Investigating alterations in the cell envelope of Escherichia coli exposed to simulated microgravity

As viagens espaciais de longa duração apresentam um conjunto único de desafios para a vida humana, não apenas para os astronautas, mas também para os organismos microscópicos que compartilham seu ambiente. As bactérias estão em toda parte e, no ar e na água reciclados e confinados de uma espaçonave, seu comportamento pode mudar de formas difíceis de prever. Uma das diferenças mais significativas entre a Terra e o espaço é a ausência de gravidade. Em nosso planeta, a gravidade puxa as partículas mais pesadas para baixo e impulsiona o movimento dos fluidos, criando uma agitação constante e suave que ajuda os nutrientes a alcançarem as células e os resíduos a se afastarem. No espaço, sem esse puxão, os fluidos se comportam de maneira diferente; eles não se assentam e não circulam da mesma forma. Isso cria um ambiente estagnado onde o mundo minúsculo que envolve uma célula bacteriana pode se tornar muito diferente do que é na Terra. Os cientistas estão profundamente interessados em como essas mudanças afetam as bactérias, particularmente a Escherichia coli, um organismo comum encontrado no intestino humano. Se essas bactérias mudarem sua forma, sua camada externa ou sua capacidade de resistir a medicamentos enquanto estão no espaço, isso poderá representar sérios riscos à saúde da tripulação e à integridade da própria espaçonave.

Para entender essas potenciais mudanças sem o imenso custo e dificuldade de enviar experimentos para a órbita, os pesquisadores recorreram a uma ferramenta baseada na Terra chamada clinostato 3D. Este dispositivo é essencialmente uma plataforma rotativa que gira amostras em três dimensões. Ao mudar constantemente a direção da gravidade em relação à amostra, ele engana as células em seu interior, fazendo com que experimentem um estado de "microgravidade funcional", mimetizando as condições do espaço. Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Savitribai Phule Pune, na Índia, utilizou essa máquina para cultivar E. coli e examinou cuidadosamente se o revestimento externo das bactérias, conhecido como envelope celular, mudou sob essas condições simuladas. O envelope celular é a barreira protetora que envolve uma bactéria, atuando como sua pele e escudo contra o mundo exterior. Os pesquisadores hipotetizaram que, como o ambiente ao redor da célula havia mudado, a própria célula poderia alterar sua estrutura para se adaptar.

O estudo começou cultivando dois conjuntos da mesma linhagem bacteriana. Um conjunto foi colocado no clinostato rotativo para simular a microgravidade, enquanto o outro foi mantido em um agitador de laboratório padrão que fornecia gravidade normal e mistura constante. Os pesquisadores monitoraram as bactérias ao longo do tempo para ver se elas cresciam em taxas diferentes. Eles descobriram que o crescimento geral das bactérias foi notavelmente semelhante em ambos os ambientes. As células se multiplicaram e atingiram os mesmos tamanhos de população, quer estivessem no ambiente de microgravidade simulada ou na bancada do laboratório. Isso sugere que a falta de gravidade não impediu as bactérias de se alimentarem ou de se dividirem. No entanto, quando os cientistas olharam mais de perto para a estrutura física das bactérias, a história mudou. Usando um microscópio poderoso que utiliza elétrons para ver detalhes da superfície, eles observaram que as bactérias cultivadas em microgravidade simulada pareciam diferentes. Elas eram mais curtas e significativamente mais finas do que suas contrapartes cultivadas em gravidade normal. Especificamente, as células expostas ao ambiente de microgravidade simulada eram cerca de 4 por cento menores em comprimento e 16 por cento mais estreitas em diâmetro.

Essa mudança de forma teve uma consequência matemática direta para as bactérias. Como elas se tornaram mais finas e curtas, sua área de superfície diminuiu, mas seu volume diminuiu ainda mais. Isso resultou em um aumento de 14 por cento na razão entre área de superfície e volume. Em termos mais simples, as bactérias tornaram-se mais eficientes em interagir com seu ambiente imediato em relação ao seu tamanho. Esta é uma descoberta significativa porque as bactérias frequentemente mudam sua forma para absorver melhor os nutrientes quando o alimento é escasso. Os pesquisadores também analisaram a composição química das paredes celulares bacterianas usando uma técnica que mede como as células absorvem luz infravermelha. Eles encontraram mudanças distintas nos sinais químicos associados a açúcares e proteínas na parede celular, particularmente na região onde a camada externa é construída. Os dados mostraram que a composição química da parede celular havia sido alterada, sugerindo que as bactérias estavam remodelando suas camadas protetoras em resposta às condições únicas da microgravidade simulada.

Além de sua forma e composição química, os pesquisadores investigaram como as bactérias interagiam com seu ambiente e com medicamentos. Eles testaram se as bactérias se agrupavam, um comportamento conhecido como autoagregação, que é frequentemente um precursor da formação de biofilmes — camadas viscosas que podem obstruir equipamentos. Eles descobriram que as bactérias não se agruparam mais nem menos do que o habitual, independentemente da condição de gravidade. Eles também testaram com que facilidade as bactérias poderiam ser mortas por antibióticos. Os resultados aqui foram impressionantes. Embora as bactérias tenham permanecido igualmente suscetíveis à maioria dos medicamentos testados, sua suscetibilidade a dois antibióticos específicos, Cefotaxima e Cloranfenicol, diminuiu significativamente. As bactérias cultivadas em microgravidade simulada mostraram uma diminuição significativa na suscetibilidade a esses fármacos. Isso sugere que as mudanças no envelope celular, como o afinamento da parede celular e as mudanças químicas, podem ter alterado a forma como esses antibióticos específicos interagem com as bactérias.

Os pesquisadores concluíram que, embora as bactérias não tenham parado de crescer, o ambiente de microgravidade simulada as forçou a se adaptar física e quimicamente. As bactérias tornaram-se mais finas, mudaram a química de suas paredes externas e mostraram uma diminuição significativa na suscetibilidade a certos antibióticos comuns. Essas descobertas são cruciais para futuras missões espaciais. Se as bactérias no espaço mudarem sua forma e alterarem sua suscetibilidade aos medicamentos, isso poderá complicar o tratamento de infecções para os astronautas e aumentar o risco de contaminação bacteriana nas superfícies das espaçonaves. O estudo fornece um quadro claro de que o envelope celular é uma estrutura dinâmica que responde às forças físicas de seu ambiente. Embora esta pesquisa tenha sido realizada na Terra usando uma simulação, ela oferece um vislumbre vital de como os passageiros microscópicos de uma futura viagem espacial podem se comportar quando deixarem o nosso planeta para trás.