PLACA DE PETRI GIGANTE APRESENTA EVOLUÇÃO NO ESPAÇO E TEMPO. (Comentado)

Como a bactéria E. coli esta amplamente em contato com antibióticos cada vez mais concentrados, os pesquisadores descobriram novos caminhos evolutivos que conferem a resistência.

Existem placas de Petri pequenas, e existem placas de petri grandes, e depois há a MEGA, uma enorme, um pedaço de agar preto de 2-pés por 4-pés infundido com um gradiente de drogas antibacterianas. Pesquisadores construíram esta placa gigante para assistir a evolução no tempo e no espaço, e relataram na revista Science, que a MEGA indicou que as bactérias mais aptas e resistentes aos antibióticos podem não necessariamente crescer mais rápido.

Na placa de grandes dimensões, “você pode ver ramificação evolutiva e como ela acontece”, disse Luke McNally, um microbiologista evolucionista da Universidade de Edimburgo, que é co-autor de um editorial de acompanhamento. “É surpreendente, e impressionantemente bonito.”

Os investigadores tradicionalmente estudam a evolução bacteriana em cultura líquida, o que obriga as bactérias a competir com toda a população por recursos. Por outro lado, a nova placa de evolução e crescimento microbiano arena (MEGA) separa as bactérias tanto espacialmente quanto temporalmente, reduzindo assim a concorrência, disse o estudo co-autor Michael Baym da Harvard Medical School (HMS). O set-up mostra a importância frequentemente esquecida do espaço físico em torno de bactérias, disse Viktória Lázár, uma pós-doc que estuda a biologia evolutiva no Centro de Investigação Biológica da Hungria, e que não fez parte do estudo.

Além disso, a placa pode hospedar uma população bacteriana muito maior do que uma experiência típica líquida poderia, tornando-se mais provável ver mutantes raros, disse o estudo co-autor Roy Kishony, que lidera um grupo de pesquisa de resistência a antibióticos no HMS e Technion-Israel Institute of Technology. “Isso realmente nos permite ver, com os próprios olhos, a dinâmica da evolução”, acrescentou.

Kishony e a co-autora do estudo Tami Lieberman, agora um pós-doc no MIT, queriam criar uma vívida demonstração da evolução para os seus alunos. Juntamente com Baym e outros colaboradores, eles construíram a placa MEGA do zero. Eles encheram o prato acrílico gigante com duas camadas de Agar – uma base sólida, composta por listras discretas atadas com qualquer trimetoprim ou ciprofloxacina que aumentaram a concentração em direção ao centro da placa, e um revestimento superior de ágar viscoso para permitir movimento bacteriano. A camada de ágar inferior foi misturada com tinta da China para proporcionar contraste com as bactérias semeadas nas extremidades livres de antibióticos da placa.

Durante 10 dias, os pesquisadores fizeram imagens da E. coli a cada 10 minutos como os microrganismos expandindo ao longo da placa, e viram que as bactérias fizeram uma breve pausa nos limites de concentrações de antibióticos cada vez mais rigorosos até que um mutante bateu e foi para dentro do território de maior concentração de drogas. Ao desafiar as bactérias com diferentes doses de antibióticos no primeiro passo do gradiente, o grupo demonstrou que E. coli evolui uma maior resistência mais rapidamente se encontram primeiro um intermediário, em vez de um nível elevado, diante da concentração de antibiótico.

Usando um modo fácil de ver a trajetória evolutiva das bactérias como um guia, os pesquisadores isolaram e sequenciaram os mutantes-líderes desta carga. Eles encontraram mutações adaptativas no gene para a enzima DNA-polimerase III de revisão dos genes alvo dos antibióticos, e em genes inesperados, tais como aqueles que codificam um transportador de fosfato e uma quinase que não têm uma função conhecida no estabelecimento de resistência, sugerindo caminhos alternativos que possam surgir.

Os cientistas também ficaram intrigados ao descobrir que muitas bactérias na fronteira, aquelas que se tornaram resistentes aos antibióticos, cresceram mais lentamente com mutações adquiridas em resultado e que mais impulsionaram o crescimento da resistência aos antibióticos mais tarde. Na verdade, em uma corrida cabeça-com-cabeça com as bactérias que originalmente ultrapassam, essas bactérias de crescimento lento crescem muito mais bem sucedidas até o final do experimento. Anteriormente, era comum pensar que a recuperação do crescimento pode exigir desistir de resistência recém-adquirida, mas estes mutantes sugerem que não era o caso. “A maneira de superar uma compensação evolutiva não é sempre reverter para o que você era”, disse Baym. “Você pode obter o crescimento de volta em mais maneiras do que apenas perder a resistência.”

McNally disse que está animado com o potencial das placas MEGA para investigar novos ângulos do problema social premente da resistência aos antibióticos, tais como as interações entre múltiplas drogas ou várias espécies bacterianas. No entanto, Julian Davies, que estuda antibióticos na Universidade de British Columbia, não está convencido de que trimetoprim sintético e ciproflaxacina em um ambiente artificial são relevantes à forma como a resistência a antibióticos se desenvolve no solo ou no intestino humano. “É um paper bonito”, disse ele, mas “seria muito útil se você poderia duplicar isso no sistema estomacal”.

