doi.org/10.1038/s41567-024-02457-5
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#Bactéria
Um novo estudo realizado por pesquisadores da Universidade Chinesa de Hong Kong relatou o surgimento de ondas espirais mecânicas na matéria bacteriana.
Ondas espirais são comumente vistas em sistemas artificiais e naturais (como o coração).
Estes emergem das interações de elementos vizinhos, como as células cardíacas, no caso do coração.
Essas ondas espirais podem ter efeitos variados, às vezes levando a condições potencialmente fatais, como fibrilação no coração.
O novo estudo, publicado na Nature Physics, explora ondas espirais em bactérias – algo que nunca foi observado antes.
Em particular, o foco dos investigadores esteve na espécie Pseudomonas aeruginosa.
Eles são comumente encontrados no solo e na água e também colonizam hospitais.
A pesquisa é uma continuação de seu trabalho anterior, onde os autores estudaram o transporte de materiais de longo alcance em comunidades bacterianas através de canais de fluidos abertos.
O coautor do estudo, Dr. Shiqi Liu, disse ao Phys.org: “Enquanto estudávamos o desenvolvimento de canais bacterianos, descobrimos assinaturas de ondas de densidade e ficamos intrigados com esse belo padrão de onda”.
Motores Pilus Essas ondas espirais observadas pelos pesquisadores em bactérias são um fenômeno emergente.
Os fenômenos emergentes são um aspecto crucial dos sistemas complexos, que são sistemas onde a interação de entidades individuais leva a fenômenos que de outra forma não poderiam ser observados.
Isto significa que precisamos de compreender o que está acontecendo ao nível de cada entidade, que neste caso é uma bactéria Pseudomonas aeruginosa.
Essas bactérias possuem motores pilus, que são a chave para as ondas espirais.
Os motores pilus são motores moleculares, que estão ligados aos pili – apêndices finos, semelhantes a cabelos, presentes na superfície da célula bacteriana.
Esses motores desempenham um papel importante em vários processos da bactéria, como movimento e fixação à superfície.
“A propagação das ondas espirais resultou da atividade coordenada do motor do pilus, uma organela móvel semelhante a um gancho encontrada em muitas espécies de bactérias”, explicou um co-autor do estudo, Dr. Os movimentos mecânicos dos motores do pilus em muitas bactérias resultam nessas ondas espirais, que são como ondulações na superfície bacteriana.
Marcadores de proteínas e osciladores acoplados Para estudar as ondas espirais, os pesquisadores empregaram técnicas experimentais e modelagem matemática.
Os pesquisadores confiaram no uso de proteínas fluorescentes como marcadores.
Eles rastrearam o movimento de células individuais marcando uma pequena fração da população com essas proteínas fluorescentes.
Em seguida, eles usaram um microscópio para observar o comportamento de bactérias individuais e de populações bacterianas.
Os pesquisadores também usaram os marcadores para rastrear densidades celulares para visualizar a distribuição espacial das células dentro das populações bacterianas.
Para compreender melhor o papel da atividade motora do pilus na geração de ondas espirais, os pesquisadores trataram populações bacterianas com medicamentos conhecidos por afetarem a atividade motora do pilus.
Ao observar os efeitos desses tratamentos na dinâmica das ondas, eles puderam inferir a importância dos motores pilus na formação das ondas.
Por fim, os pesquisadores desenvolveram um modelo matemático baseado em osciladores acoplados, onde o movimento de um oscilador afeta os demais e vice-versa.
O modelo matemático foi construído para simular o comportamento de populações bacterianas e validar seu trabalho experimental.
Interações não recíprocas e coordenação em larga escala Os pesquisadores descobriram que as ondas espirais resultaram da atividade coordenada dos motores pilus.
Eles também observaram que as ondas eram autossustentáveis e estáveis, com núcleos espirais quase estacionários.
Esta estabilidade é uma característica partilhada por certos tipos de ondas espirais elétricas e químicas encontradas em outros sistemas vivos.
No entanto, as ondas espirais observadas nas bactérias são distintas das outras ondas espirais.
Liu explicou: “As ondas de tensão espiral que descobrimos nas populações bacterianas são devidas a processos mecânicos cíclicos no nível unicelular, distintos das ondas espirais na maioria dos processos químicos/biológicos, onde as ondas espirais estão na forma de ondas oscilantes.
concentração química.” “Além disso, as ondas espirais de tensão nas populações bacterianas emergem espontaneamente sem estimulação externa ou falta de homogeneidade, enquanto as ondas espirais em muitos outros sistemas requerem estimulação ou falta de homogeneidade espacial.” Além disso, os pesquisadores demonstraram o papel das interações não recíprocas entre as células bacterianas nas ondas espirais.
Eles descobriram que essas interações (que são assimétricas, o que significa que o impacto de uma célula sobre outra não é espelhado) são essenciais para a formação estável de ondas espirais.
Essencialmente, isto significa que estas interações podem levar a uma forma de auto-organização (ou sustento) que dá origem a comportamentos coletivos em grande escala ou a fenómenos emergentes, como a propagação de ondas espirais.
Biofilmes e dispersão As descobertas esclarecem as populações e o comportamento bacteriano, como a formação de biofilmes.
Quando as bactérias aderem a uma superfície, isso ocorre através da produção de substâncias poliméricas extracelulares (EPS).
Esta substância forma uma comunidade estruturada conhecida como biofilme, de modo que a bactéria fica incorporada em uma matriz de EPS, protegendo as bactérias de estresses ambientais como antibióticos e respostas imunológicas do hospedeiro.
Todo esse processo, conhecido como formação de biofilmes, é essencial para a sobrevivência das colônias bacterianas.
O oposto deste fenómeno – a dispersão – é igualmente importante.
Quando as bactérias dentro de um biofilme se desprendem e se espalham para novos locais, isso é conhecido como dispersão.
A dispersão pode ocorrer em resposta a estímulos ambientais, disponibilidade de nutrientes ou como parte do ciclo de vida da bactéria.
Este mecanismo pode ajudar as bactérias a colonizar novas superfícies ou ambientes hospedeiros e pode influenciar a propagação de doenças infecciosas ou a formação de comunidades microbianas em vários ecossistemas.
Os pesquisadores acreditam que os motores pilus não servem apenas como atuadores mecânicos, mas também como sensores.
Isso significa que eles podem detectar estímulos mecânicos no ambiente, o que permite movimentos sincronizados dentro das populações bacterianas.
“Acreditamos que a coordenação ou acoplamento das atividades do pilus permite que as populações bacterianas controlem as forças de tensão em grande escala e podem influenciar a sua dispersão”, explicou o Dr. Portanto, compreender as ondas espirais pode ajudar a compreender o comportamento das espécies bacterianas.
Além disso, ondas espirais estacionárias são encontradas em diversos sistemas.
“O padrão de onda na matéria bacteriana alimentada pelo pilus pode, portanto, fornecer um análogo mecânico tratável para investigar a origem e o controle de ondas espirais estáveis em diversos sistemas vivos, como os tecidos cardíacos”, explicou o Dr. Para trabalhos futuros, os pesquisadores querem estudar como as ondas espirais podem ser controladas.
“A informação pode orientar o controle de ondas espirais estáveis em outros sistemas vivos.
Por exemplo, o controle de ondas espirais em tecidos cardíacos associados a arritmias cardíacas potencialmente fatais”, disse o Dr. Wu.
Publicado em 17/04/2024 12h12
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