O que não me mata me faz mais forte? – IV: mecanismos de recombinação (parte 2)
No post anterior comentei sobre os processos I (transdução) e III (transformação) representados nesta figura do vestibular da UFMG/2008:
::: Conjugação
Uma forma que, para nós, seria um pouco mais “convencional” de troca de genes em bactérias é a chamada conjugação (processo II na figura acima). Esse é um processo de mão única, ou seja, o material genético é transferido da bactéria doadora para a bactéria receptora. Esse processo, portanto, envolve a participação de duas células vivas e requer contato entre elas.
Acontece, porém, que nem todas as bactérias estão aptas a executarem a conjugação. Na verdade, a maioria não está. Para que a célula esteja apta a conjugar, ela deve ter um plasmídeo conjugativo – os chamados plasmídeos F (de fertilidade). A bactéria doadora é também chamada de F+ (devido à presença do plasmídeo F) ou de “macho” – em uma terminologia que está incorreta e cada vez mais em desuso. A bactéria receptora por sua vez, é chamada de F- ou de “fêmea”.
Plasmídeos são pequenas moléculas circulares de DNA, capazes de se replicarem independentemente do DNA cromossômico. Essas estruturas geralmente não possuem genes essenciais, mas genes que conferem alguma vantagem ao microrganismo, como, por exemplo, capacidade de conjugar, ou resistência a antibióticos ou, ainda, capacidade de metabolizar diferentes substratos.
Na figura abaixo (Sadava et al, 2009), vemos a esquematização desse processo. Observe que a bactéria doadora é a bactéria da esquerda pois é ela quem possui os plasmídeos F (representados como círculos vermelhos) e que esses plasmídeos é que são o material genético transferido de uma bactéria para a outra. Ao final do processo, a bactéria receptora, passa a portar o plasmídeo F, tornando-se capaz de atuar como uma bactéria doadora em um outro processo de conjugação.
O mais comum é que apenas plasmídeos sejam transferidos nesses processos. Algumas vezes, porém, o plasmídeo integra-se ao DNA cromossômico da célula. Nesses casos, genes cromossomais podem acabar sendo transferidos. Como esse é um processo lento e a ponte de ligação entre as bactérias é frágil, geralmente, apenas alguns genes são transferidos, uma vez que o cromossomo bacteriano é muito grande.
A transferência do material genético ocorre a partir de um ponto específico que chamamos de “origem de replicação”. Assim, quanto mais próximo um gene está da origem de replicação, maior a chance dele ser transferido para outra bactéria. A descoberta desse mecanismo permitiu que os cientistas fizessem o mapeamento dos genes da Escherichia coli. Em outras palavras: quanto mais longe o gene está da origem de replicação, mais tempo ele demora para ser transferido. Observe a figura abaixo (Griffiths, 2009):
Neste esquema, o plasmídeo (vermelho) está inserido no cromossomo (azul). A origem de replicação, local onde se inicia a transferência do DNA, está representada por uma cabeça de seta vermelha. Para entendermos como isso funciona, é como se uma tesoura cortasse logo à frente da cabeça da seta, e alguém viesse puxando o fiozinho de DNA. Assim, os genes são transmitidos em ordem: gene roxo, gene azul claro, gene amarelo, gene verde e para e para terminar, o resto do plasmídeo (em vermelho). Observe que está marcado o tempo transcorrido a cada etapa. Na primeira etapa, 10 minutos, apenas os genes roxo e azul claro foram transferidos, e o gene amarelo está no meio do tubo conjugativo. Aos 17 minutos, o gene amarelo está no finalzinho da ponte de conjugação. Por fim, aos 25 minutos, o gene amarelo já chegou à bactéria receptora e o gene verde está na metade do caminho.
::: Transposição
Transposons são sequências específicas de DNA que podem mover-se de uma posição no cromossomo para uma posição diferente em um mesmo cromossomo ou em um cromossomo diferente. No caso das bactérias, um transposon pode “pular” do cromossomo bacteriano para outro ponto nesse cromossomo ou para um plasmídeo; ou então pode pular do plasmídeo para um outro lugar nesse mesmo plasmídeo, para outro plasmídeo, ou para o cromossomo bacteriano. Assim, um único plasmídeo R (de resistência) pode ter diferentes transposons com genes de resistência, como nos mostra a figura do livro Introdução à genética. (Griffiths, 2009):
Aqui observamos 4 diferentes transposons, identificados por: Tn3, Tn4, Tn5 e Tn10. O Tn3 confere resistência à ampicilina (amp). O Tn4 confere resistência à estreptomicina (sm), sulfonamida (su), mercúrico (Hg), além de conter o Tn3. O Tn5 porta genes de resistência à canamicina (kan); e o Tn10 à tetraciclina (tet). O plasmídeo ainda possui um gene de resistência ao cloranfenicol (cm).
