Como as Bactérias se Adaptam às Mudanças de Temperatura

As bactérias conseguem mudar a forma como expressam seus genes pra se adaptar a diferentes ambientes. Essa adaptação é super importante pra sobrevivência delas. A maioria dos estudos sobre como os genes são regulados focou em organismos modelo como a Escherichia coli (E. coli). Mas o quanto a gente aprende com E. coli se aplica a outras bactérias relacionadas depende de quão parecidas essas bactérias são. As bactérias costumam adquirir novos genes através de um processo chamado Transferência Horizontal de Genes (HGT), que pode causar diferenças significativas na Expressão Gênica quando elas enfrentam mudanças no ambiente.

#Mudanças de Temperatura e Resposta Bacteriana

Uma das maiores dificuldades pra bactérias são as mudanças de temperatura. Quando as temperaturas caem, a estrutura das membranas celulares pode ficar rígida, proteínas e RNAs podem se dobrar de forma errada, e maquinário celular essencial, como ribossomos, pode falhar. Uma temperatura mais baixa pode indicar que as bactérias estão saindo de um ambiente quente do hospedeiro pra um mais frio do lado de fora.

Muita pesquisa foi feita sobre como a E. coli lida com temperaturas baixas. Vários fatores regulatórios, incluindo proteínas de choque frio e enzimas específicas, foram identificados como importantes pra gerenciar essa resposta. Quando a E. coli é movida de 37°C pra uma temperatura mais baixa, como 23°C, ela mostra mudanças significativas na expressão gênica, afetando cerca de 10% do seu genoma. Alguns desses reguladores globais da expressão gênica, como RpoS e H-NS, são vitais na forma como a E. coli lida com mudanças de temperatura.

#Respostas em Espécies Relacionadas

A resposta das bactérias relacionadas à E. coli, principalmente aquelas da família Enterobacteriaceae, a mudanças de temperatura não é tão bem estudada. Essa família inclui várias bactérias que se dão bem em ambientes de diferentes temperaturas, incluindo aquelas encontradas em hospedeiros de sangue quente, além de no solo, água e plantas. Dado que essas bactérias frequentemente enfrentam mudanças de temperatura, é crucial entender suas respostas regulatórias.

Apesar de já termos algum conhecimento sobre a E. coli, sabemos muito pouco sobre como a regulação gênica muda em diferentes espécies, incluindo a velocidade dessas mudanças. Dois aspectos principais influenciam a regulação gênica: os genes específicos presentes em cada espécie e como esses genes são regulados. Entender o equilíbrio entre esses fatores é essencial pra ter uma visão completa da evolução bacteriana.

#Visão Geral do Estudo

Neste estudo, olhamos pra cinco espécies da família Enterobacteriaceae e uma espécie relacionada pra ver como elas reagiram a uma queda de temperatura de 37°C pra 15°C. Esse cenário imita as bactérias saindo de um hospedeiro quente pra um ambiente mais frio. Usamos ferramentas genômicas pra identificar genes similares entre as espécies e medimos os padrões de expressão gênica usando Sequenciamento de RNA pra entender como essas espécies se adaptam a mudanças de temperatura.

#Conteúdo Gênico e Filogenia

Selecionamos seis cepas bacterianas pra este estudo: E. coli K-12, Salmonella enterica, Citrobacter rodentium, Enterobacter cloacae, Klebsiella pneumoniae e Serratia marcescens. Essas espécies têm genomas que contêm entre 3968 e 4709 genes codificadores de proteínas. Usando uma ferramenta chamada xenoGI, conseguimos analisar a história evolutiva desses genomas e categorizar seus genes em grupos com base nas semelhanças.

#Genes Compartilhados e Únicos

Uma descoberta importante foi que existem genes compartilhados entre todas as espécies estudadas, além de genes únicos de cada espécie. Identificamos 1838 genes como o Genoma Central, que é essencial para as seis bactérias. Esse genoma central representa cerca de 39% a 46% do total de genes de cada espécie. Por outro lado, os genes específicos de cada espécie variaram de 981 a 1872, representando aproximadamente 24% a 47% do total de genes.