Seja qual for a placa MEGA ainda pode revelar sobre a evolução bacteriana, Baym disse que acredita que a plataforma irá cumprir o seu propósito original como uma ferramenta educacional. O colega de Lázár, Réka Spohn, um estudante de graduação, concordou: “É uma maneira realmente incrível e fácil de mostrar a evolução em ação a todos”, disse ela, e para tornar conceitos abstratos, tais como evolução e mutação, mais concreto.

Jornal Referência:
Baym et al, “Spatiotemporal microbial evolution on antibiotic landscapes,”Science, doi:10.1126/science.aag0822, 2016.

Fonte: The Scientist

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Comentários internos

Este tipo de experimento é bastante interessante, pois permite demonstrar empiricamente processos adaptativos e evolutivos de bactérias resistentes a antibióticos. Do ponto de vista pedagógico é uma forma lúdica e prática de demonstrar uma constatação de resistência a antibióticos. Um dos trabalhos mais interessantes sobre este assunto foi promovido do Lenski e que teve resultados próximos aos deste estudo, embora os meios e as mutações sejam distintas.

Michael Baym, primeiro autor do estudo. Foto do Harvard Medical School and Technion

Michael Baym, primeiro autor do estudo com uma placa MEGA. Foto do Harvard Medical School and Technion

Neste estudo, os cientistas descobriram que muitas bactérias na fronteira entre os níveis de resistência ao antibiótico cresceram mais lentamente com mutações adquiridas. Como resultado, impulsionaram o crescimento da resistência aos antibióticos mais tarde.

Em seu artigo “The cost of antibiotic resistance from the perspective of bacterium” (O custo da resistência a antibióticos pela perspectiva da bactéria) Lenski trata da questão da eliminação de bactérias resistentes a antibiótico usando o custo desta resistência.

Lenski investigou se bactérias resistentes a antibióticos sofrem com o custo durante esse processo de resistência quando o antibiótico esta ausente.

Se de fato há um custo grande para se tornar resistente, então seria possível criar uma estratégia de controle da propagação dessas bactérias através da suspensão do antibiótico até que os genótipos resistentes baixem sua frequência na população. Lenski destaca que estudos sugerem que isto é possível; genótipos resistentes são menos aptos na ausência de antibióticos e indicam um alto custo para manter esta resistência.

Porém, Lenski faz uma ressalva importante em seu estudo: de que ele foi feito inserindo-se um gene de resistência a antibiótico (uma mutação cromossômica) em uma bactéria que não tem uma história evolutiva de associações com genes de resistência a antibióticos. Portanto, o custo da resistência pode ser reduzido ou mesmo eliminado através da seleção natural, permitindo que a bactéria se adapte com o gene de resistência.

Isso quer dizer que a seleção atua como filtro de fenótipos. Se o genótipo é alterado para a resistência ou se a resistência pode ser eliminada, a seleção natural faz isto nas duas mãos. Sendo assim, as bactérias podem superar o custo de resistência por adaptações (evolução clara e simples) que neutralizam os efeitos colaterais prejudiciais de genes de resistência.

Lenski destaca que várias experiências (in vitro e in vivo) mostram que o custo de resistência a antibióticos pode ser substancialmente reduzido, e eliminado, por mudanças evolucionárias em bactérias durante períodos de tempo bastante curtos. Como consequência, torna-se cada vez mais difícil eliminar genótipos resistentes simplesmente por suspensão do uso de antibióticos. Ele ainda destaca que a redução de custos evolutivos é uma manifestação simples e geral da tendência para os organismos se submeterem a adaptação genética por seleção natural.

Os custos de resistência a antibióticos podem evoluir, e tendem a ser reduzidos ao longo do tempo pela seleção natural. Infelizmente, esta tendência significa que ele vai se tornar cada vez mais difícil ao longo do tempo para controlar a propagação de cepas resistentes. Em um dos exemplos que ele cita vem de mutantes de Salmonella typhimurium resistentes a estreptomicina, rifampicina, ou ácido nalidíxico que foram virulentos em ratos, indicando que este agente patogênico sofre com um profundo custo da resistência aos antibióticos. As bactérias tiveram mutações compensatórias que reduziram o custo da resistência e restauraram a sua virulência, mesmo enquanto eles mantiveram a sua resistência aos antibióticos.

Para entender o trabalho de Lenski, recomenda-se a leitura de uma entrevista que ele deu em 2016 em que destaca detalhes de sua vida acadêmica, de seu famoso trabalho com placas de Petri e suas colônias de bactérias. Veja aqui

Victor Rossetti

Palavras chave: NetNature, Rossetti, Placa de Petri, Evolução, Bactéria, E. coli, Lenski

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