Two actinobacterial G protein systems control multicellular mycelial growth and morphology in Streptomyces venezuelae

As bactérias são frequentemente imaginadas como andarilhas solitárias, células únicas derivando em seu ambiente e se dividindo por conta própria. No entanto, muitas bactérias vivem como vastas comunidades cooperativas, formando redes intrincadas que se assemelham às raízes de uma planta ou aos fios de uma teia de aranha. Entre elas estão os estreptomicetos, um grupo de bactérias que habitam o solo e crescem como filamentos longos e ramificados chamados hifas. Esses filamentos se entrelaçam para criar um micélio multicelular, uma malha viva que explora o solo em busca de nutrientes. Para que essa rede funcione, os filamentos individuais devem coordenar seu crescimento. Eles precisam saber onde se estender, quando ramificar e, crucialmente, como evitar colidir uns com os outros de uma forma que crie uma confusão emaranhada e ineficiente. Essa coordenação requer um sofisticado sistema de comunicação interna, uma maneira de as células sentirem seus vizinhos e ajustarem sua forma e direção de acordo.

No solo, onde o alimento é frequentemente escasso e distribuído de forma desigual, a capacidade de organizar uma rede multicelular de forma eficiente é uma questão de sobrevivência. Se os filamentos crescerem de forma desordenada, eles podem sufocar uns aos outros, desperdiçando energia e falhando em cobrir o terreno de forma eficaz. Os cientistas há muito sabem que as bactérias usam sinais químicos para conversar entre si, mas os mecanismos específicos que permitem que uma rede de filamentos mantenha uma estrutura limpa e organizada enquanto cresce sobre uma superfície permaneceram um mistério. Pesquisas recentes voltaram sua atenção para um conjunto único de ferramentas genéticas encontradas nessas bactérias, conhecidas como sistemas de proteína G. Estas são máquinas moleculares que atuam como interruptores, ligando ou desligando genes em resposta ao ambiente. Na bactéria específica Streptomyces venezuelae, existem oito versões diferentes desses sistemas, mas até agora, ninguém sabia exatamente o que a maioria deles estava fazendo ou como ajudavam as bactérias a construir suas complexas casas multicelulares.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Lund, na Suécia, partiu para resolver esse enigma, removendo sistematicamente cada um desses oito sistemas genéticos, um por um, para ver o que acontecia com as bactérias. Eles cultivaram as bactérias modificadas em diferentes tipos de alimentos, variando de géis ricos e densos em nutrientes a superfícies mínimas e muito pobres que mimetizam as condições severas do solo. O que descobriram foi que dois desses sistemas, trabalhando juntos, atuam como os arquitetos da rede bacteriana. Quando os pesquisadores removeram esses dois sistemas específicos, as bactérias perderam a capacidade de se organizar. Em vez de se espalharem em uma camada limpa e uniforme, onde cada filamento tem seu próprio espaço, as bactérias mutantes começaram a se agrupar. Seus filamentos grudaram uns nos outros, formando feixes espessos e cordiformes que pareciam um novelo de lã emaranhado, em vez de uma teia delicada.

Esse comportamento de agrupamento não era apenas uma questão de as bactérias grudarem umas nas outras por acidente. Os pesquisadores observaram que os filamentos mutantes cresciam em linhas retas e rígidas, enquanto as bactérias do tipo selvagem cresciam em curvas suaves e sinuosas. As bactérias do tipo selvagem pareciam evitar ativamente seus vizinhos, crescendo nos espaços vazios entre outros filamentos para cobrir a superfície uniformemente. Esse "autoevitamento" permitia que elas explorassem o alimento disponível de forma mais eficiente. Os mutantes, carecendo dos dois sistemas genéticos fundamentais, perderam essa habilidade. Eles cresceram em linha reta e grudaram em qualquer coisa que estivesse por perto, incluindo outros filamentos mutantes e até mesmo os filamentos do tipo selvagem com os quais foram cultivados. Os pesquisadores testaram se as bactérias estavam liberando substâncias químicas invisíveis no ar ou na água que causavam essa aderência, mas não encontraram evidências de tais sinais. Em vez disso, o problema parecia ser intrínseco às próprias células mutantes; suas superfícies haviam mudado, tornando-as pegajosas e propensas ao agrupamento.

