Tecnologia Científica

Nova técnica pesquisa padrões de expressão de genes espaciais microbianos
A nova técnica, batizada de par-seqFISH (para hibridização in situ de fluorescência paralela e sequencial), pode rastrear essas diferenças na expressão gênica com alta precisão.
Por Lori Dajose - 17/08/2021


Esquerda: Uma imagem em preto e branco de um biofilme. À direita: um close de uma parte desse biofilme com círculos de células individuais e cores correspondentes à expressão de genes específicos. Crédito: Laboratório Newman

O que você faz em horários diferentes do dia? O que você come? Como você interage com seus vizinhos? Essas são algumas das perguntas que os biólogos adorariam fazer às comunidades de micróbios, desde aqueles que vivem em ambientes extremos nas profundezas do oceano até aqueles 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 às 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 raízes 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 pós-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- técnico de pesquisa sênior no laboratório de Long Cai, professor de biologia e engenharia biológica. Daniel Dar é agora professor assistente do Instituto Weizmann de Ciência em Israel. Um artigo descrevendo a pesquisa foi publicado em 12 de agosto na revista Science .

Não podemos perguntar a uma bactéria o que ela está fazendo ou como está se sentindo, mas podemos olhar para os genes que ela está expressando. A expressão gênica é a base de qualquer comportamento ou ação que um micróbio possa realizar. Por exemplo, se houver falta de alimento no ambiente de uma bactéria, o micróbio pode ativar um conjunto de genes que o ajudarão a conservar energia e reduzir os genes menos necessários, como aqueles que estão envolvidos na reprodução. Embora duas bactérias na mesma espécie possam ter a mesma informação genética, os genes podem ser ativados e desativados em diferentes situações, resultando em comportamentos diferentes no nível da bactéria individual.

“Os métodos tradicionais de medição da expressão gênica tendem a minimizar uma população inteira, em toda a sua complexidade e organização tridimensional, em um único número”, diz Daniel Dar. “Imagine pegar uma bandeja de frutas com cores, sabores e aromas únicos e ter que misturá-los todos em um único smoothie. Toda a identidade está perdida. O significado dessa limitação tecnológica para a pesquisa microbiológica, tanto na medicina quanto nas ciências ambientais, é que as assinaturas biológicas que se manifestam em microescala - a escala em que os microrganismos ganham a vida - permanecem quase sempre invisíveis. Esta foi uma grande motivação para nós ao longo deste estudo colaborativo: Construir sobre a tecnologia revolucionária 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 fluorescência paralela e sequencial), pode rastrear essas diferenças na expressão gênica com alta precisão. Neste estudo, par-seqFISH foi usado para examinar a expressão gênica em populações de Pseudomonas aeruginosa, um patógeno que frequentemente causa infecções (como aquelas encontradas nos pulmões de pessoas com fibrose cística ou em feridas cutâneas crônicas) e é extensivamente estudado no Laboratório Newman. par-seqFISH pode ser usado em virtualmente qualquer espécie de bactéria cujos genomas foram sequenciados e em comunidades de micróbios compostas por diferentes espécies.

par-seqFISH é preciso ao nível submicrométrico e é capaz de mostrar diferenças na expressão gênica mesmo dentro de células individuais. Por exemplo, a equipe descobriu que certos genes podem ser expressos mais nos polos de uma célula do que perto do centro. A técnica preserva a organização espacial das bactérias, ou suas posições em relação às outras. Por causa de seu nível de precisão, revelou diversidade significativa na expressão gênica e atividade resultante de membros individuais de uma população da mesma espécie de bactéria.

A capacidade do método de gerar imagens nesse nível de detalhe o torna uma técnica poderosa para pesquisas em biologia celular.

"Vimos padrões em que certos genes estavam sendo expressos espaço-temporalmente - no espaço e no tempo - de maneiras que nunca teríamos 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 micrômetros é incrivelmente importante e subestimada. A coisa profunda que esta técnica martela em casa é que o contexto importa. Cada célula está experimentando um microambiente ligeiramente diferente; por exemplo, como a quantidade de oxigênio ao redor de uma determinada célula indica em que tipo de metabolismo essa célula se envolverá. É necessário 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 biológico com contexto espacial e informações genômicas, encontramos uma nova biologia interessante", diz Cai. "As comunidades microbianas, com sua rica diversidade, mostram-nos novamente como a biologia é bela e complexa quando vista através das lentes da genômica espacial."

Newman, que é o principal e supervisor do corpo docente da iniciativa de Ecologia e Engenharia da Biosfera no Resnick Sustainability Institute (RSI) da Caltech, prevê que a tecnologia estará disponível para pesquisadores em toda a Caltech utilizarem através do RSI, auxiliando estudos de micróbios em diversos ambientes, desde do solo ao redor das raízes das plantas (chamadas de rizosfera) aos sedimentos do fundo do mar.

O artigo é intitulado "Transcriptômica espacial de populações de bactérias planctônicas e sésseis na resolução de uma única célula". 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 Geológicas e Planetárias da Caltech. Cai é um membro do corpo docente afiliado do Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience na Caltech.

 

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