Julia Schwartzman, Ali Ebrahimi e Grayson Chadwick
Bactérias marinhas normalmente vistas como células únicas se juntam como um “globo de neve microscópico” para consumir carboidratos flutuantes volumosos.
Feche os olhos e imagine as bactérias. Talvez você esteja imaginando nossa Escherichia coli intestinal, ou as brilhantes bolas douradas de estafilococos, ou os cachos de espiroquetas da doença de Lyme. Independentemente da espécie e da sua forma, é provável que o olho da sua mente evoque uma única célula, ou talvez várias células de vida livre.
O problema com essa imagem, diz a microbióloga Julia Schwartzman, é que ela não reflete como a maioria das bactérias provavelmente viverá. Muitas vezes, as bactérias usam moléculas pegajosas para ancorar-se a uma superfície, crescendo em coletivos grandes e estáveis chamados biofilmes. A placa nos dentes é um biofilme; o mesmo acontece com as infecções nos cateteres, o verde viscoso da espuma da lagoa e a gosma entupindo o ralo da banheira.
Mas o trabalho recente de Schwartzman, que ela conduziu como bolsista de pós-doutorado no laboratório de Otto Cordero no Massachusetts Institute of Technology, mostra que mesmo bactérias flutuando em mar aberto, que não possuem um ponto de ancoragem para formar grandes conglomerados, existem em formas multicelulares.
“Vimos essas estruturas que eram simplesmente incríveis”, disse ela.
Como Schwartzman, Cordero e seus colegas mostraram em seu recente artigo na Current Biology, essas formas multicelulares surgiram porque as bactérias desenvolveram um ciclo de vida muito mais complexo do que geralmente é visto em organismos unicelulares.
Companhia para Jantar
Schwartzman chegou a essas descobertas sobre a multicelularidade em bactérias marinhas enquanto tentava aprender algo mais fundamental: como elas comem.
Em mar aberto, muitas vezes a única fonte de energia para micróbios marinhos é um carboidrato gelatinoso chamado alginato. Ao contrário da glicose, frutose e outros açúcares simples que podem atravessar facilmente a membrana celular, o alginato é composto de fios longos e enrolados que geralmente são maiores do que as bactérias que os alimentam. Schwartzman queria saber mais sobre como as bactérias se alimentam com eficiência, já que as enzimas digestivas que elas secretam para quebrar o alginato podem ser facilmente diluídas e varridas nas águas do oceano aberto.
É por isso que ela e Ali Ebrahimi, outro pós-doutorando no laboratório de Cordero, começaram a medir o crescimento da bactéria marinha luminescente Vibrio splendidus em frascos de caldo quente carregados de alginato. Em muitos experimentos de microbiologia, os cientistas fornecem aos micróbios uma miscelânea de nutrientes para estimular as células a se dividirem o mais rápido possível, mas os frascos de Schwartzman e Ebrahimi forçaram a bactéria Vibrio a subsistir em quantidades relativamente pequenas de polímeros de alginato de tamanho grande, assim como eles fazem no ser.
No entanto, quando Schwartzman começou a coletar dados, ela pensou que havia cometido um erro de principiante. À medida que as bactérias se multiplicam, elas transformam o caldo de cultura claro e de cor âmbar em um ensopado escuro. Ao medir a obscuridade, Schwartzman pôde extrapolar o número de micróbios no frasco e construir uma curva de crescimento para estimar a rapidez com que as células estavam se dividindo. Os bacteriologistas estimam as taxas de crescimento dessa maneira há décadas. Como pós-doutoranda, Schwartzman perdera a conta de quantas vezes fizera isso ao longo dos anos.
A curva de crescimento para suas culturas Vibrio, no entanto, não mostrava a habitual linha ascendente suave, mas sim um rabisco irregular como o trilho de uma montanha-russa. Não importa quantas vezes ela repetisse o processo, a bactéria não produzia a turvação esperada no caldo.
Um globo de neve microscópico
Para verificar o que estava acontecendo, Schwartzman depositou uma gota da solução de cultura em uma lâmina de microscópio de vidro e olhou através da lente com ampliação de 40 vezes. O que ela e Ebrahimi viram não foram enxames de Vibrio individuais, mas sim belos orbes em camadas, consistindo de centenas ou milhares de bactérias vivendo juntas.
“Não era apenas uma bolha de bactérias”, disse Schwartzman. “É uma coisa esférica, e você pode ver as células se misturando no meio.”
Trabalhos posteriores mostraram que as esferas ocas eram a solução de Vibrio para o complicado desafio de comer no mar. Uma bactéria individual pode produzir apenas uma certa quantidade de enzimas; a quebra do alginato é muito mais rápida quando o Vibrio pode se agrupar. É uma estratégia vencedora, diz Schwartzman – até certo ponto. Se houver muitos Vibrio, o número de bactérias supera o alginato disponível.
