Em formação

10.1: Comunidades Microbianas - Biologia


Os organismos dentro de uma determinada comunidade são freqüentemente dependentes uns dos outros. Alguns organismos secretam nutrientes de que outros precisam para sua sobrevivência. Nossa própria necessidade de vitaminas, moléculas obtidas em nossa dieta, reflete essa interdependência. Alguns organismos secretam toxinas para controlar o crescimento de outros. Existem conversas complexas em nível molecular entre os organismos de um ecossistema e as células de um organismo. Os organismos não são independentes, seus comportamentos são alterados por seu ambiente e eles, por sua vez, alteram seu ambiente.

Um exemplo de como até mesmo os organismos mais simples podem cooperar é um efeito conhecido como detecção de quorum (que mencionamos anteriormente). Uma bactéria de uma determinada espécie pode secretar fatores que são úteis, por exemplo, na digestão de alimentos em moléculas de nutrientes solúveis que pode ingerir. Mas ao crescer em situações esparsas (poucos organismos por unidade de volume ou área), tal estratégia não é eficiente. Se os organismos em baixa densidade em um ambiente aquoso, cuja produção de moléculas secretadas é dispendiosa, é mais provável que se difundam e se tornem efetivamente inúteis para o organismo que as produziu. No entanto, se os organismos estiverem presentes em altas densidades locais, o processo se torna mais eficiente, a concentração das moléculas secretadas aumenta atingindo níveis úteis. Ao cooperar com seus vizinhos para produzir um comportamento mutuamente benéfico, cada indivíduo se beneficia.

Como pode funcionar esse tipo de cooperação? Em bactérias, uma estratégia comum é os indivíduos produzirem e segregarem moléculas pequenas (relativamente baratas do ponto de vista energético) conhecidas como autoindutores. Eles também produzem um receptor celular específico para este auto-indutor. O sistema auto-indutor-receptor permite que organismos do mesmo tipo reconheçam a presença uns dos outros. O sistema funciona porque o nível de autoindutor produzido por uma única bactéria não é suficiente para ativar seus receptores; somente quando a densidade de bactérias secretoras de autoindutoras atinge um nível limite que a concentração de autoindutoras aumenta a um nível alto o suficiente para ativar os receptores. A ativação do receptor auto-indutor gera um sinal que, por sua vez, influencia o comportamento da bactéria (incluindo a expressão gênica)303. Um comportamento óbvio pode ser a secreção de enzimas digestivas, mas existem vários outros. Por exemplo, alguns tipos de bactérias (incluindo E. coli) usam quorum sensing para controlar a migração celular. Com o tempo, as células individuais migram usando seu sistema de natação. Um desses sistemas depende de motores flagelares (rotativos) acionados por gradientes eletroquímicos para mover a célula para a frente. Na ausência de tal gradiente, o motor reverte, fazendo com que a célula gire e mude de direção. Ao subir um gradiente de atrator ou descer um gradiente de repulsivo, o tombamento é suprimido; o resultado final é um movimento direcionado.

Este tipo de comportamento foi ilustrado dramaticamente usando E. coli que contém um plasmídeo que codifica a Proteína Fluorescente Verde (GFP), uma proteína que quando iluminada com luz azul brilha em verde304! Quando expressando GFP E. coli são cultivadas em um ambiente semelhante a um labirinto com uma “câmara” central com uma única abertura, o atrativo secretado se acumula em altas concentrações neste espaço. Ao longo de um período de três horas, as bactérias nadam de forma direcionada ao longo do gradiente de concentração de atrativos para dentro da câmara305. Nesse ponto, os comportamentos controlados por quorum sensing são ativados. Por exemplo, em situações em que os nutrientes se tornam escassos, um comportamento controlado por quorum sensing pode fazer com que algumas das células da população morram, um processo conhecido como morte celular programada, liberando seus nutrientes para uso de seus vizinhos. Isso pode ser visto como uma espécie de altruísmo, pois ajuda os vizinhos, que provavelmente são parentes da célula sacrificada.306. Outro tipo de comportamento que pode ocorrer sob condição de estresse é que uma subpopulação de células, conhecidas como células quiescentes ou “persistentes”, cresce lentamente ou não cresce, enquanto o restante da população continua crescendo307. Se o ambiente se tornar seriamente hostil, os persistentes têm uma probabilidade muito maior de sobrevivência do que as células em crescimento ativo. Se as condições melhorarem, os persistentes podem reverter seu comportamento e restabelecer uma população em crescimento ativo. Por outro lado, se as condições nunca se tornarem hostis, as células em crescimento têm uma vantagem evolutiva sobre as células que ficam quiescentes. Isso implica que a presença de um sistema pode produzir persistentes quando podem ser úteis e suprimir sua formação quando não o são. A capacidade de um organismo de produzir um estado persistente quiescente ajuda a garantir a sobrevivência da população em uma gama mais ampla de ambientes do que seria esperado para uma população que não pode produzir persistentes. Este é um exemplo de seleção de grupo. Um comportamento semelhante foi encontrado para ocorrer dentro de populações de células cancerosas308. As células persistentes podem sobreviver a tratamentos terapêuticos e reemergir mais tarde. Já vimos, no contexto do laca operon, como uma população inicialmente uniforme de organismos pode produzir fenótipos distintos por meio de processos estocásticos; eventos aleatórios semelhantes desempenham um papel importante na determinação do destino das células em muitas situações sociais.

A cooperação social entre as células pode trazer benefícios, mas também abre o sistema para comportamentos egoístas, essencialmente trapaça309. Isso levanta a questão evolucionária: o que pode ser feito para suprimir o surgimento de trapaceiros sociais? Primeiro, o que exatamente queremos dizer com trapaceiro social? No contexto do quorum sensing, suponha que um indivíduo não faça o auto-indutor, mas continue a fazer seu receptor. O trapaceiro ganha os benefícios de se comunicar com outras bactérias, mas minimiza sua contribuição ao processo (não usa energia para sintetizar o autoindutor). Ele pode muito bem ter uma vantagem no fato de que a energia usada para fazer o autoindutor pode ser usada para o crescimento e a reprodução. Existem limites inerentes à trapaça, no entanto. Se um número suficiente de membros de um grupo (população) se tornarem trapaceiros, o sistema de detecção de quorum falhará porque poucos membros da comunidade secretam o auto-indutor. Assumindo que o comportamento social é crítico para a sobrevivência da população, um grupo com muitos trapaceiros pode morrer (tornar-se extinto).

Existem outras estratégias mais pró-ativas que podem ser usadas para suprimir trapaceiros. Pode ser que a produção do autoindutor seja um subproduto de uma reação essencial. Nesse caso, a perda da capacidade de produzir o autoindutor pode levar à morte (os organismos tornam-se dependentes do autoindutor). Muitas espécies bacterianas sintetizam toxinas às quais elas próprias são imunes, mas que matam células de espécies relacionadas. Pode ser que a imunidade à toxina esteja acoplada à expressão de auto-indutor. Em organismos superiores, pode haver o desenvolvimento da habilidade de reconhecer trapaceiros por seu comportamento em certas situações. Podemos pensar no câncer (formação de tumor) como uma forma de trapaça social com um organismo multicelular, e seus mecanismos são para suprimi-lo (embora não tenhamos tempo para explorá-los de forma significativa).


Assista o vídeo: Estudio de comunidades microbianas terrestres en la península Fildes. Dra. Silvia Batista (Janeiro 2022).