Tecnologia Científica

O processamento de informações restringe como as bactérias E. coli navegam em gradientes químicos
As descobertas, publicadas na Nature Physics , mostram que as informações que as bactérias E. coli coletam de seu ambiente limitam seu desempenho na quimiotaxia, o processo pelo qual elas guiam seus movimentos em resposta a sinais químicos .
Por Ingrid Fadelli - 11/01/2022


Para escalar gradientes químicos de nutrientes, as bactérias E. coli precisam decidir continuamente se devem continuar nadando em linha reta ou mudar a direção da natação. Pesquisadores de Yale mostraram recentemente que, embora a E. coli tome essa decisão com alta incerteza, ela sobe gradientes quase tão rápido quanto teoricamente possível, dada essa incerteza. Crédito: Universidade de Yale.

Os organismos vivos adaptam seu comportamento e movimentos com base nas informações que adquirem do ambiente circundante. Mas muitas vezes essa informação é imperfeita e o organismo precisa agir sob incerteza. Então, a informação imperfeita limita o desempenho de um organismo em tarefas específicas?

Pesquisadores da Universidade de Yale investigaram recentemente essa possibilidade, examinando especificamente o comportamento da bactéria coliforme Escherichia coli (E. coli). Suas descobertas, publicadas na Nature Physics , mostram que as informações que as bactérias E. coli coletam de seu ambiente limitam seu desempenho na quimiotaxia, o processo pelo qual elas guiam seus movimentos em resposta a sinais químicos .

“Há muito se sabe que as células funcionam em face do ruído e da incerteza”, disseram Henry Mattingly, Keita Kamino, Benjamin Machta e Thierry Emonet, os pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org por e-mail. “Desde que a teoria da informação foi inventada por volta de 1950, os pesquisadores reconheceram que ela poderia ser uma ferramenta poderosa para entender como os organismos lidam com o ruído”.

A maioria das pesquisas anteriores se concentrou na quantidade de informações que as células podem adquirir de seu ambiente. As medições coletadas até agora sugerem que a evolução seleciona sistemas biológicos para efetivamente transmitir informações, atingindo as restrições fundamentais impostas pela física.

"No entanto, a aquisição de informações não é necessariamente o fim da história para a biologia: a informação deve ser posta em prática de forma adequada", explicaram os pesquisadores. "Queríamos testar uma ampla hipótese biológica: que os organismos fazem o melhor uso da informação que adquirem para realizar comportamentos e outras funções. a bactéria E. coli é um exemplo perfeito de tal comportamento."

As bactérias E. coli adquirem continuamente informações sobre os sinais químicos em seu ambiente usando sensores biológicos. Eles então usam essas informações para adaptar seu comportamento e navegar pelos gradientes químicos. Se as bactérias E. coli não coletassem informações de seus arredores, elas seriam incapazes de identificar se estão se dirigindo para nutrientes ou para longe de substâncias tóxicas.

"As ferramentas experimentais estão agora disponíveis para medir esse comportamento e para sondar a dinâmica do caminho químico que liga os sensores da célula aos motores que ela usa para navegar", disse a equipe. “Combinando essas medidas com modelos simples para seu comportamento, percebemos que poderíamos medir a quantidade de informações que uma bactéria era capaz de coletar (em bits por segundo), enquanto também entendíamos quanta informação ela precisaria para navegar nas velocidades observadas”.
 
O objetivo principal dos autores era obter uma melhor compreensão de se os limites de seus sensores biológicos afetaram o comportamento da quimiotaxia em E. coli. Para conseguir isso, eles começaram a calcular o limite de desempenho teórico, que é a velocidade máxima na qual uma bactéria pode navegar em um gradiente químico, com base em uma taxa fixa na qual ela adquire informações sobre sinais químicos.

"Para fazer isso, Henry modelou como o comportamento de natação da bactéria responde aos sinais que ela experimenta", explicaram os pesquisadores. “Diferentes estratégias de resposta têm diferentes 'custos de informação' para implementar, mas uma estratégia que requer um alto custo de informação não necessariamente faz com que a célula suba gradientes rapidamente. o limite de desempenho."

