Com bactérias cada vez mais resistentes a antibióticos, os pesquisadores do Centro de Pesquisa em Biologia de Bactérias e Bacteriófagos do Estado de São Paulo (CEPID B3), sediado no Instituto de Química da Universidade de São Paulo (IQ-USP), procuram entender como esses microrganismos vivem, se relacionam e se replicam esmiuçando desde suas vias metabólicas até o modo como expressam seus genes. Além disso, parte do grupo se concentra nos estudos com vírus bacteriófagos, que são inimigos mortais de bactérias e já estão sendo usados pela Medicina, em alguns países, para tratar casos de resistência bacteriana. O professor doutor Shaker Chuck Farah, diretor do CEPID B3 e vice-diretor do Instituto de Química da USP, explica a importância desses estudos, quais resultados já foram alcançados nos diversos experimentos envolvendo bactérias e bacteriófagos e porque essas pesquisas são tão importantes para combater a resistência a antibióticos e auxiliar no controle de infecções.
Já é possível afirmar como as bactérias vivem, se relacionam e replicam?
Essa investigação é bem antiga. Bactérias são conhecidas há séculos e foram observadas com o uso dos primeiros microscópios no século XVII. Portanto, o crescimento bacteriano vem sendo estudado desde então. O estudo das bactérias também contribuiu muito para o nosso entendimento sobre a genética e a natureza do material genético. Os primeiros estudos sobre a natureza do gene, a relação entre um gene e uma atividade enzimática, ou seja, como um gene codifica uma enzima, foram feitos com bactérias e com bacteriófagos – que são os vírus que infectam as bactérias. Assim, sabemos muito sobre como as bactérias funcionam no nível molecular e sobre sua genética. A maior parte do conhecimento vem de algumas bactérias que foram estudadas com muita profundidade, mas existem literalmente bilhões de espécies bacterianas das quais, da grande maioria, não sabemos nada. Portanto, ainda temos muito a aprender sobre o comportamento das bactérias e como interagem com o ambiente e com seus hospedeiros. Às vezes, essas relações com os hospedeiros podem ser benéficas, mas também podem ser patogênicas e causar doenças, tanto em seres humanos quanto em animais e plantas.
Quais os mecanismos pelos quais bactérias podem adquirir novos genes?
Bactérias podem adquirir genes por vários mecanismos diferentes. Por exemplo, podem sofrer mutações, e essas mutações estão acontecendo o tempo todo no DNA das bactérias e também no DNA humano. Essas mutações geram novas versões de genes e podem ser muito simples, por exemplo, a troca de uma letra no código genético que modifica um pouquinho o gene para que desempenhe sua função de maneira um pouco diferente, mas também pode ser uma deleção ou uma inserção de algumas letras do DNA. Ou mesmo, pode ser uma deleção de um pedaço grande do DNA e até um deslocamento de um pedaço do DNA de uma região do cromossomo para outra. E esse deslocamento gera novas combinações da sequência do DNA, que gera novos genes. Esse é um jeito mais trivial de criar novos genes, mas tem outras maneiras em que bactérias em particular – mas também qualquer célula – pode adquirir DNA do meio externo.
O que ocorre se esse DNA entra em uma célula, por exemplo?
A célula tem enzimas que catalisam a inserção do DNA dentro dos cromossomos. E se esse DNA externo codifica uma proteína com função nova, ela vai ser incorporada dentro do genoma e este será um novo gene. Tem algumas bactérias que são muito eficientes em simplesmente adquirir DNA do meio externo – e tem muito DNA no meio externo. Todas as células que morrem podem ser tanto células bacterianas quanto células vegetais em decomposição, por exemplo, e aquele DNA que estava dentro da célula, agora, está do lado de fora. Esses pedaços de DNA estão no meio ambiente, em termos gerais. Assim, as bactérias podem pegar pedaços desse DNA e incorporar dentro do seu genoma. Na grande maioria das vezes, isso não significa nada. Mas, de vez em quando, um pedaço desse DNA codifica algum gene com alguma função que é benéfica para a sobrevivência da bactéria. E ela pode sobreviver. Mas, além disso, tem maneiras em que bactérias trocam pedaços de DNA.
Como essa troca acontece?
