Understanding single nucleotide polymorphism (SNP) in pyruvate dehydrogenase E1 and E2 component in different bacterial species

A vida é uma negociação constante entre um organismo e o seu entorno. Para sobreviver, as bactérias devem manter o seu maquinário interno funcionando perfeitamente, mesmo enquanto o mundo exterior muda em temperatura, acidez e disponibilidade de alimento. Uma peça crítica deste maquinário é uma enzima chamada piruvato desidrogenase, que atua como um centro nevrálgico, convertendo nutrientes na energia de que as células precisam para funcionar. Esta enzima é construída a partir de duas partes principais, conhecidas como os componentes E1 e E2. Com o tempo, o código genético que constrói estas partes pode mudar ligeiramente. Estas pequenas alterações, onde uma única letra no alfabeto genético é trocada por outra, são chamadas de polimorfismos de nucleotídeo único. Embora algumas destas trocas sejam inofensivas, outras podem alterar a forma e a função da enzima, potencialmente ajudando as bactérias a adaptar-se a novos desafios ou, inversamente, fazendo com que estas tenham dificuldades. Compreender onde estas mudanças ocorrem e com que frequência acontecem oferece uma janela para perceber como as bactérias estão a evoluir agora para responder às exigências de um mundo em mudança.

Num estudo recente, um investigador da Universidade Nacional de Singapura propôs-se mapear estas alterações genéticas em vários tipos de bactérias. O objetivo era observar como os genes para as partes E1 e E2 da enzima piruvato desidrogenase diferiam entre a Escherichia coli, que serviu como um ponto de referência padrão, e outras três espécies: Klebsiella pneumoniae, Salmonella enterica e Vibrio cholerae. Para o fazer, o investigador escreveu um programa de computador personalizado que podia analisar as sequências genéticas destas bactérias lado a lado. O software atuava como um editor meticuloso, lendo o código genético da bactéria de referência e comparando-o, letra a letra, com os códigos das outras espécies. Sempre que encontrava uma discrepância, registava a posição e o tipo específico de alteração. Este processo permitiu um perfil detalhado de onde as mutações estavam agrupadas e quantas existiam no total.

Os resultados revelaram uma diferença marcante na forma como estas bactérias estavam a evoluir. Ao observar o componente E1 da enzima, a Klebsiella pneumoniae e a Salmonella enterica mostraram um número relativamente baixo de alterações em comparação com a referência. As suas sequências genéticas eram maioritariamente estáveis, com as mutações a aparecer em grupos dispersos, separados por grandes extensões de código inalterado. Este padrão sugeriu que estas duas espécies não sentiram uma pressão forte para alterar esta parte específica da sua enzima. Em contraste, a Vibrio cholerae contou uma história diferente. Esta espécie apresentava um número significativamente superior de alterações no seu componente E1 — aproximadamente quatro vezes mais do que as outras duas. Além disso, estas mudanças não estavam dispersas em lacunas, mas sim espalhadas uniformemente por todo o gene. Esta distribuição uniforme sugere que a Vibrio cholerae está sob intensa pressão para remodelar esta parte da sua enzima, procurando provavelmente uma nova estrutura que funcione melhor sob as atuais condições ambientais.

O cenário tornou-se mais complexo quando o investigador examinou o componente E2. Aqui, as três espécies não de referência mostraram uma quantidade massiva de alteração genética. Cada espécie carregava centenas de mutações nos seus genes E2, com as mudanças a aparecer em números aproximadamente iguais para os quatro tipos de letras genéticas. Ao contrário do componente E1, onde algumas espécies eram estáveis, os genes E2 estavam repletos de mudanças do início ao fim. Os dados indicaram que estas bactérias estão a passar por uma evolução rápida nesta área específica. O volume imenso e a dispersão uniforme das mutações sugerem que a forma atual do componente E2 não é a ideal para o mundo moderno. As bactérias parecem estar a testar inúmeras variações ao longo de toda a estrutura proteica, procurando uma configuração que consiga lidar com as paisagens nutricionais mutáveis e fatores ambientais como a temperatura e o pH.

Em última análise, o estudo aponta para uma bactéria em fluxo. As descobertas sugerem que, enquanto algumas partes da enzima piruvato desidrogenase permanecem estáveis em certas espécies, outras estão a passar por um período frenético de ajuste. A enzima parece estar a lutar para encontrar a forma perfeita para funcionar eficientemente no ambiente de hoje. A dispersão uniforme das mutações através dos genes, particularmente no componente E2, implica que não existe uma solução única e fácil que as bactérias tenham encontrado ainda. Em vez disso, elas estão a explorar uma vasta gama de possibilidades, impulsionadas pela necessidade urgente de adaptar o seu maquinário de produção de energia a um mundo que está a mudar mais depressa do que a sua biologia consegue acompanhar facilmente.