Um novo estudo da Universidade de Tel Aviv revela como os mecanismos de defesa bacteriana podem ser neutralizados, permitindo a transferência eficiente de material genético entre bactérias. Os pesquisadores acreditam que essa descoberta pode abrir caminho para o desenvolvimento de ferramentas para lidar com a crise de resistência a antibióticos e promover métodos de manipulação genética mais eficazes para fins médicos, industriais e ambientais.

O estudo foi liderado pela estudante de doutorado Bruria Samuel do laboratório do Prof. David Burstein na Shmunis School of Biomedicine and Cancer Research na Wise Faculty of Life Sciences da Universidade de Tel Aviv. Outros colaboradores da pesquisa incluem a Dra. Karin Mittelman, Shirly Croitoru e Maya Ben-Haim do laboratório do Prof. Burstein. As descobertas foram publicadas no periódico Nature .

Os pesquisadores explicam que a diversidade genética é essencial para a sobrevivência e adaptação de diferentes espécies em resposta a mudanças ambientais. Para humanos e muitos outros organismos, a reprodução sexual é o principal impulsionador da diversidade genética necessária para a sobrevivência. No entanto, bactérias e outros microrganismos não têm esse mecanismo de reprodução.

No entanto, como demonstrado pela velocidade alarmante com que a resistência aos antibióticos se espalha entre as populações bacterianas, as bactérias têm mecanismos alternativos para manter a diversidade genética necessária à sobrevivência, incluindo a transferência direta de DNA entre bactérias.

A transferência de DNA entre bactérias desempenha um papel crucial em sua sobrevivência. No entanto, um aspecto fundamental desse processo permanece pouco explorado: como a troca de material genético é tão prevalente, apesar de as bactérias terem uma ampla gama de mecanismos de defesa projetados para destruir qualquer material genético estranho que entre em suas células?

A nova pesquisa foca em um processo chamado "conjugação", um dos principais mecanismos para transferir DNA de uma bactéria para outra. Durante a conjugação, uma célula bacteriana se conecta diretamente a outra por meio de um pequeno tubo que permite a transferência de fragmentos de material genético conhecidos como plasmídeos.

O Prof. Burstein explica: "Plasmídeos são moléculas de DNA pequenas, circulares e de fita dupla, classificadas como 'elementos genéticos móveis'. Assim como os vírus, os plasmídeos se movem de uma célula para outra, mas, diferentemente dos vírus, eles não precisam matar a bactéria hospedeira para completar a transferência."

Como parte da troca natural, os plasmídeos frequentemente fornecem às bactérias receptoras vantagens genéticas. Por exemplo, muitos genes de resistência a antibióticos se espalham por meio da transferência de plasmídeos entre bactérias. No entanto, as bactérias também têm vários mecanismos de defesa voltados para eliminar qualquer DNA estranho que entre em suas células.

Samuel explica que começou a pesquisa conduzindo uma análise computacional de 33.000 plasmídeos e identificando genes associados a sistemas "antidefesa" que ajudam os plasmídeos a contornar os mecanismos de defesa bacteriana.

O que era ainda mais interessante era a localização desses genes. Como mencionado, plasmídeos são segmentos circulares de DNA fita dupla. Para passar pelo tubo fino que conecta as bactérias, uma dessas fitas circulares é cortada em um certo ponto por uma proteína, que então se liga à fita clivada e inicia sua transferência para a célula receptora.

"Os genes para os sistemas antidefesa que identifiquei foram encontrados concentrados perto daquele ponto de corte, e organizados de tal maneira que seriam os primeiros genes a entrar na nova célula. Esse posicionamento estratégico permite que os genes sejam ativados imediatamente após a transferência, dando ao plasmídeo a vantagem necessária para neutralizar os sistemas de defesa da bactéria receptora."

O professor Burstein conta como, quando Samuel lhe mostrou os resultados pela primeira vez, ele achou difícil acreditar que tal fenômeno não tivesse sido identificado antes.

"Bruria conduziu uma extensa revisão de literatura e descobriu que ninguém havia feito essa conexão anteriormente", ele diz. Como a descoberta foi feita pela análise de bancos de dados existentes com ferramentas computacionais, o próximo passo foi demonstrar em laboratório que esse fenômeno de fato ocorre durante a transferência de plasmídeos entre bactérias.

Samuel explica: "Para fazer isso, usamos plasmídeos que conferem resistência a antibióticos e os introduzimos em bactérias equipadas com CRISPR, o conhecido sistema de defesa bacteriana que pode atingir e destruir DNA, incluindo o de plasmídeos. Esse método nos permitiu testar facilmente as condições sob as quais o plasmídeo poderia superar o sistema de defesa — se ele conseguir superar o sistema CRISPR, a bactéria receptora se tornará resistente a antibióticos. Se falhar, a bactéria morre."

Usando esse método, Samuel demonstrou que se os genes antidefesa estiverem posicionados perto do ponto de entrada do DNA, o plasmídeo supera com sucesso o sistema CRISPR. No entanto, se esses genes estiverem localizados em outro lugar no plasmídeo, o sistema CRISPR destrói o plasmídeo, e as bactérias morrem após a exposição aos antibióticos.

O Prof. Burstein observa que compreender o posicionamento dos sistemas antidefesa nos plasmídeos pode permitir a identificação de novos genes antidefesa, um assunto atualmente sob pesquisa bastante ativa.

"Além disso, nosso estudo pode contribuir para projetar plasmídeos mais eficientes para manipulação genética de bactérias em processos industriais. Embora os plasmídeos já sejam amplamente usados para esses propósitos, a eficiência da transferência genética baseada em plasmídeos em condições de laboratório é significativamente menor do que a dos plasmídeos naturais", ele diz.

"Outra aplicação potencial poderia envolver a criação de plasmídeos eficazes para manipulação genética de populações bacterianas naturais. Isso poderia ajudar a bloquear genes de resistência a antibióticos em populações bacterianas hospitalares, ensinar bactérias no solo e na água a quebrar poluentes ou fixar dióxido de carbono, e até mesmo manipular bactérias intestinais para melhorar a saúde humana ."

A Ramot, empresa de transferência de tecnologia da Universidade de Tel Aviv, considera essa descoberta um avanço biotecnológico significativo com amplas aplicações.

Dr. Ronen Kreizman, CEO da Ramot, afirma: "Primeiramente, quero parabenizar o Prof. David Burstein e sua equipe de laboratório por esta fascinante descoberta científica. A nova pesquisa abre possibilidades revolucionárias em áreas como desenvolvimento de medicamentos contra bactérias resistentes, biologia sintética, agritech e foodtech. A capacidade de controlar e ajustar a transferência de material genético entre bactérias pode se tornar uma ferramenta poderosa para abordar desafios ambientais, agrícolas e médicos. Atualmente, estamos trabalhando na comercialização desta tecnologia para concretizar todo o seu potencial."