Quando uma bactéria encosta com outra bactéria, muitas vezes, gera algum canal que é utilizado para transferir DNA de uma para a outra. Esse processo é chamado de conjugação. É como um ‘sexo bacteriano’. Sempre pensamos que bactérias se reproduzem de maneira assexuada, simplesmente dividindo e replicando o seu DNA. Mas espécies diferentes de bactérias também podem trocar pedaços de DNA. Muitas vezes, esses pedaços de DNA têm a forma de um círculo – são chamados de plasmídeos. E esses círculos de DNA podem codificar vários genes, inclusive genes que dão resistência contra antibióticos. Quer dizer, normalmente, esse plasmídeo de DNA codifica algo que dá algum tipo de vantagem para a bactéria. Por exemplo, pode dar uma vantagem para utilizar um nutriente ambiental para sobreviver usando esses compostos como fonte de energia. Mas, muitas vezes, ocorre a troca de genes que conferem resistência a antibióticos – e isso é de muita importância para a saúde pública. Esses genes existem na natureza naturalmente, porque existem muitos organismos que produzem antibióticos para se defender contra outros microrganismos.
“Quando as pessoas falam de vírus,
normalmente acham que são agentes do
mal. No entanto, talvez os seres replicativos
mais abundantes na face da Terra sejam
exatamente os vírus que infectam
bactérias – chamados bacteriófagos”
Então esses microrganismos estão presentes na natureza?
Exatamente! Aliás, antibióticos são produtos naturais que extraímos de fungos, bactérias, plantas e outras fontes naturais. Esses genes que codificam essas proteínas e dão resistência também estão sendo trocados entre as bactérias. Quando utilizamos antibióticos com muita frequência, estamos essencialmente selecionando na natureza e dando vantagem para bactérias resistentes contra esses antibióticos. E essa resistência é quase inevitável. Qualquer antibiótico vai conseguir matar um bilhão de bactérias, mas, pelo menos uma vai sobreviver porque vai ter uma mutação. Às vezes, em uma enzima que já existe dentro da bactéria fazendo outra função e que não tem nada a ver com resistência a antibióticos, uma pequena mutação permite que degrade ou quebre aquele antibiótico. Ou, às vezes, ocorre uma mutação no próprio alvo do antibiótico. O antibiótico desempenha sua função ligando em alguma enzima ou em alguma estrutura dentro da célula, que é importante para a sobrevivência dessa célula. Mas, às vezes, ocorre uma mutação que simplesmente acaba como aquele sítio de ligação.
A troca de genes entre as bactérias também ocorre no corpo humano?
Sim, acontece dentro do corpo humano. Temos uma flora bacteriana natural que nos protege dentro dos nossos intestinos, da nossa pele, da nossa boca. E estamos vivendo com essa flora de maneira simbiótica. Mas, às vezes, algumas bactérias conseguem se estabelecer em alguns ambientes onde nosso sistema imune não consegue combatê-las, por exemplo, no pulmão, no sangue, nos ossos, dentro da bexiga… E isso causa uma desregulação. E, às vezes, essas bactérias secretam toxinas que geram sintomas muito graves como diarreia, febre e outros. Ao usar antibiótico mata-se, nos primeiros dias, a grande maioria das bactérias. Mas, se os antibióticos não são utilizados da maneira correta, podem surgir indivíduos bacterianos resistentes que vão começar a se multiplicar. E depois, continuando a usar os antibióticos, aquele medicamento não vai ter mais efeito. Por isso, às vezes, para superar esse efeito, é preciso dar um coquetel de antibióticos – dois, três, quatro e até cinco antibióticos para infecções bem persistentes. Porque a chance de uma bactéria adquirir resistência contra múltiplos antibióticos simultaneamente é muito menor. Essa é a mesma lógica do tratamento de AIDS com um coquetel de antivirais, para citar um exemplo bem conhecido.
Pessoas que tomam antibiótico com muita frequência ou muito precocemente, por exemplo, desde a infância, podem ser candidatas a criar resistência bacteriana?
