A equipe, liderada pela UCL e pelo Imperial College London, mostrou pela primeira vez como uma classe de antibióticos chamada polimixina é capaz de penetrar a blindagem da E. coli  e matar os micróbios. 

As polimixinas foram descobertas há mais de 80 anos e são usadas como tratamento de último recurso para infecções causadas por bactérias “Gram negativas”.

Essas bactérias possuem uma camada superficial externa que atua como uma armadura e impede que certos antibióticos penetrem na célula. Sabe-se que as polimixinas têm como alvo essa camada externa, mas ainda não se sabe como elas a rompem e, em seguida, matam as bactérias.

No novo estudo, a equipe de pesquisa revelou em imagens de alta resolução e experimentos bioquímicos como o antibiótico Polimixina B rapidamente causou inchaços e protuberâncias na superfície de uma célula bacteriana E. coli .

Essas saliências, que apareceram em minutos, foram seguidas pela rápida eliminação da armadura externa pela bactéria.

Os pesquisadores concluíram que o antibiótico havia estimulado a célula a produzir e eliminar sua armadura.

Quanto mais a célula tentava criar nova armadura, mais ela perdia a armadura que estava criando, a uma velocidade tal que deixava lacunas em suas defesas, permitindo que o antibiótico entrasse na célula e a matasse.

No entanto, a equipe descobriu que esse processo – protrusões, produção e desprendimento rápidos de couraça e morte celular – só ocorria quando a célula estava ativa. Em bactérias dormentes, a produção de couraça é desligada, tornando o antibiótico ineficaz.

O coautor sênior, Dr. Andrew Edwards, do Departamento de Doenças Infecciosas do Imperial College London, afirmou: “Durante décadas, presumimos que os antibióticos que atacam a armadura bacteriana eram capazes de matar os micróbios em qualquer estado, estivessem eles se replicando ativamente ou dormentes. Mas não é o caso.”

O coautor sênior Dr. Andrew Edwards, do Imperial, disse: “Por décadas, presumimos que os antibióticos que têm como alvo a armadura bacteriana eram capazes de matar os micróbios em qualquer estado, estejam eles se replicando ativamente ou dormentes. Mas este não é o caso. Ao capturar essas imagens incríveis de células individuais, conseguimos mostrar que essa classe de antibióticos só funciona com a ajuda da bactéria e, se as células entrarem em um estado de hibernação, os medicamentos não funcionam mais - o que é muito surpreendente.” Tornar-se dormente permite que as bactérias sobrevivam a condições desfavoráveis, como a falta de alimento. Elas podem permanecer dormentes por muitos anos e "acordar" quando as condições se tornam mais favoráveis. Isso pode permitir que as bactérias sobrevivam contra antibióticos, por exemplo, e reacendam para causar infecções recorrentes no corpo. O coautor sênior, Professor Bart Hoogenboom, do Centro de Nanotecnologia de Londres da UCL, afirmou: “As polimixinas são uma importante linha de defesa contra bactérias Gram-negativas, que causam muitas infecções mortais resistentes a medicamentos. É importante entendermos como elas funcionam.”

A dormência permite que as bactérias sobrevivam a condições desfavoráveis, como a falta de alimento. Elas podem permanecer dormentes por muitos anos e "acordar" quando as condições se tornam mais favoráveis. Isso pode permitir que as bactérias sobrevivam a antibióticos, por exemplo, e reacendam para causar infecções recorrentes no corpo.

O coautor sênior, Professor Bart Hoogenboom, do Centro de Nanotecnologia de Londres da UCL, afirmou: “As polimixinas são uma importante linha de defesa contra bactérias Gram-negativas, que causam muitas infecções mortais resistentes a medicamentos. É importante entendermos como elas funcionam.”

Nosso próximo desafio é usar essas descobertas para tornar os antibióticos mais eficazes. Uma estratégia pode ser combinar o tratamento com polimixina – contraintuitivamente – com tratamentos que promovam a produção de armadura e/ou despertem bactérias 'adormecidas' para que essas células também possam ser eliminadas.

“Nosso trabalho também mostra que precisamos levar em conta o estado das bactérias quando avaliamos a eficácia dos antibióticos.”

As células de E. coli foram fotografadas no Centro de Nanotecnologia de Londres da UCL. Uma agulha minúscula, com apenas alguns nanômetros de largura, foi passada sobre a célula bacteriana, "sentindo" o formato para criar uma imagem (uma técnica chamada microscopia de força atômica) com resolução muito maior do que seria possível usando luz.

A coautora Carolina Borrelli, doutoranda no Centro de Nanotecnologia de Londres da UCL, disse: “Foi incrível ver o efeito do antibiótico na superfície bacteriana em tempo real. Nossas imagens das bactérias mostram diretamente o quanto as polimixinas podem comprometer a armadura bacteriana. É como se a célula fosse forçada a produzir 'tijolos' para sua parede externa a uma velocidade tal que essa parede se rompe, permitindo a infiltração do antibiótico.”

A equipe comparou como células E. coli ativas (em crescimento) e inativas responderam à polimixina B em laboratório, descobrindo que o antibiótico eliminou eficientemente as células ativas, mas não matou as células dormentes.

Eles também testaram a resposta das células de E. coli com e sem acesso a açúcar (uma fonte de alimento que desperta células dormentes). Quando o açúcar estava presente, o antibiótico matava células previamente dormentes, mas somente após um intervalo de 15 minutos – o tempo necessário para a bactéria consumir o açúcar e retomar a produção de sua armadura externa.

Em condições em que o antibiótico foi eficaz, os pesquisadores detectaram uma maior liberação de blindagem pela bactéria. Eles também observaram protuberâncias aparecendo na superfície da célula.

Em condições em que era ineficaz, o antibiótico se ligava à membrana externa, mas causava poucos danos.

O coautor Dr. Ed Douglas, do Imperial College, disse: “Observamos que a ruptura da camada mais externa da bactéria só ocorria quando ela consumia açúcar. Assim que descobrimos isso, pudemos descobrir rapidamente o que estava acontecendo.”

O coautor Professor Boyan Bonev, da Universidade de Nottingham, afirmou: “Trabalhar juntos nos proporcionou insights únicos sobre a fisiologia e a morfologia bacteriana sob estresse, que permaneceram ocultos por décadas. Agora, entendemos melhor os pontos fracos das bactérias.”

Este trabalho foi financiado pelo Conselho de Pesquisa em Biotecnologia e Ciências Biológicas (BBSRC) e pelo Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas (EPSRC), partes da Pesquisa e Inovação do Reino Unido, e pela Wellcome. 

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