Bactérias no intestino humano raramente atualizam seus sistemas de defesa CRISPR

Um novo estudo do microbioma descobriu que as bactérias intestinais interagem com muito menos frequência com vírus que desencadeiam atualizações de imunidade do que as bactérias de laboratório.

Dentro do trato digestivo humano há trilhões de bactérias de milhares de espécies diferentes. Essas bactérias formam comunidades que ajudam a digerir alimentos, afastam micróbios nocivos e desempenham muitos outros papéis na manutenção da saúde humana.

Essas bactérias podem ser vulneráveis ​​à infecção por vírus chamados bacteriófagos. Uma das defesas mais conhecidas das células bacterianas contra esses vírus é o sistema CRISPR, que evoluiu em bactérias para ajudá-las a reconhecer e cortar o DNA viral.

Um estudo de engenheiros biológicos do MIT produziu novos insights sobre como as bactérias no microbioma intestinal adaptam suas defesas CRISPR conforme encontram novas ameaças. Os pesquisadores descobriram que, enquanto as bactérias cultivadas em laboratório podem incorporar novas sequências de reconhecimento viral tão rapidamente quanto uma vez por dia, as bactérias que vivem no intestino humano adicionam novas sequências a uma taxa muito mais lenta — em média, uma a cada três anos.

As descobertas sugerem que o ambiente dentro do trato digestivo oferece muito menos oportunidades para bactérias e bacteriófagos interagirem do que no laboratório, então as bactérias não precisam atualizar suas defesas CRISPR com muita frequência. Também levanta a questão se as bactérias têm sistemas de defesa mais importantes do que o CRISPR.

“Essa descoberta é significativa porque usamos terapias baseadas em microbioma, como transplante de microbiota fecal, para ajudar a tratar algumas doenças, mas a eficácia é inconsistente porque novos micróbios nem sempre sobrevivem em pacientes. Aprender sobre defesas microbianas contra vírus nos ajuda a entender o que torna uma comunidade microbiana forte e saudável”, diz An-Ni Zhang, ex-pós-doutorado do MIT que agora é professor assistente na Universidade Tecnológica de Nanyang.

Zhang é o autor principal do estudo, que aparece hoje no periódico Cell Genomics . Eric Alm, diretor do Center for Microbiome Informatics and Therapeutics do MIT, professor de engenharia biológica e de engenharia civil e ambiental no MIT, e membro do Broad Institute do MIT e Harvard, é o autor sênior do artigo.

Exposição pouco frequente

Em bactérias, o CRISPR serve como uma resposta imune de memória. Quando as bactérias encontram DNA viral, elas podem incorporar parte da sequência em seu próprio DNA. Então, se o vírus for encontrado novamente, essa sequência produz um RNA guia que direciona uma enzima chamada Cas9 para cortar o DNA viral, prevenindo a infecção.

Essas sequências específicas do vírus são chamadas espaçadores, e uma única célula bacteriana pode carregar mais de 200 espaçadores. Essas sequências podem ser passadas para a prole, e também podem ser compartilhadas com outras células bacterianas por meio de um processo chamado transferência horizontal de genes.

Estudos anteriores descobriram que a aquisição do espaçador ocorre muito rapidamente no laboratório, mas o processo parece ser mais lento em ambientes naturais. No novo estudo, a equipe do MIT queria explorar com que frequência esse processo acontece em bactérias no intestino humano.

“Estávamos interessados ​​em quão rápido esse sistema CRISPR muda seus espaçadores, especificamente no microbioma intestinal, para entender melhor as interações bactéria-vírus dentro do nosso corpo”, diz Zhang. “Queríamos identificar os parâmetros-chave que impactam a escala de tempo dessa atualização de imunidade.”

Para fazer isso, os pesquisadores observaram como as sequências CRISPR mudaram ao longo do tempo em dois conjuntos de dados diferentes obtidos por sequenciamento de micróbios do trato digestivo humano. Um desses conjuntos de dados continha 6.275 sequências genômicas representando 52 espécies bacterianas, e o outro continha 388 “metagenomas” longitudinais, ou seja, sequências de muitos micróbios encontrados em uma amostra, retirada de quatro pessoas saudáveis.

“Ao analisar esses dois conjuntos de dados, descobrimos que a aquisição de espaçadores é muito lenta no microbioma intestinal humano: em média, levaria de 2,7 a 2,9 anos para uma espécie bacteriana adquirir um único espaçador em nosso intestino, o que é super surpreendente porque nosso intestino é desafiado por vírus quase todos os dias do próprio microbioma e em nossa comida”, diz Zhang.

Os pesquisadores então construíram um modelo computacional para ajudá-los a descobrir por que a taxa de aquisição era tão lenta. Esta análise mostrou que os espaçadores são adquiridos mais rapidamente quando as bactérias vivem em populações de alta densidade. No entanto, o trato digestivo humano é diluído várias vezes ao dia, sempre que uma refeição é consumida. Isso elimina algumas bactérias e vírus e mantém a densidade geral baixa, tornando menos provável que os micróbios encontrem um vírus que possa infectá-los.

Outro fator pode ser a distribuição espacial dos micróbios, que os pesquisadores acreditam impedir que algumas bactérias encontrem vírus com muita frequência.

“Às vezes, uma população de bactérias pode nunca ou raramente encontrar um fago porque as bactérias estão mais próximas do epitélio na camada de muco e mais distantes de uma possível exposição a vírus”, diz Zhang.

Interações bacterianas

Entre as populações de bactérias que estudaram, os pesquisadores identificaram uma espécie — Bifidobacteria longum — que havia ganhado espaçadores muito mais recentemente do que outras. Os pesquisadores descobriram que, em amostras de pessoas não relacionadas, vivendo em continentes diferentes, B. longum havia adquirido recentemente até seis espaçadores diferentes visando dois bacteriófagos Bifidobacteria  diferentes .

Essa aquisição foi impulsionada pela transferência horizontal de genes — um processo que permite que bactérias ganhem novo material genético de seus vizinhos. As descobertas sugerem que pode haver pressão evolutiva sobre B. longum desses dois vírus.

“Tem sido altamente negligenciado o quanto a transferência horizontal de genes contribui para essa dinâmica. Dentro de comunidades de bactérias, as interações bactéria-bactéria podem ser um dos principais contribuintes para o desenvolvimento de resistência viral”, diz Zhang.

Analisar as defesas imunológicas dos micróbios pode oferecer uma maneira para os cientistas desenvolverem tratamentos direcionados que serão mais eficazes em um paciente em particular, dizem os pesquisadores. Por exemplo, eles poderiam projetar micróbios terapêuticos que são capazes de afastar os tipos de bacteriófagos que são mais prevalentes no microbioma daquela pessoa, o que aumentaria as chances de que o tratamento fosse bem-sucedido.

“Uma coisa que podemos fazer é estudar a composição viral nos pacientes e, então, podemos identificar quais espécies ou cepas do microbioma são mais capazes de resistir a esses vírus locais em uma pessoa”, diz Zhang.

A pesquisa foi financiada, em parte, pelo Broad Institute e pela Thomas and Stacey Siebel Foundation.