Estamos vivendo em um mundo bacteriano, e isso está nos impactando mais do que pensamos anteriormente

(Phys.org)- Ao longo de sua carreira, a famosa bióloga Lynn Margulis (1938-2011) argumentou que o mundo dos microorganismos tem um impacto muito maior em toda a biosfera – o mundo de todos os seres vivos do que os cientistas normalmente reconhecem. Agora uma equipe de cientistas de universidades ao redor do mundo coletou e compilou os resultados de centenas de estudos, a maioria da última década, sobre as interações entre animais e bactérias, e mostrou que Margulis estava certa. Os resultados combinados sugerem que as evidências que apoiam a visão de Margulis chegaram a um ponto de viragem, exigindo que os cientistas reexaminem algumas das características fundamentais da vida através da lente do complexo, relações codependentes entre bactérias e outras formas de vida muito diferentes.

O projeto de revisão da pesquisa atual sobre as interações entre animais e bactérias começou quando alguns cientistas reconheceram a importância das bactérias em seus próprios campos de estudo. Para Michael Hadfield, Professor de Biologia da Universidade do Havaí em Manoa, o reconhecimento cresceu durante muitos anos enquanto estudava a metamorfose dos animais marinhos. Ele descobriu que certas bactérias influenciam as larvas marinhas a instalarem-se em locais específicos no fundo do mar, onde se transformam em juvenis e vivem o resto das suas vidas.

“Uma vez que determinamos que bactérias específicas do biofilme fornecem um ligante essencial e único para estimular as larvas de um verme marinho distribuído globalmente, a nossa pesquisa avançou naturalmente para um estudo da porção do genoma bacteriano responsável pela sinalização, e para outras espécies, onde encontramos os mesmos genes envolvidos”, disse Hadfield ao Phys.org. “Vindo de diferentes perspectivas sobre o estudo das interações entre animais e bactérias, e reconhecendo muitas mais, Margaret McFall-Ngai e eu discutimos amplamente a situação atual e então decidimos tentar reunir um número significativo de especialistas em várias abordagens para o estudo das interações entre animais e bactérias para elaborar um documento como o que você tem em mãos. Propusemos uma “reunião de catálise” sobre o tema ao Centro Nacional de Síntese Evolutiva (NESCent) da National Science Foundation, que foi financiado, e o projeto decolou”

Bactérias nos cercam

Em muitos aspectos, é fácil ver o papel proeminente que as bactérias desempenham no mundo. As bactérias foram uma das primeiras formas de vida a aparecer na Terra, cerca de 3,8 bilhões de anos atrás, e muito provavelmente sobreviverão muito tempo depois que os humanos se forem. Na árvore da vida atual, elas ocupam um dos três ramos principais (os outros dois são a Archaea e Eucarya, com animais pertencentes a esta última). Embora as bactérias sejam extremamente diversas e vivam em quase todo o lado na Terra, desde o fundo do oceano até ao interior dos nossos intestinos, têm algumas coisas em comum. Elas são semelhantes em tamanho (alguns micrômetros), geralmente são feitas de uma única ou poucas células, e suas células não têm núcleos.

Apesar dos cientistas saberem há muitos anos que os animais servem como hospedeiros de bactérias, que vivem especialmente no intestino/intestino, na boca, e na pele, pesquisas recentes revelaram o quão numerosos são esses micróbios. Estudos demonstraram que os seres humanos têm cerca de 10 vezes mais células bacterianas no nosso corpo do que nós temos células humanas. (No entanto, o total de bactérias pesa menos de meio quilo porque as células bacterianas são muito mais pequenas do que as células humanas).

Embora algumas destas bactérias simplesmente vivam lado a lado com os animais, não interagindo muito, algumas delas interagem muito. Muitas vezes associamos bactérias a “germes” ou patógenos causadores de doenças, e as bactérias são responsáveis por muitas doenças, como tuberculose, peste bubônica e infecções por MRSA. Mas as bactérias também fazem muitas coisas boas, e a pesquisa recente sublinha o fato de que a vida animal não seria a mesma sem elas.

“O verdadeiro número de espécies bacterianas no mundo é espantosamente grande, incluindo as bactérias agora encontradas em torno da Terra nas camadas mais superiores da nossa atmosfera e nas rochas profundas abaixo do fundo do mar”, disse Hadfield. “Então acrescente todas aquelas de todos os ambientes possíveis, desde esgotos a fontes termais, e em praticamente todos os organismos vivos”. Portanto, a proporção de todas as espécies bacterianas que são patogênicas para plantas e animais é certamente pequena”. Suspeito que a proporção que é benéfica/necessária para plantas e animais é igualmente pequena em relação ao número total de bactérias presentes no universo, e certamente a maioria das bactérias, nesta perspectiva, são “neutras”. No entanto, também estou convencido que o número de micróbios benéficos, mesmo micróbios muito necessários, é muito, muito maior do que o número de patógenos”

