Nas profundezas do fundo do mar, pequenas bactérias “exalam” eletricidade por meio de longos e finos snorkels e, agora, os cientistas descobriram como ligar e desligar a respiração elétrica desses micróbios.
Essas bactérias bizarras dependem de duas proteínas, que se unem em uma única estrutura semelhante a um cabelo chamada pilus, relataram os pesquisadores em um novo estudo publicado na quarta-feira (1º de setembro) na revista Nature. Muitos desses pelos ficam logo abaixo da membrana bacteriana e ajudam a empurrar os snorkels para fora da célula e para o ambiente circundante, permitindo assim que o micróbio respire.
Esta descoberta não apenas revela algo inesperado sobre a biologia da bactéria, mas também pode abrir caminho para novas tecnologias, desde poderosas baterias movidas a micróbios a novos tratamentos médicos para infecções bacterianas, autor sênior Nikhil Malvankar, professor assistente de biofísica molecular e bioquímica em Yale Instituto de Ciências Microbianas da Universidade, disse ao Live Science.
A bactéria pertence ao gênero Geobacter e pode ser encontrada em todo o mundo, crescendo no subsolo em solos totalmente desprovidos de oxigênio. Os humanos dependem do oxigênio para converter alimentos em energia utilizável e para absorver os elétrons que sobram desse processo metabólico. Se os elétrons restantes se acumulassem, eles se tornariam rapidamente tóxicos para o corpo, disse Malvankar.
Assim como os humanos, os micróbios Geobacter geram elétrons residuais durante o metabolismo, mas não têm acesso ao oxigênio como nós. Portanto, para se livrar do excesso de elétrons, as bactérias se revestem de finos filamentos condutores, chamados de nanofios, que podem transportar elétrons para fora dos micróbios e para outras bactérias ou minerais no ambiente, como o óxido de ferro.
Esses nanofios finos são 100.000 vezes menores do que a largura de um cabelo humano e podem transportar elétrons por grandes distâncias, centenas a milhares de vezes o comprimento do corpo do micróbio original, a Live Science relatou anteriormente.
“Não consigo respirar oxigênio, que está a cerca de 100 metros de distância de mim”, disse Malvankar. “E, de alguma forma, essas bactérias estão usando esses nanofios como um snorkel que tem 100 vezes o seu tamanho, para que possam continuar respirando por distâncias tão longas.” Esse feito impressionante gera uma corrente elétrica, à medida que os elétrons fluem continuamente através dos longos nanofios.
Mas embora os cientistas tenham descoberto esses nanofios no início dos anos 2000, Malvankar e seus colegas só recentemente descobriram do que os snorkels celulares são realmente feitos. Inicialmente, os cientistas presumiram que os nanofios eram pili. Essa noção parecia ser apoiada pelo fato de que, se você excluir os genes necessários para a construção dos pili das bactérias Geobacter, os nanofios não aparecerão mais em suas superfícies, disse Malvankar.
Mas havia um problema: as proteínas Pili não contêm nenhum metal, como o ferro, que conduz eletricidade. Malvankar e sua equipe investigaram esse enigma em um estudo de 2019, publicado na revista Cell, durante o qual examinaram bactérias Geobacter usando microscopia crioeletrônica (crio-EM), uma técnica que envolve lançar um feixe de elétrons através de uma substância para obter um instantâneo de suas moléculas componentes.
“Foi quando percebemos que não há pili na superfície bacteriana”, disse Malvankar. “Foi uma grande surpresa.” Em vez disso, a equipe descobriu que os nanofios eram feitos de proteínas chamadas citocromos, que transferem elétrons rapidamente e, portanto, são nanofios muito melhores do que os pili. Em um estudo de 2020, publicado na revista Nature Chemical Biology, a equipe relatou que esses nanofios baseados em citocromo vêm em vários “sabores”, que conduzem eletricidade com diferentes níveis de eficiência.
