A tuberculose vive e prospera nos pulmões. Quando as bactérias que causam a doença são tossidas no ar, elas são lançadas em um ambiente comparativamente hostil, com mudanças drásticas no pH e na química ao redor. Como essas bactérias sobrevivem à sua jornada no ar é a chave para sua persistência, mas muito pouco se sabe sobre como elas se protegem enquanto flutuam de um hospedeiro para o outro.

Agora, pesquisadores do MIT e seus colaboradores descobriram uma família de genes que se torna essencial para a sobrevivência, especificamente quando o patógeno é exposto ao ar, provavelmente protegendo a bactéria durante seu voo.

Muitos desses genes eram considerados não essenciais, pois não pareciam ter nenhum efeito no papel da bactéria em causar doenças quando injetados em um hospedeiro. O novo trabalho sugere que esses genes são de fato essenciais, embora para transmissão em vez de proliferação.

“Há um ponto cego que temos em relação à transmissão aérea, em termos de como um patógeno pode sobreviver a essas mudanças repentinas enquanto circula no ar”, diz Lydia Bourouiba, que é chefe do Laboratório de Dinâmica de Fluidos de Transmissão de Doenças, professora associada de engenharia civil e ambiental e engenharia mecânica, e membro do corpo docente principal do Instituto de Engenharia Médica e Ciência do MIT. “Agora temos uma noção, por meio desses genes, de quais ferramentas a tuberculose usa para se proteger.”

Os resultados da equipe, publicados esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences , podem fornecer novos alvos para terapias contra tuberculose que simultaneamente tratam a infecção e previnem a transmissão.

“Se um medicamento tivesse como alvo o produto desses mesmos genes, ele poderia tratar um indivíduo de forma eficaz e, mesmo antes que essa pessoa fosse curada, poderia impedir que a infecção se espalhasse para outras pessoas”, diz Carl Nathan, presidente do Departamento de Microbiologia e Imunologia e RA Rees Pritchett Professor de Microbiologia na Weill Cornell Medicine.

Nathan e Bourouiba são coautores seniores do estudo, que inclui coautores do MIT e mentorados de Bourouiba na Fluids and Health Network: o coautor principal pós-doutorado Xiaoyi Hu, o pós-doutorado Eric Shen e os alunos mentorados Robin Jahn e Luc Geurts. O estudo também inclui colaboradores da Weill Cornell Medicine, da University of California em San Diego, da Rockefeller University, da Hackensack Meridian Health e da University of Washington.

Tuberculose é uma doença respiratória causada pelo Mycobacterium tuberculosis, uma bactéria que afeta mais comumente os pulmões e é transmitida por meio de gotículas que um indivíduo infectado expele no ar, geralmente por meio de tosse ou espirro. A tuberculose é a principal causa de morte por infecção, exceto durante as principais pandemias globais causadas por vírus.

“Nos últimos 100 anos, tivemos a gripe de 1918, a epidemia de HIV/AIDS de 1981 e a pandemia de SARS Cov2 de 2019”, observa Nathan. “Cada um desses vírus matou um número enorme de pessoas. E, à medida que eles se estabeleceram, ficamos com uma 'pandemia permanente' de tuberculose.”

Grande parte da pesquisa sobre tuberculose se concentra em sua fisiopatologia — os mecanismos pelos quais a bactéria assume o controle e infecta um hospedeiro — bem como maneiras de diagnosticar e tratar a doença. Para seu novo estudo, Nathan e Bourouiba se concentraram na transmissão da tuberculose, da perspectiva da própria bactéria, para investigar em quais defesas ela pode confiar para ajudá-la a sobreviver à sua transmissão aérea.

“Esta é uma das primeiras tentativas de olhar para a tuberculose da perspectiva do ar, em termos do que está acontecendo com o organismo, no nível de proteção contra essas mudanças repentinas e condições biofísicas muito severas”, diz Bourouiba.

No MIT, Bourouiba estuda a física dos fluidos e as maneiras pelas quais a dinâmica das gotículas pode espalhar partículas e patógenos. Ela se juntou a Nathan, que estuda tuberculose e os genes dos quais as bactérias dependem ao longo de seu ciclo de vida.

