelhantes a cabos que se transformam em géis vivos

Cientistas da Caltech e da Universidade de Princeton descobriram que células bacterianas que crescem em uma solução de polímeros, como o muco, formam longos cabos que se curvam e se torcem, construindo uma espécie de “gelatina viva”.

A descoberta pode ser particularmente importante para o estudo e tratamento de doenças como a fibrose cística, na qual o muco que reveste os pulmões se torna mais concentrado, muitas vezes causando infecções bacterianas que se fixam nesse muco e se tornam fatais. Esta descoberta também pode ter implicações em estudos de conglomerados de bactérias secretoras de polímeros conhecidos como biofilmes – a gosma escorregadia nas rochas dos rios, por exemplo – e em aplicações industriais onde podem causar mau funcionamento de equipamentos e riscos para a saúde.

O trabalho está descrito em um artigo publicado em 17 de janeiro na revista Avanços da Ciência.

“Descobrimos que quando muitas bactérias crescem em fluidos contendo moléculas semelhantes a espaguete chamadas polímeros, como o muco nos pulmões, elas formam estruturas semelhantes a cabos que se entrelaçam como géis vivos”, diz Sujit Datta, professor de engenharia química. bioengenharia e biofísica na Caltech e autor correspondente do novo artigo. “E, curiosamente, existem semelhanças entre a física de como essas estruturas se formam e a física microscópica subjacente a muitos géis inanimados, como Purell ou Jell-O.”

Datta mudou-se recentemente para Caltech da Universidade de Princeton. Um de seus alunos de pós-graduação em Princeton, Sebastian Gonzalez La Corte, é o autor principal do artigo. Ele e Datta estavam interessados ​​em saber como a concentração de muco muda nos pulmões e intestinos de pacientes com fibrose cística – nos quais estão presentes mais polímeros do que o regular. Trabalhando com amostras de muco fornecidas por colegas do MIT, Gonzalez La Corte cresceu E. coli bactérias (comumente usadas em estudos de laboratório) em líquidos normais e em amostras semelhantes à fibrose cística e depois observaram as amostras ao microscópio para observar como as células bacterianas cresciam em cada caso.

Ele se concentrou nas células que perderam a capacidade de nadar, como é o caso de muitas bactérias na natureza. Em circunstâncias normais, quando tal célula se divide em duas, as células resultantes separam-se e difundem-se umas das outras. Porém, Gonzalez La Corte descobriu que em uma solução polimérica as células copiadas permaneciam coladas umas às outras, ponta a ponta.

“À medida que as células continuam a se dividir e a aderir umas às outras, elas começam a formar lindas estruturas longas que chamamos de cabos”, diz Gonzalez La Corte. “Em algum momento, eles realmente se dobram e se dobram e formam uma rede emaranhada.”

A equipe descobriu que os cabos continuam a se alongar e a crescer enquanto as células tiverem os nutrientes de que necessitam, criando eventualmente cadeias com milhares de células.

Experimentos subsequentes mostraram que não parece importar qual espécies bacterianas são introduzidos, nem o tipo de solução de polímero orgânico faz diferença; uma vez que polímero suficiente envolve as células bacterianas, os cabos crescem. Os pesquisadores até viram o mesmo resultado com bactérias em polímeros sintéticos.

Embora a motivação inicial do estudo tenha sido compreender melhor o crescimento das infecções em pacientes com fibrose císticaas conclusões são mais amplamente relevantes. O muco desempenha um papel importante no corpo humano, não apenas nos pulmões, mas também no intestino e no trato cervicovaginal. E Datta diz que o trabalho também é importante no contexto dos biofilmes, agrupamentos de bactérias que desenvolvem sua própria matriz polimérica encapsulante. Existem biofilmes no corpo humano, como a placa dentária, mas também são extremamente comuns no solo e em ambientes industriais, onde podem danificar equipamentos e causar riscos à saúde.

“A matriz polimérica que eles secretaram é o que torna os biofilmes tão difíceis de remover das superfícies e de tratar com antibióticos”, diz Datta. “Compreender como as células crescem nessa matriz pode ser a chave para descobrir como controlar melhor os biofilmes”.

Compreendendo a física por trás dos cabos

Através de experiências cuidadosamente concebidas, a equipa descobriu que a pressão externa exercida pelos polímeros que rodeiam as células em divisão é o que força as células a unirem-se e mantém-nas no lugar. Na física, essa força atrativa que está sob o controle de uma pressão externa é chamada de interação de depleção. Gonzalez La Corte usou a teoria da interação de depleção para criar um modelo teórico de crescimento de cabos bacterianos. O modelo pode prever quando um cabo sobreviverá e crescerá em um ambiente polimérico.

“Agora podemos realmente usar teorias estabelecidas de polímero física, que foi desenvolvida para coisas completamente diferentes, nesses sistemas biológicos para prever quantitativamente quando esses cabos surgirão”, diz Datta.

Por que as bactérias formam esses cabos?

“Descobrimos este fenômeno interessante, incomum e muito inesperado”, diz Datta. “Também podemos explicar por que isso acontece de uma perspectiva física mecanicista. Agora a questão é: quais são as implicações biológicas?”

Curiosamente, existem duas possibilidades: as bactérias poderiam estar a aglomerar-se para formar esta rede de gel vivo, num esforço para se tornarem maiores e, portanto, mais difíceis de serem engolidas e destruídas pelas células imunitárias. Alternativamente, a formação de cabos pode ser prejudicial às bactérias. Afinal, as secreções do hospedeiro fazem com que as bactérias construam os cabos. “O muco não é estático; por exemplo, nos pulmões, ele é constantemente varrido por pequenos pelos na superfície dos pulmões e impulsionado para cima”, diz Datta. “Será que quando as bactérias estão todas agrupadas nesses cabos, é realmente mais fácil livrar-se delas – expulsá-las do corpo?”

Por enquanto, ninguém sabe qual possibilidade é a correta, e Datta diz que é isso que faz com que este projeto proceed interessante. “Agora que descobrimos este fenómeno, podemos enquadrar estas novas questões e conceber novas experiências para testar as nossas suspeitas”, diz ele.