Os humanos há muito tempo têm uma relação de amor e ódio com as bactérias. Embora existam cepas bacterianas sem as quais os humanos não conseguem viver, como aquelas que nos ajudam a digerir nossos alimentos e a fortalecer nossos sistemas imunológicos, há muitas com as quais não conseguimos viver, literalmente. Doenças mortais causadas por bactérias patogênicas, como cólera, sífilis, antraz, lepra, tuberculose, tétano e peste bubônica, ceifaram a vida de milhões ao longo da história humana.

Embora nossa capacidade de tratar e prevenir a disseminação de tais doenças tenha melhorado drasticamente ao longo do último século, as infecções bacterianas permanecem entre as principais causas de morte globalmente. Cientistas estimam que essas infecções foram responsáveis por mais de 1 em cada 8 mortes em 2019, tornando-as a segunda principal causa de morte naquele ano. Nosso uso liberal de antibióticos também está aumentando o número de cepas de bactérias resistentes a antibióticos que os médicos pouco podem fazer para tratar.

Bactérias não são algo que podemos ignorar. Simplificando, precisamos aprender melhor como matar as bactérias que nos prejudicam e nutrir as bactérias que nos ajudam. A chave para fazer isso está em responder a uma pergunta que tem intrigado os cientistas por séculos: como as bactérias obtêm seu poder?

A bióloga molecular da Universidade de Princeton, Bonnie Lynn Bassler, A&S '90 (PhD), passou décadas liderando estudos pioneiros sobre como organismos microscópicos unicelulares podem impactar nossa saúde de forma tão profunda. E agora ela tem uma resposta:

"Eles fazem isso conversando, contando e realizando tarefas em grupos", diz ela.

Bassler foi uma das primeiras a descobrir que as bactérias se comunicam por meio da troca de moléculas, um processo conhecido como quorum sensing, e construiu uma carreira espionando conversas bacterianas. Seu trabalho pioneiro lhe rendeu uma MacArthur Fellowship, o Prêmio Eli Lilly Investigator da American Society for Microbiology, o Prêmio Wiley em Ciências Biomédicas e uma vaga no National Science Board, para o qual o presidente Barack Obama a indicou. Bassler ganhou o Prêmio Internacional Gairdner do Canadá de 2023, que reconhece as principais contribuições para o tratamento de doenças (418 prêmios foram concedidos desde sua fundação em 1957, e desses premiados, 98 receberam um Prêmio Nobel). Suas palestras no TED foram vistas por milhões. Em uma delas, em 2009, ela lembrou às pessoas quantas células bacterianas a mais elas têm do que células humanas. "Sei que vocês se consideram seres humanos", disse ela, dirigindo-se à multidão. "Mas eu penso em você como 90% a 99% bacteriano." Eles nos mantêm vivos. Mas eles também podem fazer coisas terríveis.

Ela agora está desenvolvendo uma técnica que busca silenciar bactérias ruins, tornando-as inofensivas. Se bem-sucedida, essa extinção de quorum pode não apenas virar a maré em nossa guerra contra infecções bacterianas, mas também revolucionar a agricultura, o tratamento de água e muito mais.

Bactéria desempenham um papel em praticamente todos os aspectos de nossas vidas. Elas estão no oxigênio que respiramos, 20% do qual produzem . Elas estão entre os organismos mais antigos (estamos falando de bilhões de anos) e mais abundantes da Terra, mas ainda há muito a ser aprendido sobre elas. Os cientistas não tinham ideia de que esses organismos aparentemente simples podiam se comunicar até 1970, quando John Woodland Hastings, professor da Universidade de Harvard, e seus colegas tropeçaram em evidências enquanto estudavam uma bactéria bioluminescente conhecida como Vibrio fischeri, encontrada em muitos animais marinhos. Hastings e sua equipe notaram que as bactérias não emitiam seu brilho azul-esverdeado a menos que tivessem muitos de seus irmãos ao redor delas. Após uma inspeção mais aprofundada, Hastings descobriu que as bactérias emitiam uma molécula — que mais tarde seria conhecida como um autoindutor — que estimulava o brilho coletivo, mas apenas quando as bactérias atingiam uma densidade populacional específica. Em outras palavras, as bactérias não começariam a festa até que todos os seus amigos aparecessem.