Para determinar a taxa na qual as células de E. coli adquirem informações durante a quimiotaxia, a equipe teve que entender como eles traduziram os sinais que perceberam, na forma de mudanças nas concentrações de nutrientes, na atividade de sua rede de sinalização interna. Eles conseguiram isso usando uma abordagem microfluídica desenvolvida por Kamino. Essa abordagem funciona fornecendo pulsos calibrados de nutrientes às bactérias, ao mesmo tempo em que mede a atividade em sua rede de resposta química.

"Usando o mesmo sistema experimental, Keita também mediu a magnitude do ruído espontâneo na rede de resposta na ausência de sinais", disseram os pesquisadores. "Com essas medições, bem como as medições dos sinais típicos que uma célula nadadora experimenta em um gradiente, estimamos quanta informação a E. coli extrairia de seu ambiente químico enquanto navegava em um gradiente natural, pela primeira vez".

Como etapa experimental final, a equipe teve que determinar a rapidez com que a E. coli escala gradientes químicos usando as informações coletadas. Para fazer isso, Mattingly estabeleceu gradientes químicos rasos entre dois reservatórios e rastreou as trajetórias de natação das bactérias enquanto navegavam pelos gradientes. Depois de observar horas dessas trajetórias em diferentes gradientes, os pesquisadores puderam determinar as velocidades em que escalaram os gradientes.

"Combinar nossas medidas de aquisição de informações e velocidade de escalada de gradiente nos permitiu determinar quão bem E. coli usa informações para navegar em relação ao limite teórico", disseram os pesquisadores. "Descobrimos que, ao escalar gradientes rasos, a E. coli obtém muito pouca informação de seu ambiente, cerca de 0,01 bits/s. Com uma conexão à Internet dessa taxa, levaria vários milhares de anos para baixar um filme típico em resolução 4K."

Mattingly e seus colegas descobriram que as bactérias usam a pouca informação que obtêm para escalar gradientes em velocidades quase tão rápidas quanto teoricamente possíveis, considerando as limitações de seu sistema sensorial. Isso sugere que, para sobreviver, os organismos devem usar eficientemente as informações que adquirem para realizar tarefas específicas.

"Os 0,01 bits/s que a E. coli precisa e obtém são ordens de magnitude menores do que ~1 bit por segundo que uma célula precisaria para determinar se está nadando no gradiente ou não antes de escolher uma nova direção aleatoriamente, ", disseram os pesquisadores. "Nosso estudo é o primeiro a usar a teoria da informação para colocar limites no desempenho de um organismo em uma tarefa comportamental, conectando a fidelidade da via de transdução de sinal à sua capacidade de realizar funções críticas para sua sobrevivência".

Este trabalho fornece novos insights interessantes sobre os efeitos da aquisição de informações na quimiotaxia de E. coli. No futuro, poderá informar novos estudos destinados a compreender a ligação entre a capacidade de um organismo de processar sinais em seu ambiente e realizar tarefas de sobrevivência.

Em seus próximos estudos, Mattingly, Kamino, Machta e Emonet planejam medir a fidelidade de detecção da E. coli e compará-la com as previsões teóricas. Isso permitirá que eles testem ainda mais a hipótese de que o processamento de informações dos sistemas biológicos está próximo dos limites impostos pela física.

"Até agora, medimos quanta informação as células de E. coli obtêm durante a quimiotaxia e com que eficiência elas usam essas informações, mas não abordamos quanta informação elas poderiam obter com um sensor ideal", disse a equipe. "E. coli detecta substâncias químicas em seus ambientes contando moléculas que colidem aleatoriamente com sua superfície, e isso impõe limites em sua fidelidade de detecção. Isso é algo sobre o qual outros pensaram muito, mas até agora sem compará-lo ao real sentindo a fidelidade."

As bactérias E. coli se reproduzem com extrema rapidez, dobrando de quantidade em apenas 30 minutos. Sua velocidade de reprodução os torna candidatos ideais para estudar a evolução em ambientes de laboratório. Em seu trabalho futuro, os pesquisadores também gostariam de aproveitar essa qualidade vantajosa para testar hipóteses sobre como a seleção evolutiva atua no processamento de informações .

“Finalmente, modelos e medições de comportamentos e processamento de sinais em organismos mais complexos podem estar no ponto em que podemos aplicar as mesmas ideias para estudar seus comportamentos também”, acrescentaram os pesquisadores. "A simplicidade da quimiotaxia da E. coli tornou-a um sistema ideal para começar, mas ideias semelhantes podem se aplicar ao comportamento dos animais".

 

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