O tratamento com antibióticos deve ser prescrito realmente somente em casos de infecção bacteriana, e não se deve dar antibióticos para infecções virais, por exemplo. Mas os médicos estão bem atentos a esse fato. O maior problema é o que esse consumo exagerado de antibióticos provoca na população geral, não apenas em um indivíduo. Porque se a população geral está consumindo antibióticos demais, existe maior chance de surgimento de cepas resistentes. E essas cepas vão circular dentro do ambiente e vão causar infecções mais difíceis de tratar no futuro. Esse uso exagerado não é somente na população, mas também na agricultura, em animais e em todo o ambiente. Assim, o uso exagerado está criando maiores chances de surgirem cepas com resistência contra esses antibióticos.
Qual é o papel dos vírus para esse controle microbiológico?
Quando as pessoas falam de vírus, normalmente acham que são agentes do mal, por causa de Covid, HIV e outros. No entanto, talvez os seres replicativos mais abundantes na face da Terra sejam exatamente os vírus que infectam bactérias – chamados de bacteriófagos. E podemos encontrar esses bacteriófagos em todos os lugares onde se encontram bactérias, ou seja, no solo, na água de rios, lagos e oceanos, e associados com material vegetal. E dentro de nós também. Esses bacteriófagos que, às vezes, são chamados simplesmente de fagos, são vírus que infectam bactérias e são muito específicos para certas espécies bacterianas. Quer dizer, para cada espécie de uma bactéria, provavelmente existem pelo menos alguns bacteriófagos que conseguem infectá-las.
E como isso ocorre?
Essencialmente, o vírus tem alguma estrutura feita de proteína que forma um capsídeo, um envelope, dentro do qual tem o material genético desse vírus. Esse material genético pode ser DNA ou RNA. O bacteriófago também tem proteínas associadas com esse capsídeo em uma cauda, que pode ser curta ou comprida, e reconhece algo na superfície da bactéria que evoluiu para infectar. Uma vez que reconheceu a superfície bacteriana, o vírus injeta seu DNA ou RNA dentro da célula bacteriana. E quando o DNA entra na célula pode simplesmente ser replicado em várias cópias e ser transcrito e traduzido para produzir partículas virais. Então, a célula bacteriana fica cheia de centenas de partículas de fago, até eventualmente a célula se romper e os vírus serem liberados para o ambiente onde vão infectar bactérias vizinhas. Outra possibilidade é quando o DNA entra na bactéria e, em vez de ser replicado, simplesmente se insere dentro do genoma dessa bactéria e fica lá replicando com o DNA dela. Cada vez que a bactéria replica seu DNA, o DNA do vírus, que está inserido dentro do cromossomo bacteriano, se replica também. E todos os descendentes daquela bactéria originalmente infectada agora têm o genoma do vírus.
E o que acontece a partir disso?
Normalmente, esse vírus fica dormindo lá por um tempo até algum sinal ambiental induzir a sair, replicar e lisar a bactéria. Normalmente, esse sinal ambiental é algum tipo indicando que a bactéria na qual o vírus está ‘pegando carona’ está estressada e talvez vá morrer. Então, talvez seja o momento de ele sair. Ou, às vezes, a saída é induzida quando o vírus percebe que a população bacteriana é grande, porque bactérias têm maneiras de se comunicar entre si e de saber quantas outras da mesma espécie estão por perto. Em inglês, esse fenômeno é chamado quorum sensing, ou seja, é uma percepção de que tem outras bactérias por perto. Às vezes, um bacteriófago vai usar isso como sinal de que deve sair agora porque tem outras bactérias que pode infectar. E essa entrada e saída dos bacteriófagos e do DNA misturando com o DNA das bactérias é outro mecanismo no qual bactérias podem adquirir novos genes, porque o DNA do bacteriófago pode entrar no genoma do cromossomo bacteriano e, às vezes, sofre alguma mutação e não consegue sair mais. Então, fica o resquício do DNA do fago que passa a fazer parte do DNA da bactéria e vai ficar lá para sempre. Se o fago tem genes de resistência contra antibióticos, pode carregar genes de resistência contra antibióticos também.
Vírus que atacam bactérias podem evitar o descontrole bacteriano?