Levaria uma década até que outro cientista, Mike Silverman, identificasse o gene ligado a essa misteriosa molécula de sinalização, bem como os receptores que o recebem. Silverman, então pesquisador do Instituto Agouron em La Jolla, Califórnia, fez isso cortando um cromossomo de V. fischeri , colocando os pedaços em placas de Petri cheias de E. coli e desligando as luzes para ver quais colônias de E. coli brilhavam.

"O que foi absolutamente notável sobre esse experimento não foi apenas que a E. coli produziu luz, eles só produziram luz em alta densidade celular, e eles fizeram essa molécula [de sinalização]. [Silverman] obteve a molécula, a enzima que produziu a molécula, o receptor para a molécula, e ele obteve os genes de luz todos em um pedaço de DNA. Ele descobriu tudo", diz Bassler.

O circuito de comunicação descoberto por Silverman explicou como V. fischeri era capaz de coordenar suas exibições luminosas. Esse mecanismo explica como a lula bobtail, um dos muitos animais marinhos que hospedam colônias de V. fischeri , faz uso da bactéria . Quando o sol se põe, eles usam o V. fischeri brilhante armazenado em seu órgão de luz para ajudá-los a se misturar com as águas superficiais iluminadas pela lua enquanto caçam. Quando o sol nasce, essas lulas expelem 95% de seu V. fischeri e se enterram sob a areia para evitar serem vistas por predadores. À medida que se escondem, as poucas bactérias que permanecem se multiplicam e, quando o sol se põe novamente, as bactérias estarão em uma densidade alta o suficiente para desencadear seu brilho deslumbrante. Pouco depois de fazer sua descoberta, Silverman conheceu Bassler em uma conferência onde ele estava dando uma palestra sobre seu trabalho. A jovem cientista em ascensão estava terminando seu doutorado em bioquímica na Johns Hopkins na época.

Bassler diz que entrou na ciência "acidentalmente". Ela cresceu amando animais e a natureza e tinha previsto uma carreira como veterinária. Mas não muito longe em seus estudos na UC Davis, ela percebeu que era uma incompatibilidade total. "Porque eu realmente gosto de animais vivos, e não quero cortá-los ao meio", ela diz. "Eu não quero memorizar seus ossos; eu não quero vê-los quando estão doentes. Eu não durei muito tempo." Ela mudou sua especialização para bioquímica.

Então, durante seu primeiro ano de faculdade, a mãe de Bassler morreu de câncer de cólon, apenas quatro meses após o diagnóstico. Bassler decidiu ajudar a descobrir uma cura e fazer grandes contribuições à medicina. Ela se candidatou a uma vaga de voluntária em um laboratório que estudava a doença, mas acabou sendo colocada para trabalhar em um projeto que envolvia bactérias. "Foi realmente um acaso porque quando comecei a trabalhar com elas, simplesmente me apaixonei por bactérias", diz Bassler. Ela descobriu que estudar esses pequenos organismos era a mistura perfeita de seu interesse pela natureza e seu talento para resolver quebra-cabeças. "Foi muito divertido. Eu nunca quis sair do banco." Depois de se formar na Johns Hopkins com um doutorado em bioquímica, ela começou a procurar uma maneira de retornar ao banco. Foi quando ela encontrou Silverman. " Depois que ele deu essa palestra hipnotizante, eu literalmente corri para o pódio e disse: 'Você tem que me deixar ser seu pós-doutorado'", lembra Bassler.

Pouco tempo depois de Bassler e Silverman se unirem, eles descobriram que as bactérias produzem mais de um tipo de autoindutor. Ficou claro que as bactérias estavam dizendo mais do que "Ei, estou aqui". Na mesma época, outros cientistas estavam encontrando autoindutores em bactérias patogênicas e teorizando que eles desempenham um papel na virulência do patógeno. O termo "quorum sensing" foi cunhado logo depois, e Bassler fundou um laboratório em Princeton dedicado a estudá-lo. Então, no final da década de 1990, Bassler descobriu algo que mudaria para sempre a maneira como pensamos sobre bactérias.