Origens anímicas e coevolução

Desde os nossos humildes começos, as bactérias podem ter desempenhado um papel importante, ajudando nas origens dos organismos multicelulares (cerca de 1-2 bilhões de anos atrás) e nas origens dos animais (cerca de 700 milhões de anos atrás). Pesquisadores descobriram recentemente que um dos parentes vivos mais próximos de animais multicelulares, um choanoflagelado unicelular, responde a sinais de uma de suas presas bacterianas. Estes sinais causam a divisão das células de choanoflagellate para reter conexões, levando à formação de colônias bem coordenadas que podem ter se tornado organismos multicelulares. Contudo, tais questões de origem têm sido objecto de intenso debate, e os cientistas têm muitas hipóteses sobre como estas formas de vida surgiram. Um papel bacteriano nestes processos não exclui outras perspectivas, mas acrescenta uma consideração adicional.

Após ajudar a iniciar os animais, as bactérias também desempenharam um papel importante em ajudá-los ao longo do seu caminho evolutivo. Embora tradicionalmente se pense que o desenvolvimento animal é dirigido principalmente pelo próprio genoma do animal em resposta a fatores ambientais, pesquisas recentes têm mostrado que o desenvolvimento animal pode ser melhor pensado como uma orquestração entre o animal, o meio ambiente e a coevolução de numerosas espécies microbianas. Um exemplo desta coevolução pode ter ocorrido quando os mamíferos desenvolveram endotérmia, ou a capacidade de manter uma temperatura constante de aproximadamente 40 °C (100 °F) por meios metabólicos. Esta é também a temperatura em que os parceiros bacterianos dos mamíferos trabalham com uma eficiência óptima, fornecendo energia aos mamíferos e reduzindo as suas necessidades alimentares. Esta descoberta sugere que a temperatura preferida das bactérias pode ter colocado uma pressão de selecção sobre a evolução dos genes associados à endotérmia.

Sinalização bacteriana

Evidência para uma aliança profunda entre animais e bactérias também emerge nos genomas de ambos os grupos. Pesquisadores estimam que cerca de 37% dos 23.000 genes humanos têm homólogos com bactérias e Archaea, ou seja, estão relacionados a genes encontrados em bactérias e Archaea que foram derivados de um ancestral comum.

Muitos destes genes homólogos permitem a sinalização entre animais e bactérias, o que sugere que eles foram capazes de se comunicar e influenciar o desenvolvimento um do outro. Um exemplo é a descoberta por Hadfield e seu grupo de que a sinalização bacteriana tem um papel essencial na indução de metamorfoses em algumas larvas de invertebrados marinhos, onde as bactérias produzem sinais associados a fatores ambientais particulares. Outros estudos descobriram que a sinalização bacteriana influencia o desenvolvimento normal do cérebro em mamíferos, afecta o comportamento reprodutivo tanto em vertebrados como em invertebrados e activa o sistema imunitário em moscas tsé-tsé. Os químicos olfactivos que atraem alguns animais (incluindo humanos) para os seus futuros companheiros também são produzidos pelas bactérias residentes nos animais.

A sinalização bacteriana não só é essencial para o desenvolvimento, como também ajuda os animais a manter a homeostase, mantendo-nos saudáveis e felizes. Como a pesquisa tem mostrado, as bactérias no intestino podem se comunicar com o cérebro através do sistema nervoso central. Estudos têm descoberto que ratos sem certas bactérias têm defeitos em regiões do cérebro que controlam a ansiedade e o comportamento semelhante à depressão. A sinalização bacteriana também tem um papel essencial na proteção do sistema imunológico de um animal. Perturbar estas vias de sinalização bacteriana pode levar a doenças como diabetes, doença inflamatória intestinal e infecções. Estudos também sugerem que muitos dos patógenos que causam doenças em animais “seqüestraram” esses canais de comunicação bacteriana que originalmente evoluíram para manter um equilíbrio entre o animal e centenas de espécies de bactérias benéficas.

A sinalização também aparece na arena maior dos ecossistemas. Por exemplo, bactérias no néctar de flores podem alterar as propriedades químicas do néctar, influenciando a forma como os polinizadores interagem com as plantas. Os bebés humanos que nascem vaginalmente têm bactérias intestinais diferentes daquelas que são administradas por cesarianas, o que pode ter efeitos duradouros. E as bactérias que se alimentam de animais mortos podem repelir os animais necrófagos – organismos 10.000 vezes o seu tamanho – produzindo odores nocivos que sinalizam que os necrófagos se mantêm afastados.

No intestino

Nos primeiros animais, as bactérias intestinais desempenharam um papel importante na nutrição, ajudando os animais a digerir os seus alimentos, e podem ter influenciado o desenvolvimento de outros sistemas orgânicos próximos, tais como os sistemas respiratório e urogenital. Da mesma forma, a evolução dos animais provavelmente impulsionou a evolução das bactérias, por vezes em nichos altamente especializados. Por exemplo, 90% das espécies bacterianas nas entranhas das térmitas não são encontradas em nenhum outro lugar. Tal especialização também significa que a extinção de cada espécie animal resulta na extinção de um número desconhecido de linhagens bacterianas que evoluíram juntamente com ela.