Importante lembrar que esses vírus também podem ser benéficos para as bactérias, e existem alguns bacteriófagos que, quando se replicam, conseguem sair da bactéria sem matá-la. No entanto, o nosso interesse é utilizar bacteriófagos para matar bactérias – os chamados bacteriófagos líticos, que causam lise bacteriana. Esses bacteriófagos líticos foram descobertos no fim do século XIX, e o potencial de uso para matar bactérias foi quase imediatamente reconhecido. Nas décadas de 1920 e 1930, na Europa Oriental, especialmente na ex-União Soviética, foram utilizados bacteriófagos para tratar infecções bacterianas em larga escala. Mas, quando os antibióticos foram descobertos, o ocidente os adotou como maneira principal para tratar infecções bacterianas. Além disso, ainda havia um desconhecimento sobre o que é um bacteriófago de verdade e como funciona. Com isso, no ocidente o uso deles como maneira de tratar infecções bacterianas não foi muito explorado até recentemente. Nas últimas décadas, e está sendo mais e mais hoje em dia, vários países começaram a explorar bacteriófagos para tratamento compassivo de infecções bacterianas que são resistentes aos tratamentos de antibióticos. Por exemplo, seria indicado para pacientes com infecção recorrente que já usaram vários tratamentos ou várias combinações de antibióticos e não conseguiram controlar a infecção, ou, às vezes, quando a infecção é controlada, mas volta. Para esses casos compassivos, o uso de bacteriófagos está sendo explorado para tratar essas infecções em alguns centros médicos no mundo, muitas vezes, em combinação com os antibióticos. Deve-se pensar em estratégias e não usar só uma arma, mas sim uma combinação de armas simultaneamente para que a bactéria não consiga desenvolver resistência contra múltiplos antibióticos e também contra múltiplos bacteriófagos – porque as bactérias podem desenvolver resistência contra bacteriófagos também. E essa resistência acontece naturalmente. Portanto, a melhor estratégia é utilizar um coquetel de vários bacteriófagos que infectam aquela espécie bacteriana específica.
Como esses bacteriófagos estão sendo utilizados atualmente?
Esse é o grande desafio, mas há duas maneiras. Primeiro, em certas regiões, o acompanhamento das infecções bacterianas pelos profissionais da saúde já pode identificar certas linhagens bacterianas que estão aparecendo com frequência na população, causando infecções resistentes a múltiplas drogas. Neste caso, a comunidade pode se prevenir tentando pegar essas cepas mais prevalentes para identificar bacteriófagos que conseguem matar essas bactérias. Assim, podemos criar um banco de bacteriófagos para que, quando surgir uma infecção resistente, tenhamos uma coleção que possa matar aquela espécie bacteriana. O médico que tenha um paciente com infecção persistente, por exemplo, pode passar uma amostra dessa bactéria para os pesquisadores que gerenciam esse banco e eles podem, essencialmente, testar as dezenas ou centenas de bacteriófagos contra aquela cepa particular do paciente. Nesse banco podemos ter cinco, seis ou 10 bacteriófagos que, pelo menos no laboratório, estão matando a bactéria que está infectando aquele paciente. E, assim, podemos gerar uma mistura e purificar os bacteriófagos para testar se essa formulação está segura, sem toxinas e se os bacteriófagos que estão dentro dela não têm genes que dão resistência contra outros antibióticos. Após todo o controle de qualidade, e seguindo protocolos bem avaliados e aprovados, a ideia é que essa mistura de bacteriófagos possa ser dada para os médicos tratarem infecções resistentes. E realmente, em muitos casos, já foi mostrado que isso é eficaz.
Na Medicina, ainda há resistência para o uso desse tipo de estratégia?
Existem resistências e acho que a estratégia na primeira recorrência é o uso de antibióticos. Se não funcionarem, o médico vai partir para o uso de bacteriófagos. A grande maioria dos bacteriófagos é altamente específica para certa linhagem bacteriana. Então, essencialmente, para cada caso é preciso identificar um conjunto de bacteriófagos que mate aquela linhagem bacteriana que está se reproduzindo naquele paciente. Pelo menos até agora, não temos bancos ou coleções de bacteriófagos tão amplas já prontas para matar qualquer bactéria. Mas a ideia é que possamos aumentar a abrangência dessas coleções para que, no futuro, sejam sempre atualizadas frente ao surgimento de novas cepas bacterianas resistentes, para que a velocidade para montar uma coleção de bacteriófagos que mata uma bactéria seja mais rápida. Por enquanto, cada país está tentando montar um sistema para tratar esses casos. Mas um sistema bem amplo e que pode ser aplicado de um modo geral, por enquanto, não existe.
