A linguagem das bactérias

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M I C R O B I O L O G I A

A LINGUAGEM Ao contrário do que se pensava

há alguns anos, bactérias são seres

complexos e capazes de se comunicar

e agir coordenadamente.

Há poucas décadas, cientistas

descobriram que diversas espécies

de bactérias produzem moléculas,

chamadas de auto-indutores,

com as quais se comunicam entre si

e com outros tipos de células.

Esse sistema de comunicação,

denominado quorum sensing,

é também utilizado para regular

algumas características

bacterianas, desde as ligadas

à sobrevivência até as

determinantes de patogenicidade

(capacidade de causar doença).

Cientistas já imaginam

a possibilidade de interferir nesse

processo de comunicação e regulação

e, dessa forma, manipular

a expressão de genes bacterianos,

o que, além de ampliar

a compreensão do comportamento

das bactérias, permitiria desenvolver

terapias e medicamentos

contra inúmeras doenças.

Luis Caetano Martha AntunesDepartamento de Microbiologia,Universidade de Iowa (Estados Unidos)[email protected]



A bactéria Pseudomonasaeruginosa utiliza mecanismosde quorum sensingpara só expressar fatoresde virulência quandosua população no hospedeiro(o homem, por exemplo)atinge determinada densidade

A bactéria Pseudomonasaeruginosa utiliza mecanismosde quorum sensingpara só expressar fatoresde virulência quandosua população no hospedeiro(o homem, por exemplo)atinge determinada densidade

A LINGUAGEM

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DAS BACTÉRIASAté o final dos anos 60 acreditava-se que as bactérias não passa-

vam de células individuais, que apenas buscavam

nutrientes e se multiplicavam. Nas últimas déca-

das, porém, diversos estudos mostraram que esses

microrganismos podem se comunicar, tanto entre

si quanto com células eucarióticas (as que têm nú-

cleo definido), como as do corpo humano. Verificou-

se ainda que, além de emitir e receber sinais, bac-

térias também os empregam para agir em grupo e em

benefício próprio com certa eficácia.

Esse fenômeno surpreendente foi descoberto em

bactérias luminescentes que vivem em órgãos lumi-

nosos e intestinos de lulas, peixes e outros animais

marinhos. Nos anos 50, cientistas notaram que a água

do mar de praticamente qualquer parte da Terra

continha bactérias que, quando cultivadas, tinham

a capacidade de emitir luz. O fenômeno chamou a

atenção de diversos grupos de pesquisa na época e

levou ao surgimento de mais uma área da bioquími-

ca, o estudo da bioluminescência.

Após anos de estudo no campo, pesquisadores

notaram, no início dos anos 70, não só que essas

bactérias eram capazes de produzir luz, mas tam-

bém que isso só ocorria após um número grande de

bactérias ter se acumulado em determinado ambien-

te. Em situações onde poucas bactérias eram encon-

tradas, nenhuma luz era detectada. De acordo com

essa observação estava o achado de que essas bacté-

rias, da espécie Vibrio fischeri, produziam luz no

interior dos órgãos luminosos da espécie de lula

Euprymna scolopes (figura 1), onde altas concentra-

ções celulares podem ocorrer, mas não o faziam

quando se encontravam livres na água do mar, onde

não atingiam concentrações elevadas.

Esse fenômeno é um exemplo de relação simbiótica

onde as duas partes se beneficiam e um mecanismo

de sobrevivência importante para ambas as espécies.

As águas habitadas por esses organismos são geral-

mente rasas e, à noite, a Lua é a única fonte de luz

disponível. Por isso, os predadores podem detectar

com facilidade as sombras de suas presas (a lula, no

caso) se movimentando à frente da luz da Lua. No

entanto, a produção de luz no órgão luminoso da lula

mascara sua sombra, diante da luz da Lua, o que

confunde seus predadores, evitando que seja atacada.

Ajudando seu hospedeiro a sobreviver, as bactérias

luminescentes garantem abrigo e um ambiente farto

em nutrientes. Já quando estão dispersas no mar, a

produção de luz seria um gasto desnecessário de

energia, pois não traria qualquer vantagem.

Quando essas bactérias dispersas na água encon-

tram algum volume de matéria orgânica em decom-

posição (um peixe morto, por exemplo), depositam-

se sobre sua superfície e se multiplicam, logo alcan-

çando uma densidade que aciona a emissão de luz.

Com isso, elas atraem peixes ou outros animais, que,

ao comerem o material orgânico, também as inge-

rem, dando a elas mais uma vez um lugar cômodo

para viver e reiniciando o ciclo.

