9.4: Sinalização em organismos unicelulares

Habilidades para desenvolver

• Descreva como leveduras unicelulares usam a sinalização celular para se comunicarem umas com as outras
• Relacione o papel do sensor de quórum com a capacidade de algumas bactérias formarem biofilmes

A sinalização dentro da célula permite que as bactérias respondam a sinais ambientais, como níveis de nutrientes. Alguns organismos unicelulares também liberam moléculas para sinalizar uns aos outros.

Sinalização em levedura

As leveduras são eucariotos (fungos), e os componentes e processos encontrados nos sinais de levedura são semelhantes aos dos sinais receptores da superfície celular em organismos multicelulares. As leveduras em brotamento (Figura\(\PageIndex{1}\)) são capazes de participar de um processo semelhante à reprodução sexual que envolve duas células haplóides (células com metade do número normal de cromossomos) se combinando para formar uma célula diploide (uma célula com dois conjuntos de cada cromossomo, que é o que as células normais do corpo contêm). Para encontrar outra célula de levedura haplóide que esteja preparada para acasalar, as leveduras em brotamento secretam uma molécula sinalizadora chamada fator de acasalamento. Quando o fator de acasalamento se liga aos receptores da superfície celular em outras células de levedura próximas, elas interrompem seus ciclos normais de crescimento e iniciam uma cascata de sinalização celular que inclui proteínas quinases e proteínas de ligação ao GTP que são semelhantes às proteínas G.

Figura\(\PageIndex{1}\): As células de levedura Saccharomyces cerevisiae em brotamento podem se comunicar liberando uma molécula sinalizadora chamada fator de acasalamento. Nesta micrografia, eles são visualizados usando microscopia de contraste de interferência diferencial, uma técnica de microscopia de luz que melhora o contraste da amostra.

Sinalização em bactérias

A sinalização em bactérias permite que as bactérias monitorem as condições extracelulares, assegurem que haja quantidades suficientes de nutrientes e garantam que situações perigosas sejam evitadas. Há circunstâncias, no entanto, em que as bactérias se comunicam umas com as outras.

A primeira evidência de comunicação bacteriana foi observada em uma bactéria que tem uma relação simbiótica com a lula bobtail havaiana. Quando a densidade populacional da bactéria atinge um determinado nível, a expressão gênica específica é iniciada e a bactéria produz proteínas bioluminescentes que emitem luz. Como o número de células presentes no ambiente (densidade celular) é o fator determinante para a sinalização, a sinalização bacteriana foi chamada de sensoriamento de quórum. Na política e nos negócios, um quórum é o número mínimo de membros que precisam estar presentes para votar em um assunto.

A detecção de quórum usa autoindutores como moléculas sinalizadoras. Autoindutores são moléculas sinalizadoras secretadas por bactérias para se comunicarem com outras bactérias do mesmo tipo. Os autoindutores secretados podem ser moléculas hidrofóbicas pequenas, como acil-homoserina lactona (AHL) ou moléculas maiores à base de peptídeos; cada tipo de molécula tem um modo de ação diferente. Quando o AHL entra na bactéria-alvo, ele se liga aos fatores de transcrição, que então ativam ou desativam a expressão gênica (Figura\(\PageIndex{2}\)). Os autoindutores peptídicos estimulam vias de sinalização mais complicadas que incluem quinases bacterianas. As alterações nas bactérias após a exposição a autoindutores podem ser bastante extensas. A bactéria patogênica Pseudomonas aeruginosa tem 616 genes diferentes que respondem aos autoindutores.

Conexão artística

Figura\(\PageIndex{2}\): Os autoindutores são pequenas moléculas ou proteínas produzidas por bactérias que regulam a expressão gênica.

Qual das seguintes afirmações sobre detecção de quórum é falsa?

1. O autoindutor deve se ligar ao receptor para ativar a transcrição de genes responsáveis pela produção de mais autoindutores.
2. O receptor permanece na célula bacteriana, mas o autoindutor se difunde.
3. O autoindutor só pode atuar em uma célula diferente: não pode atuar na célula em que é feito.
4. O autoindutor ativa genes que permitem que a bactéria forme um biofilme.

Algumas espécies de bactérias que usam o sensor de quórum formam biofilmes, colônias complexas de bactérias (geralmente contendo várias espécies) que trocam sinais químicos para coordenar a liberação de toxinas que atacarão o hospedeiro. Às vezes, biofilmes bacterianos (Figura\(\PageIndex{3}\)) podem ser encontrados em equipamentos médicos; quando os biofilmes invadem implantes, como próteses de quadril, joelho ou marcapassos cardíacos, eles podem causar infecções fatais.

Conexão artística

Figura\(\PageIndex{3}\): A comunicação célula-célula permite que essas (a) bactérias Staphylococcus aureus trabalhem juntas para formar um biofilme dentro do cateter de um paciente hospitalar, visto aqui por meio de microscopia eletrônica de varredura. S. aureus é a principal causa de infecções adquiridas em hospitais. (b) A lula bobtail havaiana tem uma relação simbiótica com a bactéria bioluminescente Vibrio fischeri. A luminescência dificulta a visualização da lula de baixo porque elimina efetivamente sua sombra. Em troca da camuflagem, a lula fornece alimento para a bactéria. V. fischeri de vida livre não produz luciferase, a enzima responsável pela luminescência, mas V. fischeri, que vive em uma relação simbiótica com a lula, sim. A detecção de quórum determina se a bactéria deve produzir a enzima luciferase. (crédito a: modificações do trabalho do CDC/Janice Carr; crédito b: modificações do trabalho de Cliff1066/Flickr)

Que vantagem a produção de biofilme pode conferir ao S. aureus dentro do cateter?

