Os resultados, publicados na revista Nature Microbiology, podem levar ao desenvolvimento de novas terapias para infecções bacterianas – especialmente importante, considerando que infecções resistentes a medicamentos já resultam na morte de mais de um milhão de pessoas anualmente.

As polimixinas foram descobertas há mais de 80 anos e são utilizadas como tratamento de última linha para infecções causadas por bactérias “Gram negativas”. Essas bactérias possuem uma camada externa que funciona como uma armadura, impedindo que determinados antibióticos atravessem a célula. Embora as polimixinas sejam conhecidas por atingir essa camada exterior, o mecanismo pelo qual elas a quebram e, em seguida, eliminam as bactérias ainda não estava claro.

No novo estudo, a equipe de pesquisa revelou, por meio de imagens de alta resolução e experimentos bioquímicos, como o antibiótico Polimixina B rapidamente provocou protuberâncias e saliências na superfície de uma célula bacteriana de E. coli.

Essas projeções, que surgiram em poucos minutos, foram seguidas pela rápida perda da armadura externa da bactéria.

Os pesquisadores concluíram que o antibiótico havia induzido as células a produzir e descartar sua armadura. Quanto mais a célula tentava gerar nova proteção, mais ela perdia a que estava produzindo, em uma velocidade tal que gerava lacunas em suas defesas, permitindo a entrada do antibiótico na célula e levando à sua morte.

No entanto, a equipe descobriu que esse processo – a formação de protuberâncias, a produção rápida e a perda de armadura, e a morte celular – ocorria apenas quando a célula estava ativa. Em bactérias dormentes (inativas), a produção de armadura é desativada, tornando o antibiótico ineficaz.

O co-autoresênior Dr. Andrew Edwards, do Imperial, comentou: “Durante décadas, acreditamos que antibióticos que visam a armadura bacteriana eram capazes de eliminar os microrganismos em qualquer estado, seja durante a replicação ativa ou em estado dormente. Mas isso não é verdade. Ao capturar essas imagens impressionantes de células individuais, conseguimos demonstrar que essa classe de antibióticos precisa da ajuda da bactéria, e se as células entram em um estado semelhante à hibernação, os medicamentos perdem sua eficácia – o que é bastante surpreendente.”

A capacidade de entrar em estado dormente permite que as bactérias sobrevivam a condições adversas, como a falta de alimento. Elas podem permanecer dormentes por muitos anos e “acordar” quando as condições se tornam mais favoráveis. Isso pode permitir que as bactérias sobrevivam a antibióticos e reentrem em ação para causar infecções recorrentes no organismo.

O co-autoresênior Professor Bart Hoogenboom, do London Centre for Nanotechnology da UCL, afirmou: “As polimixinas são uma linha de defesa crucial contra bactérias Gram-negativas, que causam muitas infecções resistentes a medicamentos. É fundamental entendermos seu funcionamento.”

“Nosso próximo desafio é utilizar essas descobertas para tornar os antibióticos mais eficazes. Uma estratégia pode ser combinar o tratamento com polimixina – de forma contra-intuitiva – com terapias que incentivem a produção de armadura e/ou reativem bactérias dormentes, para que essas células também possam ser eliminadas.”

“Nosso trabalho também ressalta a importância de considerar em que estado as bactérias se encontram ao avaliarmos a eficácia dos antibióticos.”

As células de E. coli foram analisadas no London Centre for Nanotechnology da UCL. Uma agulha diminuta, com apenas alguns nanômetros de largura, foi movimentada sobre a célula bacteriana, “percebendo” a forma para criar uma imagem (uma técnica chamada microscopia de força atômica) com uma resolução muito superior ao que seria possível com luz.

A co-autora Carolina Borrelli, uma estudante de doutorado do London Centre for Nanotechnology da UCL, disse: “Foi incrível observar o efeito do antibiótico na superfície bacteriana em tempo real. Nossas imagens das bactérias mostram claramente o quanto as polimixinas podem comprometer a armadura bacteriana. É como se a célula fosse forçada a produzir ‘tijolos’ para sua parede externa a uma taxa tão alta que essa parede se tornasse perturbada, permitindo que o antibiótico infiltrasse.”

A equipe comparou como as células ativas (crescendo) e inativas de E. coli reagiram à polimixina B em laboratório, constatando que o antibiótico eliminava de maneira eficiente as células ativas, mas não matava as dormentes.

Os pesquisadores também testaram a resposta das células de E. coli com e sem acesso a açúcar (uma fonte de alimento que “desperta” células dormentes). Quando o açúcar estava presente, o antibiótico eliminava células que antes estavam dormentes, mas apenas após um atraso de 15 minutos – o tempo necessário para que as bactérias consumissem o açúcar e recomeçassem a produção de sua armadura externa.

Em condições em que o antibiótico foi eficaz, os pesquisadores detectaram uma maior liberação de armadura pelas bactérias. Eles também observaram as saliências se formando na superfície da célula.

Por outro lado, em condições onde o antibiótico não teve efeito, ele se ligou à membrana externa, mas causou poucos danos.

A co-autora Dr. Ed Douglas, do Imperial, relatou: “Observamos que a interrupção da armadura mais externa das bactérias ocorreu apenas quando as bactérias estavam consumindo açúcar. Assim que percebemos isso, pudemos rapidamente compreender o que estava acontecendo.”

O co-autores Professor Boyan Bonev, da Universidade de Nottingham, destacou: “A colaboração entre nós proporcionou insights únicos sobre a fisiologia e morfologia bacteriana sob estresse que estiveram ocultos por décadas. Agora entendemos melhor os pontos fracos das bactérias.”

Este trabalho foi financiado pelo Conselho de Pesquisa em Biotecnologia e Ciências Biológicas (BBSRC) e pelo Conselho de Pesquisa em Ciências de Engenharia e Física (EPSRC), partes do UK Research and Innovation, e pela Wellcome.