Comunidades microbianas permanecem saudáveis ​​ao trocar conhecimento – ScienceDaily

Engenheiros biomédicos da Duke University demonstraram um fenômeno de comunidade microbiana que essencialmente equivale a ensinar os vizinhos a concluir as tarefas necessárias arrancando e compartilhando partes do cérebro.

O processo permite que os microbiomas mantenham a si mesmos e seus ambientes saudáveis ​​e pode ajudar os cientistas a criar sistemas microbianos robustos e sob medida para aplicações que vão desde a limpeza de toxinas do meio ambiente até a produção de biocombustíveis e outros produtos de consumo.

A pesquisa aparece online em 1º de setembro na revista Biologia Química da Natureza.

Comunidades microbianas grandes e complexas vivem em todo o mundo, desde rios e montanhas até humanos e casas. Mas, seja comparando microbiomas em picos cobertos de neve na Ásia ou dentro do estômago de gêmeos humanos idênticos, a composição das espécies dentro dessas comunidades pode variar amplamente.

Não importa o quão diferentes esses microbiomas possam parecer na superfície, se eles vivem em ambientes semelhantes, eles provavelmente preencherão as mesmas funções. Uma maneira de avaliar quais processos eles estão realizando é focar nos genes que codificam as funções, e não nas próprias espécies.

“Se você contar o número de cópias de genes que codificam alguma função, seus números podem permanecer estáveis ​​mesmo que a composição de espécies da comunidade mude drasticamente”, disse Lingchong You, professor de engenharia biomédica da Duke. “Uma rota importante para este nível de estabilidade é através da transferência horizontal de genes.”

A transferência horizontal de genes é o processo pelo qual as bactérias compartilham constantemente receitas genéticas para novas habilidades, trocando pacotes de material genético chamados plasmídeos. Em um nível conceitual, não é totalmente diferente de criar uma cópia de uma coleção de neurônios que sabem fazer lasanha, arrancando-a da sua cabeça e dando para um amigo usar.

No novo artigo, You e seus colegas mostram que essa transferência de genes desempenha um papel essencial em manter os microbiomas saudáveis ​​e garantir que tarefas críticas sejam concluídas. Começando com duas espécies diferentes de bactérias, os pesquisadores controlaram os níveis de transferência horizontal de genes e mostraram que taxas mais altas levaram a concentrações mais estáveis ​​desses genes.

A equipe então construiu uma comunidade de até 72 bactérias trocando até 13 genes diferentes simultaneamente e mediu a estabilidade dos genes. Assim como no modelo mais simples, os genes que foram trocados com mais frequência mantiveram um nível mais estável no microbioma como um todo.

“Esses resultados foram especulados antes, mas nunca quantificados nas comunidades vivas”, disse You. “O outro caminho para esse nível de redundância é ter várias espécies que podem desempenhar a mesma função. Mas um alto nível de transferência horizontal de genes é um método muito mais robusto para alcançar os mesmos resultados.”

Dito de outra forma, uma equipe de construção pode ser extremamente resistente à demissão de eletricistas se os encanadores no local também souberem instalar a fiação de um prédio. Mas a mesma equipe seria ainda mais resiliente se os eletricistas remanescentes pudessem simplesmente transferir seus conhecimentos para qualquer pessoa no trabalho quando necessário, independentemente de sua profissão.

No futuro, You espera estudar comunidades microbianas naturais para provar definitivamente que esse fenômeno é importante para a saúde de um microbioma fora de um laboratório. Ele também planeja implementar essa divisão dinâmica do trabalho por meio da transferência horizontal de genes em sistemas microbianos modificados.

“Existem casos em que vias metabólicas complexas são difíceis de projetar em uma única espécie bacteriana, onde é mais fácil ter diferentes populações realizando diferentes etapas do processo”, disse You. “Este estudo sugere que podemos implementar essa estratégia por meio da transferência de genes, para que não tenhamos que nos preocupar com a composição específica das espécies. Podemos apenas deixar a comunidade encontrar o melhor equilíbrio para si mesma, sabendo que continuará recebendo o trabalho. feito.”

Esta pesquisa é apoiada pelos Institutos Nacionais de Saúde (R01AI125604, R01EB031869) e pela National Science Foundation (MCB-347 1937259).

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