Uma equipe de pesquisadores liderada pela UCL (University College London) e pelo Imperial College London demonstrou, pela primeira vez, como os antibióticos salva-vidas chamados polimixinas perfuram a armadura de bactérias nocivas.
Os resultados, publicados na revista Nature Microbiology, podem levar a novos tratamentos para infecções bacterianas — especialmente urgente, uma vez que infecções resistentes a medicamentos já matam mais de um milhão de pessoas por ano.
As polimixinas foram descobertas há mais de 80 anos e são usadas como tratamento de última opção para infecções causadas por bactérias “Gram negativas”. Estas bactérias possuem uma camada externa que atua como uma armadura e impede que certos antibióticos penetrem na célula. As polimixinas são conhecidas por atacar essa camada externa, mas como elas a desestabilizam e, em seguida, matam as bactérias ainda não é totalmente compreendido.
No novo estudo, a equipe de pesquisa revelou, por meio de imagens de alta resolução e experimentos bioquímicos, como o antibiótico Polimixina B rapidamente causou protuberâncias na superfície de uma célula bacteriana de E. coli.
Essas protuberâncias, que surgiram em minutos, foram seguidas pela rápida remoção da armadura externa da bactéria.
Os pesquisadores concluíram que o antibiótico havia desencadeado a produção e a perda da armadura pela célula. Quanto mais a célula tentava produzir uma nova armadura, mais ela perdia a que estava fabricando, a uma taxa tal que deixava lacunas em suas defesas, permitindo que o antibiótico penetrasse na célula e a matasse.
No entanto, a equipe descobriu que esse processo — protuberâncias, produção rápida e perda da armadura e morte celular — ocorria apenas quando a célula estava ativa. Em bactérias dormentes, a produção de armadura é desativada, tornando o antibiótico ineficaz.
O coautor sênior Dr. Andrew Edwards, do Imperial, afirmou: “Durante décadas, assumimos que os antibióticos que atacam a armadura bacteriana poderiam matar os micróbios em qualquer estado, seja quando estão se replicando ativamente ou dormentes. Mas isso não é verdade. Ao capturar estas incríveis imagens de células únicas, conseguimos mostrar que esta classe de antibióticos só funciona com a ajuda da bactéria, e se as células entram em um estado semelhante a um hibernativo, os medicamentos não funcionam — o que é muito surpreendente.”
Entrar em estado dormente permite que as bactérias sobrevivam a condições desfavoráveis, como a falta de alimento. Elas podem ficar dormentes por muitos anos e “acordar” quando as condições se tornam mais favoráveis. Isso pode permitir que as bactérias sobrevivam contra antibióticos, por exemplo, e reanimem para causar infecções recorrentes no organismo.
O coautor sênior Professor Bart Hoogenboom, baseado no London Centre for Nanotechnology da UCL, disse: “As polimixinas são uma linha de defesa importante contra bactérias Gram-negativas, que causam muitas infecções letais resistentes a medicamentos. É importante entendermos como elas funcionam.
“Nosso próximo desafio é usar essas descobertas para tornar os antibióticos mais eficazes. Uma estratégia pode ser combinar o tratamento com polimixina — de forma contra-intuitiva — com tratamentos que promovam a produção de armadura e/ou despertem bactérias ‘dorminhocas’ para que essas células também possam ser eliminadas.”
“Nosso trabalho também mostra que precisamos levar em conta qual estado as bactérias estão quando estamos avaliando a eficácia dos antibióticos.”
As células de E. coli foram imagedas no London Centre for Nanotechnology na UCL. Uma agulha minúscula, com apenas alguns nanômetros de largura, foi passada sobre a célula bacteriana, “tocando” sua forma para criar uma imagem (uma técnica chamada microscopia de força atômica) com uma resolução muito maior do que seria possível usando luz.
A coautora Carolina Borrelli, estudante de doutorado no London Centre for Nanotechnology na UCL, comentou: “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 produzir ‘tijolos’ para sua parede externa a uma taxa tal que essa parede se torna desestabilizada, permitindo que o antibiótico infiltre.”
A equipe comparou como células ativas (crescentes) e inativas de E. coli responderam à polimixina B em laboratório, descobrindo que o antibiótico eliminou eficientemente as células ativas, mas não matou as células dormentes.
Eles também testaram a resposta das células de E. coli com e sem acesso a açúcar (uma fonte de alimento que desperta células dormentes). Quando o açúcar estava presente, o antibiótico matou células anteriormente dormentes, mas apenas após um atraso de 15 minutos — o tempo necessário para que as bactérias consumissem o açúcar e reiniciassem a produção de sua armadura externa.
Em condições onde o antibiótico foi eficaz, os pesquisadores detectaram mais armadura sendo liberada das bactérias. Eles também observaram as protuberâncias ocorrendo na superfície da célula.
Em condições onde foi ineficaz, o antibiótico se ligou à membrana externa, mas causou pouco dano.
O coautor Dr. Ed Douglas, do Imperial, comentou: “Observamos que a destruição da armadura mais externa das bactérias só ocorreu quando as bactérias estavam consumindo açúcar. Assim que soubemos disso, conseguimos rapidamente entender o que estava acontecendo.”
O coautor Professor Boyan Bonev, da Universidade de Nottingham, disse: “Trabalhar juntos nos deu insights únicos sobre a fisiologia e morfologia bacteriana sob estresse que permaneceram ocultos 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.