Pesquisas sobre os detalhes da detecção de quórum levaram a avanços no cultivo de bactérias para fins industriais. Descobertas recentes sugerem que pode ser possível explorar as vias de sinalização bacteriana para controlar o crescimento bacteriano; esse processo pode substituir ou complementar antibióticos que não são mais eficazes em determinadas situações.

Link para o aprendizado

Veja a geneticista Bonnie Bassler discutir sua descoberta do sensor de quórum em bactérias de biofilme em lulas.

Evolution Connection: Comunicação celular em leveduras

A primeira vida em nosso planeta consistia em organismos procarióticos unicelulares que tinham interação limitada entre si. Embora alguma sinalização externa ocorra entre diferentes espécies de organismos unicelulares, a maioria da sinalização dentro de bactérias e leveduras diz respeito apenas a outros membros da mesma espécie. A evolução da comunicação celular é uma necessidade absoluta para o desenvolvimento de organismos multicelulares, e acredita-se que essa inovação tenha exigido aproximadamente 2,5 bilhões de anos para aparecer em formas precoces de vida.

As leveduras são eucariotos unicelulares e, portanto, têm um núcleo e organelas característicos de formas de vida mais complexas. Comparações de genomas de leveduras, vermes nematóides, moscas-das-frutas e humanos ilustram a evolução de sistemas de sinalização cada vez mais complexos que permitem o funcionamento interno eficiente que mantém humanos e outras formas de vida complexas funcionando corretamente.

As quinases são um componente importante da comunicação celular, e estudos dessas enzimas ilustram a conectividade evolutiva de diferentes espécies. As leveduras têm 130 tipos de quinases. Organismos mais complexos, como vermes nematóides e moscas-das-frutas, têm 454 e 239 quinases, respectivamente. Dos 130 tipos de quinase em leveduras, 97 pertencem às 55 subfamílias de quinases encontradas em outros organismos eucarióticos. A única deficiência óbvia observada em leveduras é a ausência completa de tirosina quinases. Supõe-se que a fosforilação de resíduos de tirosina seja necessária para controlar as funções mais sofisticadas de desenvolvimento, diferenciação e comunicação celular usadas em organismos multicelulares.

Como as leveduras contêm muitas das mesmas classes de proteínas sinalizadoras que os humanos, esses organismos são ideais para estudar cascatas de sinalização. As leveduras se multiplicam rapidamente e são organismos muito mais simples do que humanos ou outros animais multicelulares. Portanto, as cascatas de sinalização também são mais simples e fáceis de estudar, embora contenham contrapartes semelhantes à sinalização humana. ¹

Link para o aprendizado

Assista a esta coleção de clipes de entrevistas com pesquisadores de biofilme em “O que são biofilmes bacterianos?”

Resumo

Leveduras e organismos multicelulares têm mecanismos de sinalização semelhantes. As leveduras usam receptores da superfície celular e cascatas de sinalização para comunicar informações sobre o acasalamento com outras células de levedura. A molécula sinalizadora secretada pelas leveduras é chamada de fator de acasalamento.

A sinalização bacteriana é chamada de detecção de quórum. As bactérias secretam moléculas sinalizadoras chamadas autoindutores que são moléculas pequenas e hidrofóbicas ou sinais baseados em peptídeos. Os autoindutores hidrofóbicos, como o AHL, se ligam aos fatores de transcrição e afetam diretamente a expressão gênica. As moléculas à base de peptídeos se ligam às quinases e iniciam cascatas de sinalização nas células.

Conexões artísticas

Figura\(\PageIndex{2}\): Qual das seguintes afirmações sobre detecção de quórum é falsa?

1. O autoindutor deve se ligar ao receptor para ativar a transcrição de genes responsáveis pela produção de mais autoindutores.
2. O receptor permanece na célula bacteriana, mas o autoindutor se difunde.
3. O autoindutor só pode atuar em uma célula diferente: não pode atuar na célula em que é feito.
4. O autoindutor ativa genes que permitem que a bactéria forme um biofilme.

Responda

C.

Figura\(\PageIndex{3}\): Que vantagem a produção de biofilme pode conferir ao S. aureus dentro do cateter?

Responda

S. aureus produz um biofilme porque a maior densidade celular no biofilme permite a formação de uma superfície densa que ajuda a proteger a bactéria dos antibióticos.

Notas de pé

1. 1 G. Manning, G.D. Plowman, T. Hunter, S. Sudarsanam, “Evolução da sinalização da proteína quinase da levedura para o homem”, Trends in Biochemical Sciences 27, nº 10 (2002): 514—520.

Glossário

autoindutor

molécula sinalizadora secretada por bactérias para se comunicar com outras bactérias de seu tipo e outras

fator de acasalamento

molécula sinalizadora secretada pelas células de levedura para comunicar às células de levedura próximas que elas estão disponíveis para acasalar e comunicar sua orientação de acasalamento

detecção de quórum

método de comunicação celular usado por bactérias que as informa sobre a abundância de bactérias similares (ou diferentes) no ambiente