Como os transposons podem pular entre plasmídeos, eles podem acabar sendo transferido entre bactérias por meio da conjugação, ajudando ainda mais no processo de resistência.
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SAIBA MAIS
Madigan MT, Martinko JM, Dunlap PV, Clark DP (2010) Microbiologia de Brock. 12 ed. Porto Alegre: Artmed
Sadava D, Heller HC, Orians GH, Purves WK, Hillis DM (2009) Vida. Vol 1. 8 ed. Porto Alegre: Artmed.
Griffiths A, Wessler S, Lewontin R, Carrol S (2009) Introdução à genética. 9 ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan.
Schaechter M, Engleberg NC, Eisenstein BI, Medoff G (2002) Microbiologia – Mecanismo das doenças infecciosas. 3 ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan.
O que não me mata me faz mais forte? – III: mecanismos de recombinação (parte 1)
Num post antigo, falamos num dos princípios básicos da evolução: a existência de variabilidade entre os indivíduos de uma população. Essa variabilidade tem sua origem, primariamente, na mutação do material genético. A mutação pode não causar nada ou, até mesmo, causar a morte do mutante. Porém, caso a mutação provoque alguma alteração fenotípica que permita que indivíduo mutante deixe mais descendentes que os “normais”, está havendo ali a seleção natural a favor desta nova característica.
Essa variabilidade, por outro lado, pode ser ampliada por processos de recombinação gênica. Quando falamos em procariotos, temos que entender que eles, ao contrário de nós, não realizam reprodução sexuada. A reprodução sexuada pressupõe meiose, e a divisão binária procariótica é um processo mitótico. Na falta do sexo, as bactérias utilizam outros mecanismos para promoverem essa recombinação. Esses processos são quatro: I) transdução; II) conjugação; III) transformação e IV) transposição. Os mecanismos I, II e III estão esquematizados na figura abaixo (do vestibular UFMG/2008).
Tendo apresentado brevemente os mecanismos, quero ressaltar que ao contrario do que estamos acostumados, a recombinação genética em procariotos ocorre de maneira bastante promíscua. Não digo somente entre diversos indivíduos de uma mesma espécie, mas entre indivíduos de espécies e, até mesmo, gêneros diferentes.
::: Transformação
Neste processo, o DNA livre de uma bactéria morta é incorporado em uma célula receptora. Mas para que essa absorção ocorra a bactéria deve ser competente (ou transformável). Dentre as bactérias naturalmente competentes estão espécies de Acinetobacter, Bacillus, Streptococcus, Haemophilus, Neisseria e Thermus. Em laboratório podemos forçar essa competência através de processos elétricos, térmicos ou químicos. Observe na figura abaixo [retirada de Sadava et al (2009)] com mais detalhes.
A descoberta da transformação bacteriana é relativamente recente e foi um dos experimentos que levou à identificação do DNA como o material genético.
No final da década de 20, o cientista inglês Frederick Griffth realizava pesquisas com o peneumococo. A forma virulenta do pneumococo (Streptococcus pneumoniae) é encapsulada por uma cobertura gelatinosa que impede que nossas células de defesa a reconheça e a destrua. Pneumococos mutantes que não possuem essa cápsula não são patogênicos. Os pneumococos virulentos são conhecidos como forma S e os não virulentos como forma R, devido às aparências lisa (smooth) e rugosa (rough) de suas colônias em cultura. Em 1928, Griffith fez uma descoberta surpreendente. Ao injetar em camundongos uma mistura de pneumococos R vivos e S mortos pelo calor, o experimento resultou na morte da maioria dos camundongos. Mais surpreendente foi o fato de o sangue dos camundongos mortos conter pneumococos S vivos. Veja o esquema abaixo [retirada de Sadava et al (2009)]
Assim, Griffith concluiu que as células R haviam sido transformadas em um novo tipo. Experimentos posteriores foram feitos para se descobrir qual seria a substância responsável para transformação. Assim, nas décadas de 30 e 40, um outro pesquisador – Avery – e seus colaboradores identificaram essa substância como o DNA.
