O que vocêfaz em hora¡rios diferentes do dia? O que vocêcome? Como vocêinterage com seus vizinhos? Essas são algumas das perguntas que os bia³logos adorariam fazer a s comunidades de micróbios, desde aqueles que vivem em ambientes extremos nas profundezas do oceano atéaqueles que causam infecções crônicas em humanos. Agora, uma nova técnica desenvolvida na Caltech pode responder a essas perguntas, pesquisando a expressão do gene em uma população de milhões de células bacterianas, ao mesmo tempo que preserva as posições das células umas em relação a s outras.

A técnica pode ser usada para entender a grande variedade de comunidades microbianas em nosso planeta, incluindo os micróbios que vivem em nosso intestino e influenciam nossa saúde, bem como aqueles que colonizam as raa­zes das plantas e contribuem para a saúde do solo, para citar alguns.

A técnica foi desenvolvida no Caltech por Daniel Dar, um ex-bolsista de pa³s-doutorado no laboratório de Dianne Newman, Gordon M. Binder / Professor de Biologia e Geobiologia da Amgen e diretor executivo de biologia e engenharia biológica, e pela Dra. Nina Dar, ex- tanãcnico de pesquisa saªnior no laboratório de Long Cai, professor de biologia e engenharia biológica. Daniel Dar éagora professor assistente do Instituto Weizmann de Ciência em Israel. Um artigo descrevendo a pesquisa foi publicado em 12 de agosto na revista Science .

Nãopodemos perguntar a uma bactanãria o que ela estãofazendo ou como estãose sentindo, mas podemos olhar para os genes que ela estãoexpressando. A expressão gaªnica éa base de qualquer comportamento ou ação que um micróbio possa realizar. Por exemplo, se houver falta de alimento no ambiente de uma bactanãria, o micróbio pode ativar um conjunto de genes que o ajudara£o a conservar energia e reduzir os genes menos necessa¡rios, como aqueles que estãoenvolvidos na reprodução. Embora duas bactanãrias na mesma espanãcie possam ter a mesma informação genanãtica, os genes podem ser ativados e desativados em diferentes situações, resultando em comportamentos diferentes nonívelda bactanãria individual.

“Os manãtodos tradicionais de medição da expressão gaªnica tendem a minimizar uma população inteira, em toda a sua complexidade e organização tridimensional, em um aºnico número”, diz Daniel Dar. “Imagine pegar uma bandeja de frutas com cores, sabores e aromas aºnicos e ter que mistura¡-los todos em um aºnico smoothie. Toda a identidade estãoperdida. O significado dessa limitação tecnologiica para a pesquisa microbiológica, tanto na medicina quanto nas ciências ambientais, éque as assinaturas biológicas que se manifestam em microescala - a escala em que os microrganismos ganham a vida - permanecem quase sempre invisa­veis. Esta foi uma grande motivação para nosao longo deste estudo colaborativo: Construir sobre a tecnologia revoluciona¡ria desenvolvida pela primeira vez no laboratório Cai para expor a complexidade de populações microbianas de uma maneira fundamentalmente nova. "

A nova técnica, batizada de par-seqFISH (para hibridização in situ de fluorescaªncia paralela e sequencial), pode rastrear essas diferenças na expressão gaªnica com alta precisão. Neste estudo, par-seqFISH foi usado para examinar a expressão gaªnica em populações de Pseudomonas aeruginosa, um pata³geno que frequentemente causa infecções (como aquelas encontradas nos pulmaµes de pessoas com fibrose ca­stica ou em feridas cuta¢neas crônicas) e éextensivamente estudado no Laborata³rio Newman. par-seqFISH pode ser usado em virtualmente qualquer espanãcie de bactanãria cujos genomas foram sequenciados e em comunidades de micróbios compostas por diferentes espanãcies.

par-seqFISH épreciso aonívelsubmicromanãtrico e écapaz de mostrar diferenças na expressão gaªnica mesmo dentro de células individuais. Por exemplo, a equipe descobriu que certos genes podem ser expressos mais nos polos de uma canãlula do que perto do centro. A técnica preserva a organização espacial das bactanãrias, ou suas posições em relação a s outras. Por causa de seunívelde precisão, revelou diversidade significativa na expressão gaªnica e atividade resultante de membros individuais de uma população da mesma espanãcie de bactanãria.

A capacidade do manãtodo de gerar imagens nessenívelde detalhe o torna uma técnica poderosa para pesquisas em biologia celular.

"Vimos padraµes em que certos genes estavam sendo expressos Espaço-temporalmente - no espaço e no tempo - de maneiras que nunca tera­amos sido capazes de prever, o que sugeriu novas ideias sobre como a população funciona como um todo", diz Newman. "A heterogeneidade das populações e comunidades bacterianas em escalas espaciais da ordem de alguns micra´metros éincrivelmente importante e subestimada. A coisa profunda que esta técnica martela em casa éque o contexto importa. Cada canãlula estãoexperimentando um microambiente ligeiramente diferente; por exemplo, como a quantidade de oxigaªnio ao redor de uma determinada canãlula indica em que tipo de metabolismo essa canãlula se envolvera¡. a‰ necessa¡rio avaliar a extensão total dessas heterogeneidades se quisermos ser capazes de manipular essas comunidades, como tratar infecções bacterianas crônicas.

seqFISH, a técnica precursora do par-seqFISH, foi pioneira no laboratório Cai.

"Cada vez que olhamos para um sistema biola³gico com contexto espacial e informações gena´micas, encontramos uma nova biologia interessante", diz Cai. "As comunidades microbianas, com sua rica diversidade, mostram-nos novamente como a biologia ébela e complexa quando vista atravanãs das lentes da gena´mica espacial."

Newman, que éo principal e supervisor do corpo docente da iniciativa de Ecologia e Engenharia da Biosfera no Resnick Sustainability Institute (RSI) da Caltech, prevaª que a tecnologia estara¡ dispona­vel para pesquisadores em toda a Caltech utilizarem atravanãs do RSI, auxiliando estudos de micróbios em diversos ambientes, desde do solo ao redor das raa­zes das plantas (chamadas de rizosfera) aos sedimentos do fundo do mar.

O artigo éintitulado "Transcripta´mica espacial de populações de bactanãrias plancta´nicas e sanãsseis na resolução de uma única canãlula". Daniel Dar, Nina Dar, Cai e Newman são os autores do estudo. O financiamento foi fornecido pelo National Institutes of Health, o Army Research Office, o Allen Frontiers Group, a Rothschild Foundation, a European Molecular Biology Organization, a Helen Hay Whitney Postdoctoral Fellowship e a Divisão de Ciências Geola³gicas e Planeta¡rias da Caltech. Cai éum membro do corpo docente afiliado do Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience na Caltech.