O fenômeno da regulação da produção de luz em

bactérias marinhas representa um exemplo de como

a evolução agiu de maneira a produzir relações

simbióticas extremamente estáveis entre as mais

diversas espécies de organismos. A identificação

desse fenômeno trouxe inúmeras perguntas, tornan-

do necessário investigar como tal comunicação ocor-

re, que características bacterianas são reguladas por

Figura 1. O fenômeno da produçãode luminescência dependente da densidadepopulacional da bactéria Vibrio fischeri foi descobertoem estudos com a lula Euprymna scolopes

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DAS BACTÉRIAS

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KEYSTON

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esse sistema e qual é objetivo desse mecanismo, entre

outros pontos, na tentativa de se esclarecer melhor

sua importância biológica.

DESCOBERTA A LINGUAGEMDAS BACTÉRIAS

Depois de muitos anos de estudos, as respostas para

algumas das perguntas referentes à regulação gênica

dependente de densidade populacional começaram

a surgir. Mostrou-se que a comunicação intercelular

bacteriana é realizada através da produção e libera-

ção no meio externo de pequenas moléculas, cha-

madas de ‘auto-indutores’ e, em 1994, esse fenôme-

no recebeu o nome de quorum sensing (do inglês,

‘sentir o quorum’). Esse termo foi cunhado porque a

ativação do fenômeno depende de uma densidade

populacional (quorum) elevada.

Quando as bactérias estão presentes em pequena

quantidade em um ambiente, a concentração de

auto-indutores é muito baixa para ser detectada.

Entretanto, assim que um número maior de células

é alcançado, essa concentração atinge um certo ‘li-

mite’, fazendo com que as bactérias ali presentes

‘sintam’ essas moléculas (figura 2) e ativem ou re-

primam genes específicos. Essa alteração de com-

portamento de acordo com a densidade populacio-

nal faz com que os genes expressos em uma situação

de baixa concentração celular sejam diferentes dos

que serão expressos quando for alcançado um nú-

mero maior de indivíduos, de acordo com o interes-

se fisiológico da bactéria em cada um desses mo-

mentos.

Muitas moléculas diferentes já foram descritas

como auto-indutores. Alguns dos principais exem-

plos são (i) as acil-homoserina-lactonas (AHLs), mo-

léculas também chamadas de ‘auto-indutor 1’ (figura

3); (ii) moléculas agrupadas sob o nome de ‘auto-

indutor 2’, de estrutura em geral ainda desconheci-

da, sabendo-se apenas que não são AHLs; e (iii)

pequenos peptídios (pequenos pedaços de proteínas)

modificados.

O sistema de sinalização através de auto-indutores

baseia-se na ligação dessas moléculas, quando em

concentrações elevadas, a moléculas sensoras pre-

sentes na superfície ou no interior das bactérias.

Essas moléculas sensoras, chamadas em geral de

‘proteínas R’, atuam como reguladores transcricionais,

ou seja, regulam a expressão de genes específicos,

direta ou indiretamente. Cada uma dessas proteínas

R responde a um auto-indutor específico e em geral

só é bem ativada quando estimulada por essa molé-

cula (figura 4). Auto-indutores inespecíficos, embo-

ra capazes de se ligar às proteínas R, não provocam

ativação ou provocam uma ativação mais fraca.

CONTROLE DA EXPRESSÃODE DIVERSOS GENES

Sabe-se hoje, após muitas pesquisas, que diversas

outras características das bactérias, além da produ-

ção de luz, são controladas por sistemas de quorum

sensing. Isso inclui desde as características relacio-

nadas com a defesa desses microrganismos (como a

própria luminescência), até as essencialmente ofen-

sivas ao hospedeiro (como a liberação de toxinas e

enzimas capazes de provocar doenças).

Podem ser citadas, entre as características regula-

das por quorum sensing, a expressão de enzimas e

antibióticos em Erwinia carotovora, a produção de

pigmento em Chromobacterium violaceum e de

luminescência em Vibrio harveyi e Vibrio fischeri, a

produção de fatores de virulência (agressão ao hospe-

deiro) em Pseudomonas aeruginosa, a competência

(capacidade de receber DNA de outras bactérias) em

Bacillus subtilis, a conjugação (transferência de genes

entre duas bactérias através de contato) em Agrobac-

terium tumefaciens e Enterococcus faecalis, e a ex-

pressão de toxinas em Staphylococcus aureus.

