Imagens impressionantes revelam como os antibióticos destroem as defesas bacterianas
Uma equipe liderada por pesquisadores da UCL (University College London) e do Imperial College London demonstrou, pela primeira vez, como antibióticos salva-vidas chamados polimixinas penetram na armadura de bactérias prejudiciais.
Os achados, publicados na revista Nature Microbiology, podem levar a novos tratamentos para infecções bacterianas — algo essencial, já que infecções resistentes a medicamentos matam mais de um milhão de pessoas por ano.
As polimixinas foram descobertas há mais de 80 anos e são usadas como tratamento de última instância para infecções causadas por bactérias “Gram negativas”. Essas bactérias possuem uma camada superficial que funciona como armadura e impede que certos antibióticos penetrem na célula. Sabe-se que as polimixinas atacam essa camada externa, mas como elas a desestruturam e depois matam as bactérias ainda não é compreendido.
No novo estudo, a equipe de pesquisa revelou, por meio de imagens de alta resolução e experimentos bioquímicos, como o antibiótico Polimicina B causa rapidamente o aparecimento de saliências e protuberâncias na superfície de uma célula bacteriana de E. coli.
Essas protuberâncias, que surgiram em questão de minutos, foram seguidas pela rápida perda da armadura externa da bactéria.
Os pesquisadores concluíram que o antibiótico havia induzido a célula a produzir e descartar sua proteção. Quanto mais a célula tentava criar nova armadura, mais armadura ela perdia, a um ponto que deixava lacunas em suas defesas, permitindo a entrada do antibiótico na célula e levando à sua morte.
Entretanto, a equipe descobriu que esse processo — saliências, rápida produção e perda de armadura e morte celular — ocorria apenas quando a célula estava ativa. Em bactérias dormentes, a produção de armadura é desativada, tornando o antibiótico ineficaz.
O coautor sênior Dr. Andrew Edwards, do Imperial, disse: “Durante décadas, assumimos que antibióticos que atacam a armadura bacteriana poderiam matar os microrganismos em qualquer estado, estejam se replicando ativamente ou dormentes. Mas essa não é a realidade. Através das incríveis imagens capturadas de células únicas, conseguimos demonstrar que essa classe de antibióticos só funciona com a ajuda da bactéria e que, se as células entram em um estado de hibernação, os medicamentos não têm mais efeito — o que é surpreendente.”
Entrar em estado dormente permite que as bactérias sobrevivam a condições desfavoráveis, como falta de alimento. Elas podem permanecer dormentes por muitos anos e “despertar” quando as condições se tornam mais favoráveis. Isso pode permitir que as bactérias sobrevivam a antibióticos, por exemplo, e reanimem para causar infecções recorrentes no corpo.
O coautor sênior Professor Bart Hoogenboom, do London Centre for Nanotechnology da UCL, disse: “As polimixinas são uma linha de defesa importante contra bactérias Gram-negativas, que causam muitas infecções mortais resistentes a medicamentos. É fundamental entendermos como elas funcionam.”
“Nosso próximo desafio é usar essas descobertas para tornar os antibióticos mais eficazes. Uma estratégia pode ser combinar o tratamento com polimixinas — de maneira contra-intuitiva — a tratamentos que promovam a produção de armadura e/ou despertem bactérias ‘adormecidas’, para que essas células também possam ser eliminadas.”
“Nosso trabalho também demonstra que precisamos levar em consideração em que estado as bactérias se encontram ao avaliarmos a eficácia dos antibióticos.”
As células de E. coli foram analisadas no London Centre for Nanotechnology da UCL. Uma agulha minúscula, com apenas alguns nanômetros de largura, foi passada sobre a célula bacteriana, “sentindo” sua forma para criar uma imagem (técnica chamada de microsscopia de força atômica) com uma resolução muito maior do que seria possível com luz.
A coautora Carolina Borrelli, estudante de doutorado no London Centre for Nanotechnology da UCL, disse: “Foi incrível ver em tempo real o efeito do antibiótico na superfície da bactéria. Nossas imagens das bactérias mostram diretamente o quanto as polimixinas podem comprometer a armadura bacteriana. É como se a célula fosse forçada a produzir ‘tijolos’ para sua parede externa a tal rapidez que essa parede se torna desestabilizada, permitindo que o antibiótico infiltre.”
A equipe comparou como as células de E. coli ativas (crescendo) e inativas (dormentes) responderam à polimicina B no laboratório, constatando que o antibiótico eliminou eficientemente as células ativas, mas não matou as células dormentes.
Eles também testaram a resposta das células de E. coli com e sem acesso a açúcar (uma fonte de alimento que desperta células dormentes). Quando o açúcar estava presente, o antibiótico matou células que antes estavam dormentes, mas apenas após um atraso de 15 minutos — o tempo necessário para as bactérias consumirem o açúcar e retomarem a produção de sua armadura externa.
Nas condições em que o antibiótico foi eficaz, os pesquisadores detectaram uma maior liberação de armadura pelas bactérias. Eles também observaram as protuberâncias ocorrendo na superfície da célula.
Nas condições em que o antibiótico foi ineficaz, ele se ligou à membrana externa, mas causou pouco dano.
O coautor Dr. Ed Douglas, do Imperial, disse: “Observamos que a desestabilização da armadura mais externa das bactérias ocorreu apenas quando elas estavam consumindo açúcar. Uma vez que soubemos disso, conseguimos rapidamente entender o que estava acontecendo.”
O coautor Professor Boyan Bonev, da Universidade de Nottingham, disse: “Trabalhar juntos nos deu insights únicos sobre a fisiologia e morfologia bacteriana sob estresse que permaneceram ocultos por décadas. Agora entendemos melhor os pontos fracos das bactérias.”
Este trabalho foi financiado pelo Conselho de Pesquisa em Biotecnologia e Ciências Biológicas (BBSRC) e pelo Conselho de Pesquisa em Ciências de Engenharia e Física (EPSRC), partes do UK Research and Innovation, e pela Wellcome.
