Eletricidade bacteriana: potencial de membrana influencia a tolerância a antibióticos

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O potencial elétrico através do envelope da célula bacteriana indica quando as bactérias não operam mais como células individuais, mas como um coletivo. Pesquisadores do Instituto de Física Biológica da Universidade de Colônia descobriram essa conexão entre as propriedades elétricas e o estilo de vida das bactérias. Embora as bactérias sejam organismos unicelulares, elas formam comunidades estruturadas espacialmente, os chamados biofilmes. Dentro dos biofilmes, as bactérias se comportam como um coletivo e podem se proteger melhor contra estresses externos como antibióticos. Até agora, era amplamente desconhecido como funciona a transição de uma única bactéria para uma comunidade tão complexa. Os pesquisadores examinaram como as propriedades elétricas das bactérias mudam durante a formação do biofilme e descobriram padrões característicos do potencial elétrico que evoluem no espaço e no tempo. Esses padrões se correlacionam com o desenvolvimento de novos habitats com vários graus de tolerância a antibióticos. Os pesquisadores descrevem suas descobertas no artigo ‘Dinâmica de polarização coletiva em colônias bacterianas significam a ocorrência de subpopulações distintas’ no Journal PLOS Biologia.

Bactérias isoladas criam um potencial elétrico através de seu envelope (a membrana) e, portanto, são eletricamente polarizadas. Para a célula, essa polarização é uma importante fonte de energia para a respiração, a absorção de nutrientes e a exportação de toxinas. Avanços metodológicos recentes permitiram aos pesquisadores examinar a dinâmica do potencial de membrana na escala de células bacterianas individuais. Esses estudos revelaram que o potencial de membrana de células individuais flutua independentemente de suas células vizinhas.

Como o potencial muda durante o desenvolvimento do biofilme e quais fatores ambientais influenciam o potencial? Como o potencial se relaciona com o comportamento de crescimento das células e sua tolerância a antibióticos? Essas questões agora foram colocadas por uma equipe de pesquisadores do Instituto de Física Biológica liderada pelo professor Berenike Maier. Eles examinaram os estágios iniciais da formação do biofilme de Neisseria gonorrhoeae (também conhecido como gonococo), o agente causador da gonorreia, uma das doenças sexualmente transmissíveis mais comuns, que pode causar gravidez ectópica e infertilidade. Em poucos minutos, os gonococos se auto-montam em colônias esféricas que compreendem milhares de bactérias. “Usando microscopia de luz avançada e análise de imagem, podemos medir a dinâmica do potencial de membrana de células individuais nessas colônias”, explica o primeiro autor, Dr. Marc Hennes. “O potencial não está correlacionado dentro de colônias frescas de bactérias. Quando a colônia atinge um tamanho crítico, observamos algo completamente inesperado: todas as células no centro de repente aumentam seu potencial; elas hiperpolarizam.” Eventualmente, uma casca de células hiperpolarizadas ocorre no centro da colônia e viaja através da colônia. Atrás dessa casca, o potencial no centro é menor. Os pesquisadores interpretaram esse fenômeno de padrões de polarização correlacionados espaço-temporais como a transição para o comportamento coletivo, indicativo da formação de biofilme. Uma combinação de simulações de computador e experimentos de laboratório úmido mostraram fortes evidências de que esse padrão de polarização está ligado a uma mudança na disponibilidade de oxigênio. Esse padrão existe porque as células no centro esgotam o oxigênio mais rapidamente do que a difusão o reabastece.

Uma questão importante, portanto, era se o padrão de polarização da membrana se correlacionava com a bem conhecida heterogeneidade funcional dos biofilmes. De fato, as bactérias diminuíram sua taxa de crescimento após terem passado pelo processo de hiperpolarização, enquanto a taxa de crescimento das bactérias residentes na superfície da colônia permaneceu alta. Além disso, as bactérias no centro da colônia mostraram maior tolerância aos antibióticos. O aumento da tolerância aos antibióticos é um problema médico agudo no tratamento de biofilmes. Os mecanismos moleculares de tolerância são objeto de um projeto financiado pelo Centro de Medicina Molecular de Colônia da UoC.

O objetivo futuro é entender melhor os mecanismos moleculares subjacentes à formação de padrões de polarização e sua relação com a tolerância a antibióticos. Esta pesquisa será realizada dentro de um novo programa prioritário financiado pela Fundação Alemã de Pesquisa (Deutsche Forschungsgemeinschaft).

Com informações de Science Daily.

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