Ela identificou um novo autoindutor, isolou o gene responsável por sua produção e pesquisou a biblioteca do genoma bacteriano para ver se alguma outra espécie bacteriana tinha o mesmo gene.

"Eu estava sentado em frente a este velho computador desajeitado com meu colega Mike Surette. Nós enviamos nosso gene, e então todas as bactérias retornaram com aquele gene. Havia apenas 40 genomas bacterianos, mas eram todas as bactérias que já tinham sido sequenciadas. Lembro-me de estar sentado ali tendo arrepios. Eu disse, 'Oh, meu Deus, elas estão falando umas com as outras'", diz Bassler. Incrivelmente, bactérias de todos os tipos pareciam estar falando a mesma língua. Foi então que ela percebeu que a comunicação química era onipresente entre as bactérias. Ela descobriu que todas as bactérias produzem o mesmo autoindutor, também conhecido como molécula de comunicação universal ou "autoindutor 2", permitindo que elas se comuniquem entre espécies.

Bassler então começou a se perguntar se as bactérias tinham línguas específicas de espécies. Ela examinou todos os autoindutores conhecidos e notou um padrão interessante: todos eles compartilhavam a mesma estrutura de base, mas muitos tinham uma adição única para comunicação intraespecífica (ou seja, dentro de uma espécie). Pense nessa conversa como "conversas privadas e secretas", ela diz. Uma linguagem que apenas membros daquela espécie poderiam entender.

Bactéria vivem em ambientes diversos ao lado de centenas, às vezes milhares, de outras espécies. Cientistas estimam que cada centímetro quadrado de nossa pele contém 1 milhão de bactérias de centenas de espécies distintas. Com autoindutores específicos de espécies e receptores de autoindutores, as bactérias podem se comunicar privadamente com seus parentes enquanto nadam em um mar de outras espécies bacterianas. Ter uma linguagem secreta também lhes permite identificar quem é parente e quem não é.

"As bactérias medem as proporções dessas moléculas e então mudam seus comportamentos dependendo se estão cercadas por parentes ou pelo inimigo", diz Bassler.

Quando cercadas por amigos e familiares, as bactérias compartilham recursos e ajudam umas às outras. Mas quando cercadas por concorrentes, elas cessam o compartilhamento e podem até coordenar um ataque. "Isso deve soar muito familiar; é o que fazemos", diz Bassler, referindo-se ao fato de que as células em organismos superiores, incluindo aquelas em nosso corpo, têm a mesma capacidade. "Nós provamos que as bactérias desenvolveram essa capacidade bilhões de anos atrás. Não é especial para células eucarióticas. Também existe no mundo bacteriano."

Bassler e sua equipe descobriram que bactérias são, para todos os efeitos, seres multicelulares. Elas são capazes de se comunicar dentro e entre espécies, possuem a habilidade de se distinguir das outras e podem usar essas habilidades para trabalhar juntas para atingir seus objetivos.

"Todo mundo achava que bactérias eram meio estúpidas", diz Bassler. "Eles achavam que todos os grandes mistérios das bactérias tinham sido resolvidos. Mas havia cientistas que realmente acreditavam que bactérias ainda tinham segredos para revelar. Acontece que eles estavam certos."

Essa revelação fez Bassler pensar sobre como esse poder poderia ser sequestrado para o benefício da humanidade. Se você pudesse fazer moléculas que interferissem no quorum sensing, ela pensou, você poderia tornar bactérias patogênicas avirulentas — em outras palavras, inofensivas.

Se os cientistas pudessem impedir o quorum sensing interrompendo a sinalização, um processo agora conhecido como quorum quenching, eles poderiam criar novos antibióticos que poderiam salvar milhões de vidas, revolucionar a agricultura neutralizando patógenos bacterianos que infestam as plantas e os animais que cultivamos, e impedir o crescimento de biofilmes bacterianos em dispositivos médicos, infraestrutura de transporte e sistemas de água. As possibilidades de quorum quenching são aparentemente infinitas.

O trabalho de Bassler "identificou os principais participantes moleculares e também delineou os caminhos envolvidos nos processos [de quorum-sensing], abrindo caminho para diferentes abordagens terapêuticas para bloquear a comunicação bacteriana e combater infecções bacterianas", diz Kimberly Davis, professora associada e microbiologista da Escola de Saúde Pública Johns Hopkins Bloomberg.