#Resposta à Mudança de Temperatura

Pra examinar como essas espécies responderam à queda de temperatura, cultivamos elas a 37°C e depois mudamos pra 15°C. Todas as espécies inicialmente entraram em uma fase de latência, mas retomaram o crescimento em até três horas. Coletamos amostras pra sequenciamento de RNA tanto antes quanto depois da mudança de temperatura pra medir as mudanças na expressão gênica.

#Resultados do Sequenciamento de RNA

Depois de analisar os dados de sequenciamento de RNA, encontramos que entre 626 e 1057 genes foram expressos diferencialmente (DE) entre as espécies após a mudança de temperatura. Isso equivale a 14% a 26% de todos os genes em cada genoma. No entanto, notamos uma falta de consistência em quais genes específicos foram expressos de forma diferente entre as espécies. Cada espécie teve muitos genes DE únicos, e apenas um pequeno número de genes foi DE em todas as espécies examinadas.

#Padrões de Expressão Diferencial

As diferenças observadas na expressão gênica após a mudança de temperatura foram principalmente devido a padrões específicos de cada espécie. Embora genes específicos de espécie tenham contribuído pra diversidade dos genes expressos diferencialmente, foram os genes compartilhados do núcleo que tiveram mais chances de serem expressos de forma diferencial.

#Análise Funcional dos Genes Expressos Diferencialmente

Pra entender melhor os genes DE, analisamos suas funções usando um sistema conhecido como Ontologia Genômica (GO) pra ver quais papéis esses genes desempenham. Embora algumas categorias funcionais, como metabolismo de ferro, tenham sido enriquecidas em várias espécies, a maioria dos termos de GO foi enriquecida apenas em espécies únicas.

#Metabolismo de Ferro

Uma área onde vimos alguma sobreposição foi em genes relacionados à aquisição e utilização de ferro. Como o ferro é frequentemente escasso nos ambientes hospedeiros, muitas bactérias desenvolveram estratégias pra consegui-lo, e várias espécies no nosso estudo mostraram uma regulação negativa semelhante desses genes em resposta à queda de temperatura.

#Respostas Específicas das Espécies

Enquanto encontramos algumas semelhanças nas respostas, uma parte significativa dos termos de GO era única pra cada espécie. Por exemplo, genes relacionados à montagem de ribossomos foram especificamente afetados na E. coli, o que sugere que essa espécie tem um mecanismo diferente pra lidar com temperaturas baixas em comparação com as demais.

#RpoS e Regulação Gênica

RpoS, uma proteína reguladora importante, desempenha um papel significativo em como a E. coli responde a temperaturas mais baixas. Comparamos os papéis do RpoS na E. coli e na S. enterica durante o crescimento a 15°C. Apesar de ambas as espécies produzirem RpoS em níveis semelhantes, os genes que ele regulava não eram tão conservados como esperado. Genes específicos eram regulados por RpoS em apenas uma das espécies, indicando divergência nos mecanismos regulatórios apesar da presença de proteínas semelhantes.

#Conclusão

No geral, nosso estudo mostrou que as bactérias respondem a mudanças de temperatura de 37°C pra 15°C alterando a expressão de muitos genes. No entanto, há uma conservação limitada nessas respostas, com as diferenças surgindo principalmente de padrões específicos de cada espécie na expressão gênica. Os genes compartilhados do núcleo entre as espécies tendem a ser mais propensos a serem expressos diferencialmente do que os genes específicos de cada espécie.

Essas descobertas sugerem que, enquanto a transferência horizontal de genes é crucial pra moldar os genomas bacterianos, as respostas transcricionais são mais influenciadas pelas mudanças evolutivas na regulação dos genes compartilhados. Pesquisas futuras devem explorar como essa divergência se manifesta em outras respostas a estresses ambientais e entre diferentes espécies de bactérias pra entender melhor toda a gama de estratégias de adaptação bacteriana.