Mas mesmo depois que a equipe revelou a composição química dos nanofios, as proteínas do pili ainda apareciam em suas avaliações bioquímicas da bactéria Geobacter. Se o pili não estivesse conduzindo eletricidade, “a grande questão real era, você sabe, o que esses pili realmente fazem? Onde eles estão?” Malvankar disse.
Em seu mais recente estudo da Nature, a equipe olhou mais de perto a estrutura desses pili, primeiro excluindo os genes para nanofios em Geobacter sulfurreducens cultivada em laboratório. Os pili normalmente seriam bloqueados pelos nanofios, portanto, sem essas estruturas no caminho, as projeções semelhantes a fios de cabelo brotavam da superfície das células. Isso deu à equipe a chance de examinar o pili com crio-EM, que revelou as duas proteínas distintas – PilA-N e PilA-C – dentro de cada cabelo.
A equipe também fez testes para ver como os pili conduziam eletricidade e descobriram que “eles movem elétrons 20.000 vezes mais devagar do que o OmcZ”, a proteína citocromo que forma os nanofios Geobacter mais altamente condutores, disse Malvankar; “eles simplesmente não foram feitos para mover elétrons.”
Dito isso, os pili pareciam ter uma função diferente, a equipe notou. Em outras espécies bacterianas, alguns pili ficam abaixo da membrana celular e se movem como minúsculos pistões; esse movimento permite que elas empurrem as proteínas através da membrana, para cima e para fora da célula. Por exemplo, a bactéria Vibrio cholerae, que causa a doença diarreica, cólera, usa esse pili para secretar a toxina da cólera, de acordo com um relatório de 2010 na revista Nature Structural & Molecular Biology. Em uma série de experimentos, a equipe determinou que os pili no Geobacter cumprem um papel semelhante, pois ajudam a empurrar os nanofios através da membrana microbiana.
“Descobrimos que os citocromos ficam presos dentro da bactéria quando a proteína do pistão não está lá”, disse Malvankar. “E quando colocamos o gene de volta, os citocromos são capazes de sair da bactéria.” Esse, então, era o botão liga-desliga da bactéria, concluiu a equipe.
Olhando para o futuro, os pesquisadores planejam investigar quantos outros tipos de bactérias constroem nanofios e os usam para respirar eletricidade. Eles também estão interessados em explorar aplicações práticas para a pesquisa.
Os pesquisadores usaram colônias de Geobacter para alimentar pequenos componentes eletrônicos por mais de uma década, mas até agora, essas baterias bacterianas podem produzir apenas pequenas quantidades de energia, a Live Science relatou anteriormente. Em pesquisas anteriores, Malvankar e sua equipe descobriram que as colônias podem se tornar mais condutoras sob a influência de um campo elétrico, o que pode ajudar a aumentar a potência desses dispositivos; agora, a nova pesquisa pode fornecer aos cientistas outro grau de controle, permitindo que liguem ou desliguem a eletricidade.
Essa pesquisa também pode ter aplicações na medicina e, em particular, no tratamento de infecções bacterianas, disse Malvankar. Por exemplo, Salmonella consegue superar as bactérias benéficas no intestino porque pode mudar da fermentação, que produz energia lentamente sem a necessidade de oxigênio, para a respiração, que produz energia rapidamente e geralmente requer oxigênio, a Live Science relatou anteriormente. No ambiente de baixo oxigênio do intestino, a Salmonella usa um composto chamado tetrationato como substituto do oxigênio, superando assim as bactérias benéficas no corpo.
Mas e se essas bactérias úteis pudessem levantar uma perna? Em teoria, se você equipasse as bactérias com nanofios e os introduzisse no intestino, como uma espécie de tratamento probiótico, eles poderiam superar a competição de patógenos nocivos como a Salmonella, disse Malvankar. Malvankar e seus colegas estão estudando esse curso potencial de tratamento, mas o trabalho ainda está em seus estágios iniciais.
Publicado em 07/09/2021 14h50
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