Davis acredita que a extinção de quorum "poderia ser uma maneira empolgante de bloquear comportamentos bacterianos que contribuem para doenças humanas", acrescentando que poderia evitar que bactérias causassem danos ao tecido hospedeiro em primeiro lugar e, se usada junto com tratamentos antibióticos, eliminar as células bacterianas ruins. Pense nisso como silenciar e apagar.

"Sou um pouco tendenciosa porque fui submetida a uma lavagem cerebral para amar bactérias e quorum sensing", ela diz, "mas há uma quantidade incrível de trabalho a ser feito. E é tudo novinho em folha."

Nas últimas duas décadas, Bassler e dezenas de outros cientistas têm trabalhado duro tentando tornar o quorum quenching uma realidade. Bassler já desenvolveu várias moléculas sintéticas de quorum-quenching que são essencialmente antagonistas disfarçados que bloqueiam o autoindutor real de interagir e ligar a cascata de detecção de quorum.

Quando bactérias infectam um hospedeiro, elas não atacam imediatamente. Elas usam suas habilidades de comunicação e contagem e esperam até que sejam abundantes o suficiente para lançar um ataque que provavelmente terá sucesso. Bassler começou a testar suas moléculas de extinção de quorum introduzindo-as em nematoides junto com pseudomonas, uma bactéria patogênica comumente encontrada em instalações de saúde, cujo quorum sensing elas foram projetadas para interromper. Em 2009, Bassler e sua equipe tiveram seu primeiro sucesso, tornando-se o primeiro laboratório a desenvolver uma molécula sintética de extinção de quorum que desligava a virulência em um modelo animal.

A molécula sintética usada neste estudo ainda não está pronta para uso em humanos, mas Bassler e seus colegas têm investigado como fazê-la. Uma das maneiras pelas quais eles estão fazendo isso é se inspirando na natureza. Outros cientistas descobriram recentemente que algumas células eucarióticas, incluindo células humanas, produzem moléculas interferentes no quorum-sensing, não muito diferentes das sintéticas de Bassler, que podem influenciar positiva e negativamente o quorum sensing bacteriano.

Bassler e seus colegas também estão procurando maneiras de incorporar moléculas sintéticas de extinção de quorum em materiais, abrindo caminho para o desenvolvimento de dispositivos médicos resistentes a infecções, como cateteres ou tubos de respiração.

O trabalho de Bassler tem o potencial de virar a maré em nossa guerra contra a infecção bacteriana, e também pode ajudar em nossa luta contra a infecção viral. Ela descobriu recentemente que dezenas de vírus respondem ao quorum sensing ou outros sinais químicos de bactérias. "Percebemos que os vírus que infectam bactérias bisbilhotam o quorum sensing bacteriano", diz ela. "Agora sabemos que o quorum sensing transcende todos os domínios da Terra, de vírus a bactérias e eucariotos."

Quando se trata de entender bactérias e sua capacidade de se comunicar, "mal arranhamos a superfície", diz Bassler. "Se quisermos melhorar o quorum sensing ou parar o quorum sensing, temos que ser capazes de fazer isso fora de um laboratório, e não sabemos como fazer isso porque o campo é jovem."

Nos últimos 30 anos, Bassler transformou completamente nossa compreensão das bactérias, suas capacidades e sua profunda influência na natureza e na medicina. Ela diz que, assim como as bactérias que estuda, seu sucesso pode ser creditado à sua capacidade de trabalhar com outras pessoas. "Sempre gostei da parte humana da [ciência]", diz ela. "As ideias são lançadas, é interativo, é colaborativo e é divertido." Atualmente, ela tem como objetivo tornar o quorum quenching uma ferramenta viável e funcional para futuros cientistas. Embora não tenha planos de encerrar sua carreira de pesquisa tão cedo, ela acredita que será a próxima geração de cientistas, como os alunos de pós-graduação em seu laboratório, que levará essa tecnologia ao seu potencial máximo. "Tenho o privilégio de trabalhar com os futuros líderes da ciência. Eles são criativos, inteligentes e pessoas maravilhosas. É o que me faz continuar."