As células bacterianas podem "lembrar" de mudanças breves e temporárias em seus corpos e arredores imediatos, descobriu um novo estudo da Universidade Northwestern e da Universidade do Texas-Southwestern.

E, embora essas mudanças não estejam codificadas na genética da célula, a célula ainda passa memórias delas para seus descendentes — por várias gerações.

Essa descoberta não apenas desafia suposições antigas sobre como os organismos mais simples transmitem e herdam características físicas , como também pode ser aproveitada para novas aplicações médicas. Por exemplo, pesquisadores podem contornar a resistência a antibióticos ajustando sutilmente uma bactéria patogênica para tornar sua prole mais sensível ao tratamento por gerações.

O estudo, "Irreversibilidade em redes regulatórias bacterianas", foi publicado nesta quarta-feira (28) na revista Science Advances.

"Uma suposição central na biologia bacteriana é que as características físicas hereditárias são determinadas principalmente pelo DNA", disse Adilson Motter, da Northwestern, autor sênior do estudo.

"Mas, da perspectiva de sistemas complexos, sabemos que a informação também pode ser armazenada no nível da rede de relações regulatórias entre genes . Queríamos explorar se há características transmitidas de pais para filhos que não são codificadas no DNA, mas sim na própria rede regulatória .

Motter é o Charles E. e Emma H. ??Morrison Professor de Física no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e diretor do Center for Network Dynamics. Os coautores do estudo são o bolsista de pós-doutorado Thomas Wytock e o aluno de pós-graduação Yi Zhao, ambos membros do laboratório de Motter.

O estudo também envolve uma colaboração com Kimberly Reynolds, bióloga de sistemas do Centro Médico da Universidade do Texas Southwestern.

Desde que os pesquisadores identificaram pela primeira vez os fundamentos moleculares do código genético na década de 1950, eles assumiram que os traços são primariamente — se não exclusivamente — transmitidos pelo DNA. No entanto, após a conclusão do Projeto Genoma Humano em 2001, os pesquisadores revisitaram essa suposição.

Wytock cita a fome holandesa da Segunda Guerra Mundial como um exemplo famoso, apontando para a possibilidade de traços hereditários e não genéticos em humanos. Um estudo recente mostrou que os filhos de homens que foram expostos à fome no útero exibiram uma tendência maior de se tornarem obesos quando adultos. Mas isolar as causas finais desse tipo de herança não genética em humanos provou ser desafiador.

"No caso de organismos complexos, o desafio está em destrinchar fatores de confusão, como o viés de sobrevivência", disse Motter.

"Mas talvez possamos isolar as causas para os organismos unicelulares mais simples, já que podemos controlar seu ambiente e interrogar sua genética. Se observarmos algo neste caso, podemos atribuir a origem da herança não genética a um número limitado de possibilidades — em particular, mudanças na regulação genética ."

A rede reguladora é análoga a uma rede de comunicação que os genes usam para influenciar uns aos outros. A equipe de pesquisa levantou a hipótese de que essa rede sozinha poderia conter a chave para transmitir características para a prole. Para explorar essa hipótese, Motter e sua equipe se voltaram para a Escherichia coli (E. coli), uma bactéria comum e organismo modelo bem estudado.

"No caso da E. coli, o organismo inteiro é uma única célula", disse Wytock.

"Ele tem muito menos genes do que uma célula humana, cerca de 4.000 genes em oposição a 20.000. Ele também não tem as estruturas intracelulares conhecidas por fundamentar a persistência da organização do DNA na levedura e a multiplicidade de tipos de células em organismos superiores. Como a E. coli é um organismo modelo bem estudado, conhecemos a organização da rede reguladora de genes em alguns detalhes."

A equipe de pesquisa usou um modelo matemático da rede regulatória para simular a desativação temporária (e subsequente reativação) de genes individuais em E. coli.

Eles descobriram que essas perturbações transitórias podem gerar mudanças duradouras, que são projetadas para serem herdadas por várias gerações. A equipe está atualmente trabalhando para validar suas simulações em experimentos de laboratório usando uma variação do CRISPR que desativa genes temporariamente em vez de permanentemente.

Mas se as mudanças são codificadas na rede reguladora e não no DNA, a equipe de pesquisa questionou como uma célula pode transmiti-las através das gerações.

Eles propõem que a perturbação reversível desencadeia uma reação em cadeia irreversível dentro da rede reguladora. À medida que um gene é desativado, ele afeta o gene ao lado dele na rede. No momento em que o primeiro gene é reativado, a cascata já está a todo vapor porque os genes podem formar circuitos autossustentáveis que se tornam imunes a influências externas uma vez ativados.

"É um fenômeno de rede", disse Motter, que é especialista em comportamentos dinâmicos de sistemas complexos. "Os genes interagem entre si. Se você perturba um gene, ele afeta os outros."

Embora sua equipe esteja desativando genes para testar a hipótese, Motter deixa claro que diferentes tipos de perturbações podem causar um efeito similar. "Também podemos ter mudado o ambiente da célula", disse ele. "Pode ser a temperatura, a disponibilidade de nutrientes ou o pH."

O estudo também sugere que outros organismos têm os elementos necessários para exibir hereditariedade não genética. "Em biologia, é perigoso assumir que qualquer coisa é universal", argumenta Motter. "Mas, intuitivamente, espero que o efeito seja comum porque a rede reguladora da E. coli é semelhante ou mais simples do que aquelas encontradas em outros organismos."