Muitas espécies de bactérias possuem múltiplas armas para atacar os concorrentes. Estas incluem tanto armas de curto alcance que requerem contato direto com células vizinhas, como armas de longo alcance, tais como toxinas que são libertadas no ambiente. Até agora, a razão pela qual as bactérias evoluíram para transportar uma gama tão ampla de armas tem sido um mistério.

O coautor do estudo, Professor Kevin Foster (Departamentos de Biologia e Bioquímica da Universidade de Oxford), disse: “Ao contrário dos animais, que tendem a carregar um único tipo de arma, como chifres, chifres ou presas, as espécies bacterianas geralmente carregam múltiplas armas. Mas não estava claro qual era a base evolutiva para isto – por que não investir apenas num único tipo? Uma teoria era que as bactérias carregam múltiplas armas porque desempenham funções diferentes durante a competição.

Os pesquisadores testaram isso usando o patógeno oportunista Pseudomonas aeruginosa , um patógeno prioritário da Organização Mundial da Saúde, devido ao rápido surgimento de cepas multirresistentes. P. aeruginosa possui diversas armas, incluindo a capacidade de produzir várias moléculas tóxicas (uma arma de longo alcance) e filamentos carregados de toxinas ancorados em sua membrana externa (uma arma de curto alcance).

A equipe projetou uma série de experimentos para determinar em quais condições as armas de curto e longo alcance oferecem maior vantagem. Eles usaram a edição do genoma para gerar cepas de P. aeruginosa que não possuíam e eram suscetíveis aos filamentos carregados de toxinas ou às toxinas de longo alcance chamadas tailocinas. As cepas suscetíveis foram então cultivadas em placas de ágar com P. aeruginosa controle durante dois dias, em uma série de proporções diferentes. Como cada cepa expressava uma proteína fluorescente diferente, os pesquisadores puderam quantificar a proporção entre bactérias atacantes e bactérias suscetíveis.

Os resultados demonstraram claramente que as duas armas apresentam melhor desempenho em condições diferentes. As tailocinas, a arma de longo alcance, só se tornaram eficazes quando as bactérias atacantes estavam em alta densidade e eram mais comuns que a concorrência. Por outro lado, transportar filamentos carregados de toxinas proporcionou uma vantagem competitiva numa gama muito maior de condições. Isto incluía situações em que as bactérias atacantes estavam presentes apenas em números iniciais baixos e tinham de competir com uma população maior de bactérias suscetíveis.

Os pesquisadores então desafiaram as duas linhagens projetadas em competições diretas. Quando as cepas começaram com uma frequência igual, as bactérias que transportavam filamentos carregados de toxinas tinham uma vantagem distinta. No entanto, ambos os usuários de armas conseguiram vencer quando começaram na maioria.

Além disso, quando as células podiam utilizar ambas as armas simultaneamente, eram capazes de suprimir bactérias suscetíveis significativamente melhor do que as estirpes que utilizavam apenas uma arma, demonstrando que as armas de curto e longo alcance se complementavam.

Segundo os pesquisadores, os resultados mostram que as armas de curto e longo alcance têm desempenho diferente dependendo do cenário de competição. O coautor, Dr. Sean Booth (Universidade de Oxford), disse: “Nossos resultados demonstram que uma vantagem particular das armas dependentes de contato é que elas são eficazes mesmo quando os usuários estão em desvantagem numérica. Isto sugere que podem ter evoluído para permitir que as bactérias invadissem uma população estabelecida, quando eram superadas em número pelas bactérias residentes.

Esta teoria foi apoiada por um modelo computacional que simulou um baixo número de células atacantes atacando uma população maior de células suscetíveis. No modelo, as células que utilizam armas de curto alcance conseguiram invadir a comunidade com sucesso, enquanto as células que utilizam armas de longo alcance não o fizeram. No entanto, quando as células que utilizavam armas de longo alcance estavam presentes em grande número e eram mais comuns do que a concorrência, estas tornaram-se extremamente eficazes, dando aos atacantes uma vantagem competitiva significativa.

Os pesquisadores estão agora investigando como aplicar as descobertas a microrganismos benéficos personalizados que possam competir com cepas patogênicas.

O coautor, Dr. William Smith (Universidade de Oxford e Universidade de Manchester), disse: “Esses resultados nos deram informações valiosas sobre os tipos de armas que as bactérias precisam para invadir e persistir com sucesso em uma comunidade. Em última análise, isto poderia ajudar-nos a desenvolver formas livres de antibióticos para combater bactérias multirresistentes”.

O estudo 'A evolução das armas de curto e longo alcance para a competição bacteriana' foi publicado na Nature Ecology & Evolution.