Os cientistas também descobriram que as bactérias no intestino humano se adaptam à mudança de dietas. Por exemplo, a maioria dos americanos tem um microbioma intestinal que é otimizado para digerir uma dieta rica em gorduras e proteínas, enquanto as pessoas no Amazonas rural, Venezuela, têm micróbios intestinais mais adequados para quebrar carboidratos complexos. Algumas pessoas no Japão têm até uma bactéria intestinal que pode digerir algas marinhas. Os investigadores pensam que o microbioma intestinal se adapta de duas maneiras: adicionando ou removendo certas espécies de bactérias e transferindo os genes desejados de uma bactéria para outra através da transferência horizontal de genes. Tanto o hospedeiro como as bactérias beneficiam deste tipo de relação simbiótica, que os investigadores pensam ser muito mais difundida do que se pensava anteriormente.

O grande quadro

Junto, os estudos recentes mostraram que os animais e as bactérias têm histórias profundamente interligadas, e dependem umas das outras para a sua própria saúde e bem-estar, assim como para o do seu ambiente. Embora os investigadores se tenham concentrado exclusivamente nas interacções animais-bactérias, esperam que tendências semelhantes de codependência e simbiose sejam universais entre e entre outros grupos, tais como a Archaea, os fungos, as plantas e os animais. Uma vez considerada uma exceção, essa interseção está agora se tornando reconhecida como a regra – exatamente como Margulis previu há muitas décadas. Devido a estas relações simbióticas, os cientistas aqui presentes propõem que as próprias definições de um organismo, um ambiente, uma população e um genoma se tornaram confusas e devem ser revistas. Pode ser, por exemplo, que os animais sejam melhor vistos como ecossistemas hostis-microbianos do que como indivíduos.

Além disso, os cientistas prevêem que as recentes descobertas sobre as interações animais-bactérias provavelmente exigirão que os biólogos alterem significativamente sua visão sobre a natureza fundamental de toda a biosfera. Neste sentido, já estão em curso projectos de investigação em larga escala, tais como o Projecto Microbioma Humano e o Projecto Microbioma Terra, para investigar a vasta gama de bactérias nos sistemas individuais e globais, e para ver o que acontece quando as bactérias são perturbadas.

No final, os cientistas esperam que os resultados promovam mais colaboração interdisciplinar entre cientistas e engenheiros de diferentes campos para explorar a nova fronteira microbiana. Eles argumentam que essas descobertas devem revolucionar a forma como a biologia é ensinada desde o ensino médio, concentrando-se mais nas relações entre as bactérias, seus parceiros animais e todas as outras formas de vida.

“É difícil resumir uma única ‘conclusão mais importante’, além da advertência aos biólogos que estudam animais, do comportamento à fisiologia e ecologia à biologia molecular, que não importa o processo que você pensa que está estudando, você deve procurar e considerar um papel importante para as bactérias”, disse Hadfield. “Em muitos casos, isso pode exigir parcerias além das fronteiras tradicionais da pesquisa, o que significa que os zoólogos devem colaborar com os microbiologistas para avançar suas pesquisas, que os biólogos moleculares devem colaborar com os biólogos de organismos inteiros, etc. Queremos muito que a mensagem em ‘Animais em um mundo bacteriano’ seja um apelo para o necessário desaparecimento das antigas fronteiras entre os departamentos de ciências da vida (por exemplo, Departamentos de Zoologia, Botânica, Microbiologia, etc.) nas universidades, e sociedades (por exemplo, a Sociedade Americana de Microbiologia, etc.)”. Também queremos que a mensagem seja disseminada nas aulas de biologia introdutória a cursos avançados nas várias áreas temáticas do nosso trabalho”

Os resultados mudarão profundamente a forma como os cientistas desta colaboração continuam com suas próprias áreas de pesquisa, disse Hadfield.

“Cada um dos autores do nosso trabalho conduz pesquisa básica em uma ou mais áreas de interação animal-bacteriana discutidas no trabalho, e cada um continuará focando em sua própria especialidade, tenho certeza”, disse ele. No entanto, também estou certo de que as interações desenvolvidas durante a composição e escrita do trabalho (começando com nosso encontro NESCent em outubro de 2011, quando a maioria de nós se reuniu pela primeira vez) terão impacto em nossas próprias pesquisas e nos levarão a estabelecer novas colaborações com outros laboratórios”. Isso já ocorreu para mim; tenho uma nova colaboração com o grupo de Dianne Newman na CalTech, um grupo notável de bacteriologistas que nos ajudam a fazer uma investigação muito mais profunda dos gene-produtos bacterianos responsáveis pelo desenvolvimento larvar”.