Uma bactéria na qual o papel do quorum sensing

na regulação de genes é bastante compreendido é

a P. aeruginosa. Embora essa bactéria tenha um

grande número de fatores de virulência, muitos não

são expressos constantemente, sendo sua expres-

são dependente da densidade celular. Essa espécie

bacteriana apresenta dois sistemas principais de

Figura 2. Princípio de funcionamento do quorumsensing: se há poucas bactérias em um ambiente (A),a concentração de auto-indutores, muito baixa,não é detectada, mas assim que a densidadepopulacional aumenta (B), essa concentraçãoatinge um certo ‘limite’ e tais moléculassão ‘sentidas’ pelas bactérias presentes

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quorum sensing, cada um deles composto por dois

genes principais que codificam uma enzima respon-

sável pela síntese do auto-indutor (no caso uma AHL)

e uma proteína R, que responde ao auto-indutor.

Os complexos formados por auto-indutores e pro-

teínas R desses dois sistemas controlam a expressão

de genes necessários para a produção de enzimas,

toxinas e produtos metabólicos secundários, como

pigmentos.

Além dessas características, os sistemas de quorum

sensing presentes em P. aeruginosa regulam a for-

mação de biofilmes, um tipo de comunidade organi-

zada de bactérias mais resistente ao sistema imuno-

lógico e a antibióticos. Muitas das características

citadas, além de outras, são extremamente impor-

tantes para a patogenicidade desse microrganismo.

IMPORTÂNCIA BIOLÓGICADO QUORUM SENSING

Tem sido demonstrado que a presença de sistemas de

regulação temporal de genes em bactérias gera mui-

tas vantagens para esses microrganismos. Sistemas

de quorum sensing parecem regular a expressão de

dois grupos principais de moléculas microbianas:

moléculas de superfície e moléculas extracelulares.

Graças a esse sistema de regulação gênica, nos

estágios iniciais de uma infecção bacteriana, são

expressas preferencialmente as moléculas de super-

fície, responsáveis pelo importante processo de ade-

são e menos sensíveis à detecção pelo sistema imune

(por não se espalharem pelo organismo). Nesse mes-

mo momento, as moléculas extracelulares, mais im-

portantes em etapas posteriores da infecção e mais

facilmente detectadas pelo sistema imune (já que

se espalham no corpo através da corrente sangüí-

nea) são pouco expressas. Após o aumento do número

de bactérias no processo infeccioso e, conseqüente-

mente, o acúmulo de auto-indutores, o sistema de

quorum sensing é acionado e a expressão de molé-

culas de superfície é diminuída e as moléculas ex-

tracelulares são preferencialmente expressas. As-

sim, tem sido postulado que os sistemas de quorum

sensing teriam como objetivo evitar a expressão pre-

matura de fatores de virulência em bactérias.

Sabe-se hoje que, para que um processo infeccioso

seja detectado pelo sistema imunológico, é necessá-

ria a presença no organismo de um número razoável

de bactérias e de seus produtos. Além disso, quanto

mais cedo um processo infeccioso é detectado, mais

fácil e rápida será sua eliminação. Dessa forma,

bactérias capazes de controlar sua expressão gênica

e evitar a expressão precoce de seus fatores de viru-

lência poderiam adiar o reconhecimento do processo

infeccioso até que um número maior de bactérias

esteja presente no organismo e, dessa forma, possa

vencer a batalha com o sistema imune. Basicamente,

a principal vantagem do uso de sistemas de quorum

sensing por bactérias na regulação gênica seria a

expressão de cada grupo de genes no momento mais

benéfico para tais microrganismos. �

Figura 3. Estrutura geral de uma moléculade acil-homoserina-lactona (AHL) – o radical ‘X’pode ser oxigênio (O) ou enxofre (S) e o radical ‘R’é uma cadeia acil lateral

Figura 4. No quorum sensing, os auto-indutores,quando em concentração elevada,ligam-se a moléculas sensoras das bactérias(chamadas em geral de ‘proteínas R’), que atuamcomo reguladores da expressão de genes específicos



ALVOS ATRAENTESPARA NOVAS TERAPIAS

A descoberta de que diversos microrganismos utili-

zam quorum sensing para controlar sua virulência

revelou um alvo atraente para o desenvolvimento de

novas terapias antimicrobianas. Além disso, esse

campo de estudo abre enormes possibilidades de

manejo de diferentes características microbianas

em benefício do homem.

O uso de sistemas de quorum sensing como alvo

para terapia antibacteriana poderia ocorrer de diver-

sas formas. Uma delas consistiria em bloquear a

comunicação bacteriana através de auto-indutores,

com o objetivo de impedir que as bactérias expres-

sem seus fatores de virulência tornando-se, conse-

qüentemente, inofensivas. Isso poderia ser obtido de

diferentes formas, como (1) utilizando auto-indutores

inespecíficos, que se ligariam à proteína R mas não

a ativariam, e portanto impediriam a ligação de tais

proteínas aos auto-indutores específicos; e (2) inter-

rompendo as reações biológicas de síntese de auto-

indutores através do uso de análogos de precursores

dessas moléculas (figura 5).

