Resistência aos antibióticos: um exemplo de acaso e necessidade ou programação?

Diferentes tipos de bactérias (Imagem gerada por IA - Salvador Daqui em NightCafé Studio)

por Emily Reeves
9 de maio de 2024

A resistência aos antibióticos é comumente apontada como um exemplo de “evolução acontecendo diante dos nossos olhos”. Mas, que parte da resistência aos antibióticos se deve realmente a mutações aleatórias? Existem aspectos da resistência aos antibióticos que se devem a variantes genéticas programadas e que são iniciadas pelo próprio organismo? Aqui, vou compartilhar um artigo importante que tenta responder a essas perguntas.

Em 2019, uma equipe de cientistas descobriu uma proteína chamada Mfd que, quando excluída, torna muito mais difícil para as bactérias “evoluírem” a resistência aos antibióticos. (Ragheb et al., 2019) Mfd é uma translocase de DNA que supostamente estava envolvida no reparo de excisão de nucleotídeos, mas o estudo descobriu que a ausência dessa proteína diminuiu a taxa de mutação em 2 a 5 vezes em certas posições do genoma. Isto sugere que o Mfd está direcionando mudanças genéticas nesses locais específicos.

Uma Proteína Envolvida na Geração de Mutações Específicas

Para dar mais detalhes, no primeiro experimento de Ragheb et al., a Análise de Flutuação de Luria-Delbruck foi usada para calcular a taxa de mutação para B. subtilis, P. Aeruginosa, S. Typhimurium e M. tuberculosis na presença e ausência da Mfd. O que foi observado é que as cepas sem Mfd tiveram uma diminuição de 2 a 5 vezes nas taxas de mutação, conforme medido pela resistência à rifampicina, que é um antibiótico. Isto é fascinante porque sugere que a proteína bacteriana, Mfd, está, na verdade, causando mutações! A mutação não se deve a algum acaso atingido pela radiação ionizante. As bactérias estão, na verdade, sofrendo mutações.

Agora, algumas advertências importantes:

 

• Só porque a taxa de mutação medida pela resistência à rifampicina aumenta não significa necessariamente que a taxa de mutação de todo o genoma seja afetada. A seleção por resistência à rifampicina significa que a taxa de mutação calculada é baseada em uma região compreendendo 3.582 bps (“rpoB DNA-Directed RNA Polymerase Subunit Beta [Baciillus Stercoris]”) em comparação com o tamanho total do genoma que é de 4.214.810 pares de bases (Kunst et al., 1997). Portanto, o restante do genoma não poderia ter um aumento na taxa de mutação. (Alerta de spoiler: é esse o caso!)
• Também não está claro se a elevada taxa de mutação no rpoB é um processo de fundo ou se é desencadeada em resposta à detecção de antibióticos. A Análise de Flutuação Luria-Delbruck, famosa pelo seu papel na distinção entre tais cenários, pode diferenciar estas hipóteses, mas o texto não indica explicitamente qual o resultado observado. Para aqueles que não estão familiarizados com esta experiência, a Análise de Flutuação de Luria-Delbruck foi interpretada como apoiando a hipótese darwiniana, que sugere que as mutações ocorrem aleatoriamente, com mutações vantajosas selecionadas naturalmente. Isto se opõe à hipótese Lamarckiana, que sugere que as mutações resultam de uma resposta do organismo a pressões seletivas.

Os autores interpretaram a ausência de Mfd que leva a uma redução de 2 a 5 vezes nas taxas de mutação como modesta, mas suspeitaram que estas diferenças poderiam ter impacto na cinética (taxa de resistência) e na evolução da resistência. Assim, analisaram como a resistência aos antibióticos (rifampicina, fosfomicina, trimetoprim, canamicina e vancomicina) poderia evoluir, começando com concentrações mais baixas de antibióticos e aumentando ao longo de 35-70 gerações. Essas experiências mostraram uma diferença de 6 a 21 vezes para S. typhimurium e para B. subtilis. Houve uma diferença de 32 vezes na concentração média de antibiótico que poderia ser tolerada entre cepas contendo e não contendo Mfd. O Mfd permite que as bactérias desenvolvam resistência mais rapidamente a níveis mais elevados de um espectro de antibióticos, todos com diferentes alvos de resistência no genoma.

Outra observação importante é que quando os antibióticos foram aumentados gradualmente ao longo do tempo, em comparação com a Análise de Flutuação de Luria-Delbruck, em que os antibióticos eram estáticos e presentes em níveis letais para bactérias não preparadas, foi observada uma diferença mais pronunciada entre cepas com e sem Mfd. A observação de que um acúmulo gradual resultou em uma diferença maior sugere que as bactérias possivelmente estão sentindo toxinas e respondendo adequadamente, coisa para a qual não há tempo durante a análise de Luria-Delbruck devido à forma como este experimento é conduzido.

Como o Mfd Está Gerando Mutações Específicas?

