Uma equipe de pesquisadores da UCL (University College London) e do Imperial College London revelou, pela primeira vez, como os antibióticos essenciais conhecidos como polimixinas perfuram a proteção de bactérias prejudiciais.
As descobertas, publicadas na revista Nature Microbiology, podem conduzir a novas terapias para infecções bacterianas, especialmente urgente uma vez que infecções resistentes a medicamentos já causam a morte de mais de um milhão de pessoas anualmente.
Identificadas há mais de 80 anos, as polimixinas são utilizadas como tratamento de último recurso para infecções provocadas por bactérias “Gram negativas”. Essas bactérias possuem uma camada externa que funciona como armadura, impedindo que certos antibióticos penetrem na célula. As polimixinas são conhecidas por atacar essa camada externa, mas a forma como interrompem essa defesa e conseguem matar as bactérias ainda não era compreendida.
No novo estudo, a equipe de pesquisa revelou, por meio de imagens de alta resolução e experimentos bioquímicos, como o antibiótico Polimixina B rapidamente provocou protuberâncias na superfície de uma célula bacteriana de E. coli.
Essas saliências, que apareceram em questão de minutos, foram seguidas pela rápida perda da armadura externa pela bactéria.
Os pesquisadores concluíram que o antibiótico havia desencadeado a produção e a queda da armadura da célula. Quanto mais a célula tentava criar uma nova armadura, mais perdia a que estava produzindo, a uma taxa tão alta que deixava lacunas em suas defesas, permitindo que o antibiótico penetrasse na célula e a eliminasse.
No entanto, a equipe descobriu que esse processo — a formação de protuberâncias, a rápida produção e queda da armadura e a morte celular — ocorria apenas quando a célula estava ativa. Em bactérias dormentes, a produção de armadura está desativada, tornando o antibiótico ineficaz.
O co-autores Dr. Andrew Edwards, do Imperial, afirmou: “Durante décadas, presumimos que os antibióticos que atacam a armadura bacteriana seriam capazes de matar os microrganismos em qualquer estado, seja quando estão se replicando ativamente ou quando estão dormentes. Mas esse não é o caso. Ao capturar essas imagens incríveis de células únicas, conseguimos mostrar que essa classe de antibióticos só funciona com a ajuda da bactéria, e se as células entram em um estado semelhante à hibernação, os medicamentos não funcionam mais — o que é surpreendente.”
Entrar em um estado dormente permite que as bactérias sobrevivam a condições adversas, como escassez de alimento. Elas podem permanecer dormentes por muitos anos e “acordar” quando as condições se tornam mais favoráveis. Isso pode permitir que as bactérias sobrevivam aos antibióticos e reanimem para provocar infecções recorrentes no corpo.
O co-autor Professor Bart Hoogenboom, do London Centre for Nanotechnology da UCL, comentou: “As polimixinas são uma linha de defesa crucial contra bactérias Gram negativas, que causam muitas infecções resistentes a medicamentos. É essencial que entendamos como elas atuam.”
“Nosso próximo desafio é usar essas descobertas para tornar os antibióticos mais eficazes. Uma estratégia pode ser combinar o tratamento com polimixina – contraintuitivamente – com tratamentos que promovam a produção de armadura e/ou despertem as bactérias ‘dorminhocas’, para que essas células também possam ser eliminadas.”
“Nosso trabalho também demonstra que precisamos levar em conta qual estado as bactérias estão quando estamos avaliando a eficácia dos antibióticos.”
As células de E. coli foram fotografadas no London Centre for Nanotechnology na UCL. Uma agulha minúscula, com apenas alguns nanômetros de largura, foi passada sobre a célula bacteriana, “sentindo” a forma para criar uma imagem (uma técnica chamada microscopia de força atômica) a uma resolução muito maior do que seria possível com luz.
A co-autora Carolina Borrelli, doutoranda no London Centre for Nanotechnology da UCL, disse: “Foi incrível ver o efeito do antibiótico na superfície bacteriana em tempo real. Nossas imagens das bactérias mostram diretamente o quanto as polimixinas podem comprometer a armadura bacteriana. É como se a célula fosse forçada a fabricar ‘tijolos’ para sua parede externa a uma taxa tal que essa parede se tornasse desestabilizada, permitindo a infiltração do antibiótico.”
A equipe comparou como células de E. coli ativas (crescendo) e inativas responderam à polimixina B no laboratório, constatando que o antibiótico eliminou eficientemente as células ativas, mas não foi capaz de matar as células dormentes.
Além disso, testaram a resposta das células de E. coli com e sem acesso a açúcar (uma fonte de alimento que desperta as células dormentes). Quando o açúcar estava presente, o antibiótico eliminou as células que 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.
Em condições nas quais o antibiótico foi eficaz, os pesquisadores detectaram uma quantidade maior de armadura sendo liberada das bactérias. Eles também observaram as protuberâncias ocorrendo pela superfície da célula.
Em condições nas quais o antibiótico foi ineficaz, ele se ligou à membrana externa, mas causou poucos danos.
O co-autor Dr. Ed Douglas, do Imperial, comentou: “Observamos que a desestabilização da armadura mais externa das bactérias ocorria apenas quando as bactérias estavam consumindo açúcar. Assim que soubemos disso, conseguimos rapidamente entender o que estava acontecendo.”
O co-autor Professor Boyan Bonev, da Universidade de Nottingham, disse: “Trabalhar em conjunto nos proporcionou percepções únicas sobre a fisiologia e morfologia bacteriana sob estresse que permaneceram ocultas 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 Engenharia e Ciências Físicas (EPSRC), partes da UK Research and Innovation, e pela Wellcome.