Essa intervenção em mecanismos bacterianos de

quorum sensing poderia levar à descoberta de novas

drogas capazes de combater microrganismos que

têm demonstrado resistência aos antibióticos conhe-

cidos. Parece ainda possível que o bloqueio desse

sistema de comunicação celular seja usado para

impedir a formação de biofilmes bacterianos, tor-

nando as bactérias mais sensíveis a drogas e ao

próprio sistema imunológico humano.

Além de sua importância clínica, a utilização de

intervenções nos sistemas de quorum sensing para

o controle de microrganismos também seria de gran-

de valia na agricultura. Muitas bactérias associadas

a plantas apresentam sistemas de quorum sensing

como parte de seus estilos de vida, sejam eles sim-

bióticos ou patogênicos. Tem sido demonstrado que

a introdução de genes responsáveis pela síntese de

auto-indutores em plantas seria uma maneira efi-

caz de estimular bactérias associadas a esses vege-

tais a produzir antibióticos ou fixar nitrogênio. Tais

atividades evitariam que essas plantas fossem ata-

cadas por bactérias patogênicas, e promoveriam

seu crescimento através da fixação de nitrogênio,

fenômeno biológico tão importante.

Os auto-indutores produzidos por plantas pode-

riam também ativar os sistemas de quorum sensing

de bactérias causadoras de doenças. Com isso, se-

ria estimulada a produção precoce de fatores de vi-

rulência por essas bactérias, permitindo que o siste-

ma de defesa das plantas reconheça e elimine mais

facilmente a infecção. Outra possibilidade de uso do

quorum sensing na agricultura seria a introdução de

genes codificadores de enzimas que degradam auto-

indutores em plantas, protegendo-as de infecções

causadas por patógenos como E. carotovora.

Sistemas de quorum sensing já foram identifica-

dos em mais de 30 espécies de bactérias e, ao que tudo

indica, o número de bactérias que utilizam tal fenô-

meno para regular seus genes é provavelmente muito

maior do que o conhecido hoje. Além disso, seres que

há pouco nos pareciam tão simples e inferiores têm

se mostrado mais complexos e sofisticados à medida

que surgem resultados de novas pesquisas.

Embora a descoberta da capacidade bacteriana de

se comunicar e agir de modo coordenado seja incon-

testável, também parece claro que os dados obtidos

a respeito do assunto, até hoje, representam apenas

uma parcela mínima de tudo o que ainda está por ser

descoberto. Dessa forma, o estudo do quorum sensing

representa não só uma possibilidade magnífica para

o conhecimento mais aprofundado de organismos

com os quais convivemos – de modo amistoso ou

competitivo – durante toda a nossa vida, mas também

uma chance promissora para o controle de doenças

infecciosas que representam um grande risco à saúde

e ao bem-estar humanos. �

Figura 5. Os cientistas pensam em bloquear acomunicação das bactérias para que não expressemfatores de virulência, o que poderia ser obtido usandoauto-indutores inespecíficos, que se uniriam à proteínaR mas não a ativariam, evitando sua ligação a auto-indutores específicos (A), ou interrompendo as reaçõesbiológicas de síntese de auto-indutores através do usode análogos de precursores dessas moléculas (B)

Sugestõespara leitura

FUQUA, C. &GREENBERG, E. P.‘Cell-to-cellcommunicationin Escherichia coliand Salmonellatyphimurium:they may betalking, but who’slistening?’,in Proceedingsof the NationalAcademy ofSciences, v. 95,p. 6571, 1998.

HARDMAN, A. M.;STEWART, G. S. A. B.& WILLIAMS, P.‘Quorum sensingand the cell-cellcommunicationdependentregulation of geneexpression inpathogenic andnon-pathogenicbacteria’,in Antonnievan Leeuwenhoek,v. 74, p. 199, 1998.

HASTINGS, J. W. &GREENBERG, E. P.‘Quorum sensing:the explanationof a curiousphenomenonreveals a commoncharacteristic ofbacteria’, in Journalof Bacteriology,v. 181, p. 2667,1999.

KIEVIT, T. R. &IGLEWSKI, B. H.‘Bacterial quorumsensing inpathogenicrelationships’,in Infection andImmunity, v. 68,p. 4839, 2000.

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