Bactérias, em geral, são muito resilientes às tentativas de combatê-las?
As bactérias estão se protegendo contra bacteriófagos por bilhões de anos. Aliás, a técnica CRISPR de aplicações de biotecnologia para modificação do DNA de uma célula, que ficou famosa nos últimos anos, é um tipo de imunidade das bactérias contra bacteriófagos. A bactéria consegue ter a ‘memória’ de que seus ancestrais já foram infectados por aquele bacteriófago. Às vezes, quando o bacteriófago entra na bactéria, ela consegue se proteger e colocar um pedacinho de DNA desse bacteriófago, de mais ou menos 20 ou 30 nucleotídeos, dentro do seu cromossomo. E utiliza essa sequência como uma memória. Assim, se perceber essa sequência de novo, montará uma defesa para quebrar aquele DNA. E o CRISPR é baseado nesse sistema de proteção contra infecções de bacteriófagos. Nos anos 1970, na grande revolução de DNA recombinante, foram desenvolvidas várias enzimas que permitem que o pesquisador corte um pedaço de DNA específico. Essas enzimas que reconhecem sequências de DNA específicas são chamadas de enzimas de restrição e, essencialmente, estão se protegendo contra pedaços de DNA exógenos. Esses pedaços de DNA podem ser plasmídeos ou bacteriófagos. E as bactérias carregam enzimas que reconhecem sequências de DNA exógena, e as matam. Porque, como estão sempre sendo invadidas, querem se proteger contra essas invasões.
“Pelo menos até
agora, não temos
bancos ou coleções
de bacteriófagos
tão amplas já
prontas para matar
qualquer bactéria.
Mas a ideia é que
possamos aumentar
a abrangência
dessas coleções…”
Como o ser humano pode se proteger de tanta esperteza das bactérias?
É uma guerra constante, como uma guerra fria. Durante a nossa vida, temos de tentar deixar as bactérias sob controle. E, eventualmente, vamos perder a guerra. Aliás, no final de nossas vidas, as bactérias vão ganhar realmente. Mas vamos tentar aproveitar a vida antes que esse dia chegue. Assim, manter a limpeza e a higiene pessoal, assim como ter uma dieta balanceada para deixar o organismo saudável, são atitudes que ajudam muito. Quando o organismo é saudável, as chances de que uma infecção bacteriana se instale é bem reduzida.
Quais são os principais objetivos dos estudos do CEPID B3?
Esse é um centro de pesquisa com 22 pesquisadores do Estado de São Paulo, cujo recurso financeiro vem principalmente da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp). Além do IQ-USP, temos pesquisadores na Faculdade de Ciências Farmacêuticas e Faculdade de Medicina da USP Ribeirão Preto, Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), Universidade Estadual Paulista (UNESP) e no Instituto Agrônomo de Campinas. Esses pesquisadores estão interessados em bactérias em termos gerais e em vários aspectos dos seus comportamentos, desde questões bem básicas sobre como se replicam, se comunicam e competem entre si. E também estudamos bactérias que infectam plantas. Por exemplo, meu laboratório estuda há muito tempo uma bactéria que infecta laranja, chamada Zantomonocytre. E também temos um grande grupo que estuda bacteriófagos que infectam bactérias que atacam plantas, animais e seres humanos. Um dos projetos foi iniciado pela professora Aline Maria da Silva, que era a vice-diretora do nosso instituto e, infelizmente, faleceu em 2024. Ela instalou uma linha de fagoterapia em colaboração com médicos do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da USP. Queremos dar continuidade a essa linha de pesquisa e tentar instalar um protocolo inicial de fagoterapia. Já há uma grande coleção de bactérias isoladas clinicamente e muitas são resistentes a múltiplas drogas. A ideia é que, em colaboração com essa equipe médica, possamos gerar ou isolar bacteriófagos que matem as bactérias mais frequentemente encontradas em infecções no Estado de São Paulo atualmente. Assim, as equipes médicas terão essa outra opção para usar em conjunto com tratamentos tradicionais usando antibióticos. •