Atualização: O Gabriel Cunha do blog Ciensinando, fez uma série de posts sobre a descoberta do DNA. No segundo post da série, ele comenta sobre os experimentos de Griffith. Dê uma olhadinha, clicando AQUI!
::: Transdução
Neste processo há a participação de um outro microrganismo, um bacteriófago (vírus bacteriano). Neste caso, no processo de infecção do fago, ocorre o empacotamento de parte do DNA bacteriano. O vírus passa, então, a carregar no seu genoma genes bacterianos. Assim, ao infectar uma nova célula, esse material genético é introduzido e a bactéria pode incorporar esses genes ao seu genoma. Observe abaixo o esquema deste processo [retirado de Sadava et al (2009)].
Assim como na transformação, nem todos os procariotos são transduzíveis, nem todos os fagos são transdutores. Acredita-se, porém, que o fenômeno é suficientemente disseminado, de forma que, provavelmente, desempenhe um importante papel na transferência de genes na natureza.
::: Como o post já está grande demais, vou deixar para falar sobre a conjugação e a transposição no quarto post da série. Veja AQUI!!
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SAIBA MAIS
Madigan MT, Martinko JM, Dunlap PV, Clark DP (2010) Microbiologia de Brock. 12 ed. Porto Alegre: Artmed
Brooks GF, Carroll KC, Butel JS, Morse AS (2009) Jawetz, Melnick e Adelberg: Microbiologia Médica. 24 ed. Rio de Janeiro: McGraw-Hill
Sadava D, Heller HC, Orians GH, Purves WK, Hillis DM (2009) Vida. Vol 1. 8 ed. Porto Alegre: Artmed.
Diga-me o que comes, que te direi quem és
AQUECIMENTO…
“Imagine-se sendo servido de uma comida exótica que, devido a sua natureza estranha, não pode ser comida utilizando-se utensílios convencionais. Agora, imagine que uma pessoa nativa (do mesmo local de origem da estranha comida) lhe fornece um artefato que lhe permitirá comer o alimento sem esforço – como, por exemplo, uma comida enlatada e um abridor de latas”.
Agora volte à realidade e, com aquela situação em mente, atente-se ao seguinte caso…
O CASO…
Hehermann et al estavam estudando a bactéria marinha Zobellia galactanivorans, quando identificaram uma nova classe de enzimas (porfiranases) que degradam um grupo de carboidratos complexos (as porfiranas). Esses carboidratos são encontrados, por exemplo, na alga nori (do gênero Porphyra) que é utilizada na preparação do famoso sushi!
Os pesquisadores resolveram então procurar em bases de dados outras bactérias que também possuíssem as porfiranases, ou seja, as enzimas que degradam porfiranas. E eles encontraram mais 6! Mas, curiosamente, uma não era bactéria marinha como a Z. galactanivorans… mas uma espécie encontrada na microbiota de seres humanos! E, mais especificamente, de japoneses.
O nome dessa bactéria é Bacteroides plebeius. Mas o que isso tem de tão interessante?
Analisando o genoma de espécies de bactérias próximas à B. plebeius, os cientistas concluíram que essa enzima não estava presente em nenhuma das bactérias parentes da dita bactéria.
OS MECANISMOS ENVOLVIDOS…
Peraí. Como essa bactéria então conseguiu essa enzima? O que os autores do artigo propõem é que tenha sido através de um mecanismo que chamamos de “transferência horizontal (ou lateral) de genes“. Isso significa que uma bactéria pode adquirir genes de outras bactérias que não sejam suas ancestrais diretas!
- A transferência horizontal de genes seria como se uma pessoa que tem olhos azuis se aproximasse de você e, gentilmente, te passase os “genes-olhos-azuis”. Você, então, intenalizaria esses genes e… (supresa!) você passa a ter olhos azuis”!
- Esse mecanismo de transferência gênica é um dos culpados para disseminação da resistência bacteriana à antibióticos e, consequentemente, do surgimento de linhagem multirresistentes como o MRSA (Staphylococcus aureus resistente à meticilina – e a mais um monte de antibióticos)
- Já a transferência vertical de genes, é a que acontece com a gente: herdamos os genes dos nossos pais, nossos ascendentes diretos.)