A bactéria resolveu o enigma desenvolvendo um ciclo de vida mais complexo. As bactérias vivem em três fases distintas. No início, uma célula individual se divide repetidamente e as células filhas se amontoam em aglomerados crescentes. Na segunda fase, as células aglomeradas se reorganizam em uma esfera oca. As células mais externas se colam, formando algo parecido com um globo de neve microscópico. As células no interior tornam-se mais móveis, nadando à medida que consomem o alginato aprisionado. Na terceira fase, a camada externa quebradiça se rompe, liberando as células internas bem alimentadas para recomeçar o ciclo.
Com efeito, o Vibrio torna-se uma mistura heterogênea de células, com as bactérias usando genes diferentes para controlar seu comportamento em cada fase. À medida que as células interagem com suas vizinhas na estrutura, o que emerge é “uma quantidade surpreendente de complexidade”, disse Schwartzman, que está lançando seu próprio laboratório na Universidade do Sul da Califórnia em janeiro. “As bactérias estão constantemente recebendo informações de seu ambiente e, às vezes, respondem de maneiras que mudam o ambiente”.
Essa complexidade compensa para o Vibrio de várias maneiras. Ao alterar seu ciclo de vida para incluir um estágio multicelular, as bactérias podem digerir o alginato com eficiência: seus números aumentam e a casca oca ajuda a concentrar as enzimas. Enquanto isso, a estrutura da comunidade impede que muitas células nasçam. As células da casca perdem a oportunidade de se reproduzir, mas seu DNA continua vivo na próxima geração, já que todas as células do orbe são clones.
Quão comum é a multicelularidade?
O trabalho é “um belo artigo”, segundo Jordi van Gestel, que estuda a evolução do desenvolvimento microbiano no Laboratório Europeu de Biologia Molecular e não esteve envolvido na pesquisa. Van Gestel diz que os resultados reforçam a ideia de que, longe de ser a exceção, a vida em grupo microbiano é a norma.
“Ilustra lindamente a complexidade do ciclo de vida em bactérias tão simples”, disse ele.
Anahit Penesyan, microbiologista da Universidade Macquarie, na Austrália, diz que o trabalho de Schwartzman e Cordero oferece um desafio útil aos preconceitos sobre bactérias. “Está gravado em nosso entendimento que um micróbio é apenas uma única célula”, disse ela e, como consequência, os pesquisadores geralmente não estão procurando comportamentos complexos que possam dominar a vida microbiana. “É como olhar para uma semente ou esporo de planta e tentar inferir como é a planta inteira.”
A nova descoberta do Vibrio se soma a uma lista crescente de micróbios que podem se tornar multicelulares por pelo menos parte de sua vida. No ano passado, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia relataram que as leveduras unicelulares em seu laboratório desenvolveram uma enorme forma multicelular em apenas dois anos. E em outubro, pesquisadores no Japão anunciaram a descoberta de bactérias que crescem em estruturas multicelulares nas paredes das cavernas; quando as rochas são imersas por correntes subterrâneas, as estruturas ejetam células especializadas como sementes para colonizar outros locais.
Schwartzman e van Gestel acreditam que a capacidade de multicelularidade evoluiu no início da história da vida e é compartilhada com os primos antigos das bactérias, os archaea, que também parecem unicelulares. Eles acham que é apenas uma questão de tempo até que os pesquisadores encontrem outras espécies com propriedades semelhantes – e Schwartzman já começou a procurar.
James Shapiro, um microbiologista aposentado da Universidade de Chicago, tem poucas dúvidas de que ela o encontrará.
A partir da década de 1980, Shapiro e outros luminares da microbiologia, como Bonnie Bassler, da Universidade de Princeton, mostraram que o estilo de vida unicelular de bactérias bem estudadas era muitas vezes um artefato dos ambientes de frascos artificiais em que foram cultivadas. Em um artigo de 1998 na Revisão Anual de Microbiologia, Shapiro argumentou que as bactérias não são solitárias unicelulares. “Cheguei à conclusão de que basicamente todas as bactérias são organismos multicelulares”, disse ele.
Ao longo de sua carreira de quatro décadas, Shapiro viu sua hipótese se transformar de quase herética para incontroversa. “No começo, eu recebi apenas atenção confusa, mas agora se tornou sabedoria convencional”, disse ele. “A multicelularidade é uma propriedade inerente das bactérias.”
Nota do editor: Cordero é co-diretor da Simons Collaboration on Principles of Microbial Ecosystems. A pesquisa de Schwartzman, Cordero e seus colegas foi apoiada através dessa colaboração da Simons Foundation, que também patrocina esta revista editorialmente independente.
Publicado em 07/11/2022 12h17
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