Pesquisadores desvendam como bactéria oportunista derrota competidoras

Pesquisa descobriu que bactéria Stenotrophomonas maltophilia injeta coquetel de toxinas em rivais, o que ajuda a criação de novos antibióticos

Bactérias: antibióticos podem vir de outras bactérias (Wikimedia Commons/Wikimedia Commons)

São Paulo — Um grupo de pesquisadores da Universidade de São Paulo (USP) descreveu um sistema presente em uma espécie de bactéria oportunista, encontrada em ambientes hospitalares, capaz de injetar um coquetel de toxinas e eliminar completamente outras bactérias competidoras. A descoberta pode ajudar, futuramente, no desenvolvimento de novos compostos antimicrobianos.

O estudo, apoiado pela FAPESP, foi publicado na PLOS Pathogens por pesquisadores do Instituto de Química e do Instituto de Ciências Biomédicas, ambos da USP.

Os pesquisadores descobriram que a bactéria Stenotrophomonas maltophilia, ao competir com outros microrganismos por espaço e alimento, utiliza um sistema de secreção que produz um coquetel de toxinas para ser injetado nas rivais.

Além disso, os pesquisadores caracterizaram uma das 12 proteínas que compõem o coquetel – Smlt3024 – e observaram que a molécula, sozinha, é capaz de diminuir consideravelmente o ritmo de replicação de outras bactérias.

“Acreditamos que essas toxinas possam ser exploradas como uma forma de tratamento no futuro. Como antibióticos podem vir de outras bactérias, estamos explorando esse arsenal que as próprias bactérias usam para matar outras espécies”, disse Ethel Bayer-Santos, pesquisadora do ICB-USP.

O trabalho é parte do seu projeto de pós-doutorado no IQ-USP, que teve apoio da FAPESP. Atualmente, a pesquisadora conta com Auxílio à Pesquisa na modalidade Apoio a Jovens Pesquisadores.

“O sistema de secreção do tipo 4 [T4SS, na sigla em inglês], como é chamado, é um dos existentes em bactérias e serve para secretar proteínas e DNA em outras células ou no meio extracelular. Recentemente, mostramos que ele está presente em um patógeno de cítricos, a Xanthomonas citri. Agora, o encontramos nessa bactéria, que originalmente vive no solo, mas pode se tornar um patógeno oportunista em ambientes hospitalares”, disse Shaker Chuck Farah, professor do IQ-USP e coordenador do estudo.

A pesquisa está vinculada a dois Projetos Temáticos financiados pela FAPESP: “Sinalização por c-di-GMP e o sistema de secreção de macromoléculas do tipo IV em Xanthomonas citri” e “Estrutura e função de sistemas de secreção bacterianas”.

A descoberta do sistema no patógeno de cítricos havia sido publicada na Nature Communications. Em 2018, o grupo publicou um outro artigo, na Nature Microbiology, em que descreveu a estrutura atômica de grande parte do sistema de secreção usando a técnica de criomicroscopia eletrônica (Cryo-EM) – que permite observar a estrutura de biomoléculas de forma tridimensional no estado em que se encontram.

Guerra bacteriana

A competição entre microrganismos determina qual espécie vai dominar ou ser erradicada de um hábitat específico. Para diminuir a multiplicação das competidoras, ou mesmo matá-las, as bactérias têm à sua disposição variados mecanismos. Um deles é o T4SS, composto ainda de mais de 100 componentes, provenientes das 12 proteínas diferentes encontradas na superfície da célula.

Os pesquisadores observaram que, associados a cada um dos sistemas de secreção encontrados em X. citri e S. maltophilia, além das toxinas há seus respectivos antídotos – estes, para proteger o próprio organismo produtor das toxinas. Quando próximas de uma outra espécie bacteriana, as detentoras desse sistema injetam o coquetel dentro da competidora apenas pelo contato ou usando uma pilus, estrutura semelhante a uma agulha.

Para testar a ação do sistema, os pesquisadores realizaram uma série de experimentos de competição entre bactérias. Em um deles, foram colocadas em um mesmo meio exemplares de S. maltophilia e de Escherichia coli, espécie bastante usada em experimentos laboratoriais.

As E. coli mal começavam a se multiplicar e as S. maltophilia se aproximavam e as eliminavam. O mesmo efeito foi observado contra Klebsiella pneumoniae, Salmonella Typhi e Pseudomonas aeruginosa, esta última conhecida por infectar pacientes com fibrose cística.

Outro experimento consistiu em testar o efeito da Smlt3024 sozinha em outras bactérias. Exemplares de E. coli expressando a toxina no citoplasma não tiveram seu crescimento alterado.

No entanto, quando tinham, além do gene Smlt3024, uma chamada sequência sinal – alguns aminoácidos que alteram a localização da proteína –, a toxina foi direcionada para o periplasma (região localizada entre as membranas interna e externa das bactérias), exatamente como faz o sistema original de S. maltophilia e X. citri. Nesse caso, a divisão celular das E. coli foi reduzida consideravelmente, mostrando o efeito da proteína.

Apesar de ambas possuírem o mesmo sistema, S. maltophilia e X. citri expodem matar-se uma a outra usando o T4SS, conforme revelou outro experimento. Os estudos mostraram ainda que componentes essenciais de um sistema podem ser substituídos por seus homólogos do outro e que o T4SS de uma bactéria pode secretar as toxinas de outra.

São evidências de que há semelhanças nas estruturas que podem ser estudadas futuramente na exploração de T4SS similares (homólogos) identificados em dezenas de outras espécies bacterianas.

Novos estudos podem permitir que outros pesquisadores desenvolvam moléculas com efeito de inibir a ação desse sistema, o que poderia ser explorado em novos medicamentos.

“Podemos fazer triagens de drogas que possam se ligar nesse sistema e inibir alguma etapa importante da transferência das toxinas de uma célula para outra. Isso poderia diminuir a sobrevivência dessas bactérias em alguns ambientes”, disse Farah.

“A própria toxina poderia ser usada como um agente antimicrobiano, mas outros estudos precisam ser realizados para testar essa possibilidade”, disse Bayer-Santos.

O estudo tem ainda três outros autores apoiados pela FAPESP, todos no IQ-USP. Bruno Yasui Matsuyama, pós-doutorando, Gabriel Umaji Oka, também pós-doutorando, e William Cenens, que realizou estágio de pós-doutorado até 2019.

O artigo The opportunistic pathogen Stenotrophomonas maltophilia utilizes a type IV secretion system for interbacterial killing (doi: 10.1371/journal.ppat.1007651), de Ethel Bayer-Santos, William Cenens, Bruno Yasui Matsuyama, Gabriel Umaji Oka, Giancarlo Di Sessa, Izabel Del Valle Mininel, Tiago Lubiana Alves e Chuck Shaker Farah, está disponível em: www.journals.plos.org/plospathogens/article?id=10.1371/journal.ppat.1007651.