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Curso: Biblioteca de Biologia > Unidade 14
Lição 2: Comunicação em organismos unicelularesSinalização célula-célula em organismos unicelulares
Como os organismos unicelulares usam sinais para se comunicar. Tipos de reprodução de leveduras, detecção de quórum bacteriano e biofilmes.
Introdução
Em organismos multicelulares (como você), a sinalização célula-célula permite que as células coordenem suas atividades, garantindo que tecidos, órgãos e sistemas de órgãos funcionem corretamente. Isso significa que os organismos unicelulares, como a levedura e as bactérias, não usam as vias de sinalização célula-célula?
Na verdade, esses organismos ainda necessitam "conversar" uns com os outros. As células podem não ser parte do mesmo organismo, mas pertencem à mesma população, e – assim como as pessoas na população humana – necessitam de maneiras para se comunicar sobre questões de importância interpessoal ou comunitária. As bactérias, por exemplo, utilizam sinais químicos para detectar a densidade populacional (quantas outras bactérias estão na mesma área) e mudar seu comportamento de acordo com isto, enquanto que as leveduras produzem sinais químicos que as permitem encontrar parceiros.
Aqui, examinaremos mais profundamente como os organismos unicelulares 'conversam' usando sinais químicos.
Detecção de quórum em bactérias
Durante muitos anos, acreditava-se que as bactérias eram em geral solitárias, tomando decisões a nível individual ao invés de comunitário. Mais recentemente, se tornou claro que muitos tipos de bactéria estão envolvidas em um modo de sinalização célula-célula chamado detecção de quórum.
Na detecção de quórum, as bactérias monitoram a densidade da população (número de outras bactérias na mesma área) com base em sinais químicos. Quando a sinalização atinge um nível limite, todas as bactérias da população vão mudar seu comportamento ou expressão gênica ao mesmo tempo.
Detecção de quórum na simbiose
A detecção de quórum foi descoberta primeiro na Aliivibrio fischeri, uma bactéria que tem uma relação simbiótica (mutuamente benéfica) com a lula havaiana
Quando as bactérias A. fischeri estão no interior do órgão de luz de uma lula, elas brilham, mas quando estão flutuando livres no oceano, não. Depois de décadas de trabalho, os cientistas descobriram que as bactérias usam a detecção de quórum para decidir quando produzir a bioluminescência. Seria um desperdício metabólico para uma bactéria solitária, em mar aberto, realizar as reações químicas que emitem luz, porque estas reações não trazem nenhum benefício sem o hospedeiro. Entretanto, quando muitas bactérias estão apertadas no interior do órgão de luz, o brilho em uníssono fornece uma vantagem: ele permite que as bactérias cumpram sua parte na barganha simbiótica, impedindo que seu hospedeiro (sua fonte de alimento) seja comido por predadores.
Mecanismos da detecção de quórum
A detecção de quórum baseia-se na produção e detecção de autoindutores, moléculas sinalizadoras continuamente secretadas pelas bactérias para anunciar sua presença para seus vizinhos (tipicamente, vizinhos da mesma espécie). Autoindutores permitem que as bactérias detectem a densidade populacional e mudem seu comportamento de forma sincronizada quando a densidade atinge um certo limite.
Em alguns tipos de bactérias, os autoindutores secretados são pequenas moléculas hidrofóbicas tais como acil-homoserina lactona (AHL). AHL é o autoindutor produzido por A. fischeri, as bactérias que ocupam o órgão de luz de uma lula. Em outros tipos de bactérias, os autoindutores podem, ao invés, serem peptídeos (proteínas curtas) ou outros tipos de pequenas moléculas
Um vez que AHL é pequena e hidrofóbica, pode se difundir livremente através das membranas das células bacterianas.
- Quando há poucas células na área, a pouca quantidade de AHL que é produzida irá se difundir no ambiente, e os níveis de AHL no interior das células permanecerá baixo.
- Quando há a presença de mais bactérias, uma quantidade maior de AHL será produzida (graças ao número maior de contribuintes).
- Se os níveis de AHL ficarem suficientemente altos, indicando uma densidade crítica de bactérias, a AHL vai se ligar e ativar uma proteína receptora no interior das células.
- O receptor ativo age como um fator de transcrição, fixando-se a sítios específicos do DNA da bactéria e alterando a atividade dos genes-alvo próximos.
Em A. fischeri, o fator de transcrição ativa genes que codificam as enzimas e substratos requeridos pela bioluminescência, assim como o gene para a enzima que produz a própria AHL (amplificando a resposta em um circuito de retroalimentação positiva)
Em geral, cada espécie de bactéria tem seu próprio auto-indutor, com um receptor correspondente que é altamente específico (não será ativado pelo auto-indutor de uma espécie diferente de bactéria). Contudo, alguns tipos de auto-indutores podem ser produzidos e detectados por múltiplas espécies de bactérias. Os cientistas estão investigando como estas moléculas podem possibilitar a comunicação entre espécies
Detecção de quórum e biofilmes
Algumas espécies de bactéria que apresentam detecção de quórum formam biofilmes, comunidades de células bacterianas fixas à superfícies que aderem umas às outras e a seu substrato (a superfície de base). Biofilmes podem ser bastante complexos, com células bacterianas que se organizam para formar estruturas ordenadas, e alguns biofilmes contêm múltiplas espécies de bactérias coexistentes.
Apesar de muito ainda ser desconhecido sobre biofilmes, é cada vez mais claro que eles desempenham papéis cruciais em saúde e doenças humanas. Por exemplo, a S. aureus que coloniza a superfície de um catéter acima está organizada em um biofilme. A detecção de quórum pode ter um importante papel na formação, manutenção, e desagregação de biofilmes.
Sinalização em leveduras
As leveduras que fermentam as uvas em vinho, ou fazem o pão crescer, são eucariontes unicelulares. Não são animais nem vegetais, mas na realidade um tipo de fungo. (Nham!) Algumas leveduras de padeiro são mostradas na imagem de microscópio abaixo.
Uma das vias de sinalização mais estudadas na levedura é a via do fator de acasalamento. Brotos de levedura podem se acasalar em um processo semelhante à reprodução sexuada, na qual duas células haploides (células com um único conjunto de cromossomos, como o espermatozoide e o óvulo humanos) combinam-se para formar uma célula diploide (célula com dois conjuntos de cromossomos, como as células do corpo humano). A célula diploide pode, então, realizar a meiose para produzir células haploides com novas combinações de material genético.
Para encontrar uma outra célula haplóide de levedura que está pronta para acasalar, a levedura em brotamento secreta uma molécula sinalizadora chamada fator de acasalamento. O fator de acasalamento tem duas versões diferentes, assim como o receptor, e este sistema pode ajudar as leveduras a acasalar com outras leveduras que não são parentes próximos. A ligação de um fator de acasalamento com um receptor compatível desencadeia uma cascata de sinalização que faz a levedura produzir uma protuberância de forma a se fundir com o parceiro. Você pode ver os detalhes desta via no vídeo sobre sinalização celular na reprodução de leveduras
Se você olhar com atenção a via de sinalização do fator de acasalamento, você verá que ele inclui tipos de moléculas familiares em seres humanos. Por exemplo, o receptor do fator de acasalamento é um receptor acoplado a proteína G, e age através de uma via de sinalização MAP quinase como aquela utilizada na sinalização do fator de crescimento humano
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