Em outras palavras, isso significaria que genes da bactéria marinha Zobellia galactanivorans (do início do post, e que se alimenta de algas que são utilizadas na fabricação do sushi) acabam (via sushi) chegando ao intestino dos japoneses. Ali, as bactérias da microbiota (Bacteroides plebeius) se apropriaram de alguns genes (no caso, o da enzima porfiranase) que permitem às bactérias se alimentarem de mais uma fonte de alimento!
E DAÍ…?
Para verificarem se era um evento comum, os pesquisadores examinaram as bactérias intestinais de 13 volutários japoneses em busca de porfiranases. E acharam pelo menos 7 enzimas do mesmo tipo, além de outras 6 com papel semelhante. Além do microbiona dos “japas”, 18 americanos também foram analisados, e em nenhum o gene foi encontrado.
As enzimas humanas não digerem muitos dos polissacarídeos vegetais e, assim, eles passam ao final do tubo digestório onde, ali, as bactérias da microbiota (já falei sobre isso AQUI e AQUI) fornecerão uma ajudinha. Isso acontece, pois essas bactérias obtém energia degradando polissacarídeos da dieta do seu hospedeiro. Agora, com esse estudo, temos a evidência de que os alguns japoneses possuem uma ajudinha extra para digerir, com maior eficiência, o sushi – enquanto nós, meros ocidentais, nos contentamos em eliminar a alga sem digeri-la.
É muito relevante ressaltarmos que há tempos fala-se na possibilidade de a microbiota intestinal trocar genes com microrganismos do ambiente. Mas isso era apenas uma hipótese provável, mas nunca demonstrada… até este paper.
Sabemos que um dos indivíduos da pesquisa, foi uma bebezinha que, com certeza, ainda não comeu sushi em grandes quantidades, mas que apresenta em seu microbioma, os genes da porfiranase. O que isso significa? Se eu disser que sua mãe também possui bactérias que produzem a enzima fica mais claro? Sim… Transmissão mãe-filha da microbiota!
Ainda não sabemos quando ocorreu esta transferência de genes. Acredito que já tenha algum tempo, por dois amplos motivos: 1) é um processo raro de acontecer e; 2) antes as algas não eram esterilizadas, e hoje passam por processos de cozimento e preparo que podem dificultar ainda mais o processo.
Apesar disso, essa descoberta nos dá uma ideia de como a microbiota pode ter se adaptado durante as alterações na dieta humana – ou mesmo como a própria microbiota pode direcionado a evolução humana – de forma a, com o passar do tempo, podemos obter um melhor aproveitamento nutricional da nossa alimentação. Podemos, então, pensar como nossos hábitos alimentares contemporâneos estão colocando em teste nossa microbiota, direcionando o microbioma humano a um novo padrão para as próximas gerações.
“Na próxima vez que você der uma bicadinha em um alimento diferente, pense nos microrganismos que podem estar ali, que você irá provavelmente ingerir e que, possivelmente, estarão fornecendo novas ferramentas aos seus 100 trilhões de amigos microscópicos!”
Ah, e então!? Conseguiu fazer a relação com o textinho do início da postagem?
ARTIGOS
Hehemann, J., Correc, G., Barbeyron, T., Helbert, W., Czjzek, M., & Michel, G. (2010). Transfer of carbohydrate-active enzymes from marine bacteria to Japanese gut microbiota Nature, 464 (7290), 908-912 DOI: 10.1038/nature08937
Jermy, A. (2010). Environmental microbiology: You are what you eat Nature Reviews Microbiology, 8 (6), 387-387 DOI: 10.1038/nrmicro2372
Sonnenburg, J. (2010). Microbiology: Genetic pot luck Nature, 464 (7290), 837-838 DOI: 10.1038/464837a
LEIA TAMBÉM:
- Algas de sushis só são digeridas por japoneses – no Química Viva
- Do fundo do oceano para o sushi, e do sushi para o fundo do estômago – n’O amigo de Wigner
- Gut bacteria in Japanese people borrowed sushi-digesting genes from ocean bacteria – no Not Exactly Rocket Science
- Gut Bacteria Give Super Seaweed-Digestion Power to Japanese – no Wired Science