Ao observar os genes que estavam ativos nas bactérias mutantes, os cientistas descobriram por que isso estava acontecendo. Os mutantes haviam aumentado o volume de um grande grupo de genes responsáveis pela construção da parede celular e pela produção de revestimentos açucarados no exterior da célula. Essa superprodução de materiais de superfície provavelmente tornou os filamentos pegajosos, fazendo com que aderissem uns aos outros. No entanto, a história não terminou apenas com o agrupamento microscópico. Os pesquisadores também notaram que os mutantes se comportavam de forma diferente em uma escala maior. Enquanto as bactérias do tipo selvagem se espalhariam em um filme fino e liso sobre a superfície da placa — um comportamento conhecido como crescimento exploratório — os mutantes falhavam em fazer isso. Em vez disso, eles formavam colônias densas e peludas que pareciam estar tentando crescer para cima, no ar, mesmo quando as condições não eram adequadas para tal crescimento.

Para entender por que os mutantes estavam falhando em explorar, os pesquisadores buscaram bactérias que tivessem corrigido o problema espontaneamente. Eles descobriram que algumas das bactérias mutantes haviam adquirido novas mutações que permitiam que elas se espalhassem novamente, quase como o tipo selvagem. Quando analisaram o DNA dessas bactérias "supressoras", descobriram que a correção envolvia mudanças em um outro conjunto de genes que controlam um sinal químico conhecido como cGMP cíclico (ou cyclic-di-GMP). Esse sinal é um regulador mestre que diz às bactérias quando parar de crescer e começar a formar esporos. Os pesquisadores concluíram que os mutantes originais estavam crescendo rápido demais e amadurecendo precocemente. Como estavam correndo para formar esporos, nunca tiravam o tempo necessário para se espalhar e explorar a superfície adequadamente. Os dois sistemas genéticos que haviam sido removidos atuavam como um freio, mantendo as bactérias em um estado vegetativo de crescimento tempo suficiente para construir uma rede adequada.

O estudo revelou que esses dois sistemas genéticos têm dois trabalhos distintos que são surpreendentemente separados. Um trabalho é controlar a forma física dos filamentos e evitar que grudem uns nos outros, garantindo que a rede permaneça aberta e organizada. O outro é impedir que as bactérias amadureçam rápido demais, permitindo que explorem seu ambiente plenamente. Os pesquisadores mostraram que poderiam corrigir o problema da exploração alterando os sinais de maturação, mas isso não corrigia o problema do agrupamento. Os filamentos ainda grudavam uns nos outros mesmo quando as bactérias eram permitidas a crescer por mais tempo. Isso significa que a maneira como as bactérias constroem sua forma e a maneira como decidem quando crescer ou amadurecer são controladas por vias diferentes, embora ambas sejam gerenciadas pelo mesmo par de sistemas genéticos.

Este trabalho fornece um quadro claro de como uma bactéria simples gerencia a tarefa complexa de viver como uma comunidade multicelular. Mostra que as bactérias não crescem apenas aleatoriamente; elas usam ferramentas genéticas específicas para sentir seu ambiente, ajustar sua forma e coordenar-se com seus vizinhos. Sem essas ferramentas, a rede colapsa em uma confusão emaranhada e a colônia falha em explorar seus arredores de forma eficaz. As descobertas sugerem que a capacidade de manter uma estrutura limpa e organizada é tão importante para a sobrevivência bacteriana quanto a capacidade de encontrar comida. Ao compreender esses mecanismos, os cientistas podem começar a ver como esses organismos ancestrais evoluíram para prosperar no mundo complexo e competitivo do solo, construindo cidades intrincadas de filamentos que são muito mais organizadas do que se imaginava anteriormente.