Como bactérias mortas ajudam a E. coli a sobreviver a antibióticos

Mesmo depois de mortas, as bactérias podem dar uma ajuda às que ficam. Uma equipa de investigadores descobriu que bactérias eliminadas por antibióticos conseguem libertar moléculas que protegem células próximas do mesmo fármaco. Este mecanismo permite que parte de uma população bacteriana sobreviva ao tratamento, apesar de não ter qualquer resistência genética própria. Assim, uma dose capaz de matar uma célula isolada pode não chegar para eliminar uma população inteira.

Perceber de que forma os sobreviventes conseguem recuperar poderá ajudar os médicos a distinguir quando um antibiótico de primeira linha vai resultar e quando pode falhar de forma discreta.

Os resultados também podem ser úteis para identificar que combinações de fármacos têm maior probabilidade de bloquear esta via de fuga.

O enigma da recuperação

O estudo começou com um resultado que parecia não fazer sentido. Culturas da bactéria intestinal Escherichia coli (E. coli) quase desapareciam após receberem uma dose de antibiótico.

No entanto, passadas algumas horas, voltavam a crescer de forma vigorosa, como se nada tivesse acontecido. Foi a primeira autora, a Dra. Rotem Gross, quem fez esta observação.

A investigação foi realizada com uma equipa que incluiu o Dr. Joachim Krug, da Universidade de Colónia.

Os investigadores acompanharam duas estirpes laboratoriais ao longo de uma gama de doses de cefotaxima, um antibiótico muito utilizado da família dos beta‑lactâmicos, que inclui a penicilina.

Sobreviver ao antibiótico

Quando expostas a doses quase letais, as culturas atravessavam três etapas. Primeiro, a população parecia crescer, depois entrava em colapso e, por fim, recuperava.

Microbiologistas observam este padrão - subir, cair e voltar a subir - há cerca de meio século, sem nunca o terem explicado por completo. A primeira fase revelou-se ao microscópio.

Os antibióticos beta‑lactâmicos bloqueiam a maquinaria molecular de que a célula precisa para se dividir; por isso, em vez de se separarem em duas, as bactérias continuavam a alongar-se, formando estruturas compridas, semelhantes a fios.

Este alongamento, chamado filamentação, é o que fazia subir o “crescimento” inicial, e não um aumento real do número de células.

Ajuda vinda dos mortos

Para perceberem o que estava a eliminar o fármaco, os investigadores cultivaram E. coli na presença do antibiótico, filtraram as células e aplicaram o líquido remanescente em culturas novas.

As novas culturas prosperaram. O resultado foi inesperado, porque a proteção conferida pelo líquido era maior do que aquilo que se explicaria apenas por retirar o antibiótico - sinal de que as células tinham deixado algo benéfico no meio.

Quando aqueceram o líquido quase até à ebulição, o seu efeito protetor desapareceu, o que indicava que o responsável era uma proteína. A proteína identificada foi a AmpC, uma enzima beta‑lactamase que corta os antibióticos beta‑lactâmicos.

Ao aumentarem a produção de AmpC, as culturas passaram a resistir a doses que, de outra forma, seriam letais. E, quando adicionaram um composto que bloqueia a enzima, a proteção deixou de existir.

Como as células mortas ajudam

As células vivas também produzem esta enzima, usando-a de forma “privada” para degradar o fármaco num espaço estreito sob a parede externa, antes de o antibiótico causar danos.

A verdadeira reviravolta surge no momento da morte. Quando um filamento rebenta, liberta a sua reserva de AmpC para o caldo comum; aí, a enzima continua a desmantelar o antibiótico em benefício de todas as células que ainda estão vivas.

“A morte de algumas das bactérias contribui significativamente para a sobrevivência a longo prazo da população como um todo, o que pode ser interpretado como um exemplo de comportamento coletivo altruísta”, afirmou Krug.

Uma célula que morre ainda desempenha um último papel em prol das suas “parentes”. A hipótese de as bactérias poderem morrer em benefício do grupo já tinha sido testada anteriormente.

