3.2 Quimiotaxis
Muitas bactérias são dependentes da quimiotaxis para coordenar a motilidade bacteriana ao longo de um gradiente químico (Charon et al., 2012; Lux, Moter, & Shi, 2000; Porter, Wadhams, & Armitage, 2011; Wadhams & Armitage, 2004). Considerando a importância da motilidade durante o ciclo enzótico de B. burgdorferi, não é surpreendente que as bactérias também tenham a capacidade de sentir e responder a concentrações variáveis de factores ambientais. Os ensaios de quimiotaxia in vitro com B. burgdorferi mostraram que soros de coelho, glicose, glutamato, quitosan dimer, glucosamina e N-acetilglucosamina (GlcNAc) são quimiotractantes (Bakker et al., 2007; Shi et al., 1998). Estudos também demonstraram migração de B. burgdorferi para extratos de glândulas salivares de carrapatos Ixodes adultos (Shih, Chao, & Yu, 2002). Estes últimos achados são particularmente interessantes porque destacam um mecanismo potencial pelo qual espiroquetas em tecidos de mamíferos seriam atraídas para o local de alimentação do carrapato para facilitar a captação eficiente de bactérias e a transmissão de mamífero para o bastão.
Durante a quimiotaxia, os quimiotraxantes são detectados pelas bactérias através de quimiorreceptores transmembranosos conhecidos como proteínas quimiotáxicas aceitáveis (MCPs) (Bren & Eisenbach, 2000; Hazelbauer, 2012; Porter et al.., 2011). No modelo clássico de quimiotaxia, os MCPs transmitem então um sinal para ativar o sensor CheA kinase e acionar sua auto-fosforilação. CheW é uma proteína citoplásmica que funciona como um adaptador para acoplar o domínio citoplásmico dos MCPs ao CheA. Quando o CheA é ativado, ele fosforila o regulador de resposta CheY, e o CheY ativado interage com os componentes do complexo de chave flagelar para induzir uma inversão na direção da rotação flagelar. Para retornar a rotação flagelar de volta à sua direção nativa, uma fosfatase específica do CheY, cuja natureza varia entre as espécies bacterianas, inativa o CheY fazendo com que ele se dissocie do motor flagelar. Há uma série de componentes adicionais suspeitos de contribuir para a resposta quimiotáxica borrelial (revista em Charon et al., 2012), no entanto, eles não são discutidos em detalhes neste capítulo, já que seus papéis específicos em B. burgdorferi não foram confirmados experimentalmente.
Como com os componentes estruturais flagelares, os papéis dos componentes individuais do sistema de quimiotaxia de B. burgdorferi foram inicialmente baseados na homologia do mecanismo de quimiotaxia conhecido descrito em outras bactérias. Em B. burgdorferi, existem cinco PMCs putativos, MCP1 (BB0578), MCP2 (BB0596), MCP3 (BB0597), MCP4 (BB0680), e MCP5 (BB0681) (Fraser et al., 1997). MCP3 e MCP5, dois dos mais abundantes MCPs em B. burgdorferi, foram observados para aglomerar-se em ambos os pólos e crio-ET mostrou que estes MCPs foram dispostos em matrizes que são paralelas e adjacentes às estruturas motoras flagelares (Xu, Raddi, Liu, Charon, & Li, 2011). Estes dados indicam que ambas as extremidades da espiroqueta têm o potencial de detectar e responder a sinais quimiotácticos. Além disso, a localização das estruturas sensoriais nas proximidades dos motores permite uma resposta rápida aos sinais quimiotácticos. O genoma de B. burgdorferi também codifica múltiplas moléculas do adaptador CheW (Fraser et al., 1997). Embora isto não seja particularmente incomum entre bactérias flageladas, evidências experimentais indicam que duas delas operam na mesma cascata quimiossensorial e são absolutamente essenciais para a quimiotaxia do B. burgdorferi (Zhang, Liu, et al., 2012). Especificamente, os mutantes de eliminação sem CheW1 (BB0312) ou CheW3 (BB0670) não eram móveis, enquanto que a mutação de CheW2 (BB0565) não teve nenhum efeito discernível sobre a quimiotaxia ou a motilidade. Esta atividade diferencial poderia ser correlacionada com o reconhecimento das moléculas de CheA burgdorferi-distintas de B. burgdorferi. O genoma B. burgdorferi codifica dois homólogos CheA (Fraser et al., 1997), CheA1 (BB0567) e CheA2 (BB0669); entretanto, suas funções não parecem ser redundantes (Li et al., 2002). Enquanto um CheA1 mutante não apresenta nenhum defeito discernível na quimiotaxia, os espiroquetas sem CheA2 funcionam continuamente e não são mais quimiotáticos. Curiosamente, evidências experimentais também mostram que tanto o CheW1 quanto o CheW3 interagem com o CheA2, enquanto o CheW2 interage com o CheA1 (Zhang, Liu, et al., 2012). A cepa mutante CheA2 ainda foi capaz de colonizar e sobreviver dentro de carrapatos, embora devido à resposta quimiotáxica defeituosa no CheA2 mutante, não é surpreendente que este mutante fosse incapaz de infectar ratos quando desafiado por infecção com agulha ou carrapato (Sze et al., 2012). B. burgdorferi também tem vários CheY homologs, designados CheY1 (BB0551), CheY2 (BB0570) e CheY3 (BB0672) (Fraser et al., 1997). Em análises mutacionais para avaliar o papel de cada CheY homolog, o CheY3 mutante foi o único mutante com defeito discernível na quimiotaxia (Motaleb et al., 2005). A inativação do CheY3 resultou em uma cepa mutante que corria constantemente. Os ensaios de fosforilação in vitro também sugeriram que CheA2 foi mais eficiente que CheA1 na fosforilação do CheY3. Em B. burgdorferi, há apenas um CheY fosfatase identificado, que é denominado CheX (BB0671) devido à sua homologia às proteínas CheX de outras espécies bacterianas (Fraser et al., 1997). A motilidade geral é prejudicada em um CheX mutante para deleção porque as células estavam continuamente flexionadas e travadas em um estado não translacional de motilidade (Motaleb et al., 2005). Como o CheX mutante era incapaz de motilidade translacional, ele também não respondia aos quimiotractantes. Este fenótipo é presumivelmente devido às altas concentrações de CheY fosforilado, que mantém o(s) motor(es) flagelar(es) girando no sentido inverso. As proteínas do interruptor motor FliG de B. burgdorferi também foram estudadas (Li et al., 2010). Os estudos de imunofluorescência indicaram que o FliG1 (BB0221) se localizou num pólo da célula bacteriana, enquanto o FliG2 (BB0290) se localizou em ambos os pólos. Esta localização diferencial sugere que as duas proteínas FliG podem ter funções únicas. O FliG2 foi essencial para a flagelação, portanto, os mutantes FliG2 são não móveis e em forma de bastão. O mutante FliG1, por outro lado, foi capaz de formar flagelação funcional, mas apenas uma das extremidades da célula estava rodando ativamente e as células estavam prejudicadas pela motilidade em meios altamente viscosos. O mutante FliG1 também não era infeccioso quando os ratos imunocompetentes ou imunocomprometidos eram desafiados através da inoculação com agulha.
Embora as funções de vários componentes primários do sistema de motilidade tenham sido confirmadas em estudos mutacionais, ainda há muito a aprender em relação à quimiotaxia de B. burgdorferi. CheA2 e CheY3 são conhecidos por serem essenciais para a quimiotaxia, mas estudos têm sido incapazes de determinar papéis para CheA1, CheY1, e CheY2. Como B. burgdorferi deve existir dentro e adaptar-se a microambientes muito diferentes durante seu ciclo enzótico, continua sendo possível que o(s) nicho(s) específico(s) no(s) qual(is) esses outros componentes são relevantes permaneça(m) a ser identificado(s). Curiosamente, vários dos genes que são agora conhecidos por desempenhar um papel na quimiotaxia estão organizados em um único operon (por exemplo, flaA-cheA2-cheW3-cheX-cheY3). cheW2-cheA1-cheY2, todos os quais atualmente não têm nenhum papel demonstrado na motilidade, são encontrados dentro de outro operon (Li et al., 2002). Isto levou os investigadores a supor que CheW1/CheW3-CheA2-CheY3 representam a via quimiossensorial que é operatória in vitro e essencial para a infecção de mamíferos, e CheW2-CheA1-CheY2 e/ou CheY1 constituem uma segunda via que pode contribuir durante a fase do ciclo de vida de Borrelia que ainda não foi abordada (por exemplo, sobrevivência/migração dentro do carrapato ou transmissão mediada pelo carrapato) (Charon et al., 2012; Li et al., 2002).