Os autores não sabem exatamente como o Mfd está gerando mutações específicas ou se o está fazendo diretamente, mas usaram o sequenciamento Sanger para identificar variantes genéticas que ocorreram durante esse período nos alvos de resistência à rifampicina e ao trimetoprim (rpoB e folA, respectivamente). A análise das sequências de cada momento revelou alterações genéticas que permitiram a resistência. Sem Mfd, apenas cerca de metade a um terço das alterações de resistência foram observadas, e houve também um atraso nas alterações que surgiram sem Mfd. Somando-se à evidência do papel fundamental do Mfd no desenvolvimento de alterações específicas de resistência, a segunda e a terceira alterações genéticas raramente foram observadas nos respectivos alvos sem o Mfd. Em conjunto, isto significa que o Mfd tem alguma função pró-mutagênica que pode ser crítica para a geração de alterações genéticas adicionais.

Então, para ver se havia mutações fora dessas regiões, os autores realizaram o sequenciamento completo do genoma (whole genome sequencing, WGS, em inglês) em seis réplicas escolhidas aleatoriamente no experimento ao longo do tempo. O WGS confirmou os resultados do sequenciamento Sanger: sem Mfd havia muito menos mutações no locus rpoB. É importante ressaltar que eles não encontraram mutações adicionais fora do rpoB para nenhuma das cepas evoluídas com resistência à rifampicina. Esta é uma descoberta crítica, que sugere fortemente que este mecanismo NÃO está introduzindo mutações inespecífica em todo o genoma, mas sim produzindo mutações específicas em alvos antibióticos conhecidos para conferir resistência.

Assim, os resultados do WGS para as cepas com resistência ao trimetoprim foram diferentes. Eles encontraram mutações fora da região codificadora do folA, em sua região promotora, bem como uma mutação recorrente no gene dnaQ que gerou um fenótipo hipermutador:

Descobrimos que três das seis cepas evoluídas com trimetoprim sequenciadas por WT continham uma mutação pontual no gene dnaQ (todas as cepas tinham a mesma mutação dnaQ (I33N)) nenhuma das cepas Δmfd continha quaisquer mutações no gene dnaQ.

Consistente com a mutação hipermutadora, eles encontraram 600 mutações acumuladas em todo o genoma, que, segundo eles, precisarão ser estudadas para ver se estão desempenhando um papel funcional ou se são apenas mutações de carona. A observação de que uma mutação dnaQ muito específica foi gerada múltiplas vezes de forma independente sugere que a proteína Mfd desempenha um papel crítico no qual regiões específicas do genoma mudarão em resposta à presença de toxinas (antibióticos).

Um Ícone da Evolução

A resistência aos antibióticos é um ícone da evolução observável; no entanto, permanece incerto até que ponto as mutações casuais sustentam o fenômeno. A evolução darwiniana depende de eventos aleatórios, como mutações induzidas por radiação ionizante ou erros causados ​​por máquinas de cópia de DNA. Entretanto, as principais conclusões desta investigação destacam que uma fração substancial da resistência aos antibióticos decorre não de mutações estocásticas, mas sim de mecanismos bacterianos pré-programados de indução de mutação, facilitados pela proteína Mfd, que desempenha um papel estratégico no direcionamento das regiões genômicas específicas onde as mudanças ocorrerão. Isto, por sua vez, confere resistência aos antibióticos.

Isso demonstra que a mutagênese dirigida está criticamente sincronizada com a resistência aos antibióticos e, portanto, põe em causa o retrato comum da resistência aos antibióticos como um exemplo da evolução darwiniana que se desenrola em tempo real. Por enquanto, o ônus da prova aumentou para aqueles que confiam em qualquer teoria das origens baseada no acaso, porque agora devem explicar o surgimento deste mecanismo programado. E perderam algumas das mutações de que dependiam para o fazer, pois essa investigação mostra que muito do que alegaram serem mutações verdadeiramente aleatórias estão agora ocorrendo claramente sob controle programado.

Consequentemente, essas descobertas são mais consistentes com a teoria do design inteligente. O DI prevê que coisas que se parecem com evolução são, na verdade, o resultado de mecanismos de design incorporados nos organismos — neste caso, mecanismos que aproveitam a estocasticidade para um fim funcional, em vez do processo impulsionado pelo acaso da evolução darwiniana.

Referências

 

• Kunst, F., N. Ogasawara, I. Moszer, A. M. Albertini, G. Alloni, V. Azevedo, M. G. Bertero, et al. 1997. “The Complete Genome Sequence of the Gram-Positive Bacterium Bacillus Subtilis”, Nature 390 (6657): 249–56.
• Ragheb, Mark N., Maureen K. Thomason, Chris Hsu, Patrick Nugent, John Gage, Ariana N. Samadpour, Ankunda Kariisa et al. 2019. “Inhibiting the Evolution of Antibiotic Resistance”, Molecular Cell 73 (1): 157–65.e5.
• “rpoB DNA-Directed RNA Polymerase Subunit Beta [Bacillus Stercoris]”, Acessado em 13 de abril de 2024. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/83883335.

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Traduzido de Antibiotic Resistance: An Example of Chance and Necessity, or Programming? (EN&ST)

Etiquetas:

evolucionismo - argumento do relojoeiro - bioengenharia de Deus - mutação genética - mutações genéticas