Numa experiência, investigadores criaram E. coli com um sistema de autodestruição acionável e mostraram que a morte podia ser ajustada para ajudar as sobreviventes.

O que distingue este caso é que não foi necessária engenharia genética: uma enzima que as bactérias já possuem consegue, por si só, produzir o mesmo efeito.

Duas estirpes, respostas diferentes

A proporção da “salvação” atribuída às células vivas e às células mortas variou consoante a estirpe.

Em colaboração com um grupo da Universidade e Investigação de Wageningen (WUR), nos Países Baixos, a equipa desenvolveu um modelo matemático para seguir a degradação do antibiótico em ambos os locais.

Depois disso, estimaram quanto tempo demoraria cada cultura a recuperar. Foi aqui que as duas estirpes começaram a divergir.

Numa das estirpes, de acordo com o modelo, a maior parte do antibiótico era destruída dentro de células intactas, mantendo-se “guardada” atrás da parede externa.

Na outra, acima de determinada dose, o equilíbrio inclinava-se para fora: a maior parte da degradação passava a acontecer no fluido envolvente, alimentada pela enzima libertada por células que já tinham morrido.

Duas formas de sobreviver

O modelo conseguiu reproduzir os tempos reais de recuperação usando apenas algumas centenas de cópias da enzima por célula. Além disso, as previsões coincidiram com o comportamento observado nas culturas ao longo de uma ampla gama de doses.

Esta diferença põe a descoberto um compromisso real. Manter a enzima dentro da célula assegura uma proteção forte para o indivíduo, mas pouco faz pela comunidade, já que o antibiótico no exterior quase não é afetado.

Libertá-la através da morte faz o inverso: “limpa” o ambiente partilhado, mas deixa cada célula moribunda sem qualquer benefício.

Este tipo de células que morrem para apoiar as sobreviventes também aparece noutros contextos. Outros estudos já mostraram que células mortas por antibióticos podem ativar vias de sobrevivência em bactérias vizinhas.

O que isto muda

A distinção entre o que é privado e o que é partilhado tem implicações práticas claras. Os médicos já combinam beta‑lactâmicos com fármacos chamados inibidores de beta‑lactamase, que desligam a enzima.

Esses inibidores não conseguem entrar numa célula intacta; por isso, só neutralizam a enzima que esteja a circular no meio.

Isto sugere que os inibidores deverão ser mais eficazes contra estirpes que dependem da via partilhada e externa - aquelas em que a “morte altruísta” tem maior peso.

E deverão ser menos eficazes contra estirpes que mantêm a enzima retida no interior das células. Ambas as estirpes aqui estudadas eram E. coli, uma causa frequente de infeções urinárias e de infeções adquiridas em ambiente hospitalar.

“Ficámos admirados com a variedade de mecanismos de defesa que as bactérias conseguem mobilizar mesmo em condições laboratoriais simples”, disse Krug.

Mais formas de sobreviver

Até a mesma estirpe, sob uma pressão ligeiramente diferente, pode tender para uma via ou para a outra.

Já se sabe que bactérias resistentes podem proteger vizinhas mais frágeis ao remover o antibiótico do espaço em redor, como demonstrou um artigo.

O novo trabalho mostra que a mesma “generosidade” pode ocorrer dentro de uma única família de células geneticamente idênticas, impulsionada pelas próprias mortes.

Antes deste estudo, a recuperação de culturas tratadas com antibióticos era atribuída, de forma geral, à libertação de enzimas por células mortas, mas com os pormenores por esclarecer.

Melhor utilização dos antibióticos

O estudo esclarece de que modo células vivas e células mortas contribuem de maneira distinta para a sobrevivência a antibióticos. Algumas estirpes dependem mais de enzimas mantidas dentro das células vivas, enquanto outras beneficiam mais de enzimas libertadas após a morte celular.

Isto dá aos investigadores uma forma de antecipar que infeções poderão ser eliminadas por uma determinada combinação de fármacos.

E transforma uma curiosidade laboratorial com décadas numa orientação prática para tirar mais partido dos antibióticos já disponíveis.