Para entender como a tuberculose pode sobreviver no ar, a equipe teve como objetivo imitar as condições que a bactéria experimenta durante a transmissão. Os pesquisadores primeiro procuraram desenvolver um fluido que fosse semelhante em viscosidade e tamanho de gotículas ao que um paciente tossiu ou espirrou no ar. Bourouiba observa que muito do trabalho experimental que foi feito sobre tuberculose no passado foi baseado em uma solução líquida que os cientistas usam para cultivar a bactéria. Mas a equipe descobriu que esse líquido tem uma composição química muito diferente do fluido que os pacientes com tuberculose realmente tossem e espirram no ar.

Além disso, Bourouiba observa que o fluido comumente coletado de pacientes com tuberculose é baseado no escarro que um paciente cospe, por exemplo, para um teste de diagnóstico. “O fluido é espesso e pegajoso e é o que a maioria do mundo da tuberculose considera representar o que está acontecendo no corpo”, diz ela. “Mas é extraordinariamente ineficiente em se espalhar para os outros porque é muito pegajoso para se quebrar em gotículas inaláveis.”

Por meio do trabalho de Bourouiba com a física de fluidos e gotículas, a equipe determinou a viscosidade mais realista e a provável distribuição de tamanho das microgotículas portadoras de tuberculose que seriam transmitidas pelo ar. A equipe também caracterizou as composições das gotículas, com base em análises de amostras de tecidos pulmonares infectados de pacientes. Eles então criaram um fluido mais realista, com uma composição, viscosidade, tensão superficial e tamanho de gotícula semelhantes ao que seria liberado no ar pelas exalações.

Em seguida, os pesquisadores depositaram diferentes misturas de fluidos em placas em pequenas gotículas individuais e mediram em detalhes como elas evaporam e qual estrutura interna elas deixam para trás. Eles observaram que o novo fluido tendia a proteger as bactérias no centro da gotícula conforme a gotícula evaporava, em comparação com fluidos convencionais, onde as bactérias tendiam a ficar mais expostas ao ar. O fluido mais realista também era capaz de reter mais água.

Além disso, a equipe infundiu cada gota com bactérias contendo genes com vários knockdowns, para ver se a ausência de certos genes afetaria a sobrevivência da bactéria à medida que as gotas evaporassem.

Dessa forma, a equipe avaliou a atividade de mais de 4.000 genes da tuberculose e descobriu uma família de várias centenas de genes que pareceram se tornar importantes especificamente à medida que as bactérias se adaptavam às condições do ar. Muitos desses genes estão envolvidos no reparo de danos a proteínas oxidadas, como proteínas que foram expostas ao ar. Outros genes ativados têm a ver com a destruição de proteínas danificadas que estão além do reparo.

“O que descobrimos foi uma lista de candidatos muito longa”, diz Nathan. “Há centenas de genes, alguns mais proeminentemente implicados do que outros, que podem estar criticamente envolvidos em ajudar a tuberculose a sobreviver à sua fase de transmissão.”

A equipe reconhece que os experimentos não são um análogo completo da transmissão biofísica da bactéria. Na realidade, a tuberculose é transportada em gotículas que voam pelo ar, evaporando conforme vão. Para realizar suas análises genéticas, a equipe teve que trabalhar com gotículas em uma placa. Sob essas restrições, eles imitaram a transmissão de gotículas da melhor forma possível, colocando as placas em uma câmara extremamente seca para acelerar a evaporação das gotículas, análogo ao que eles experimentariam em voo.

Seguindo em frente, os pesquisadores começaram a experimentar plataformas que permitem estudar as gotículas em voo, em uma variedade de condições. Eles planejam se concentrar na nova família de genes em experimentos ainda mais realistas, para confirmar se os genes realmente protegem o Mycobacterium tuberculosis enquanto ele é transmitido pelo ar, potencialmente abrindo caminho para enfraquecer suas defesas aéreas.

Este trabalho foi apoiado, em parte, pelos Institutos Nacionais de Saúde, pelo Programa Abby e Howard P. Milstein em Biologia Química e Medicina Translacional, pela Fundação Potts Memorial, pelo Centro de Análise e Previsão da Expansão Pandêmica da Fundação Nacional de Ciências (APPEX) ,  pela Inditex, pelo Instituto de Pesquisa Translacional da NASA para Saúde Espacial e pela Analog Devices, Inc.