A Terra e seus Recursos 27 de julho de 2022, 11:25 27/07/2022

Os verdadeiros super-heróis: os micro-organismos que resistem a tudo!

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Jovens revisores

Resumo

Você sabia que micro-organismos podem viver bem no alto, nas nuvens, e bem embaixo, sob a crosta terrestre? Esses organismos minúsculos se adaptaram a todos os habitats especiais da Terra. Para estudar os habitats especiais, os cientistas observam os micro-organismos e as suas reações biológicas, ou componentes não vivos, como minerais e reações químicas. Contudo, pode ser difícil distinguir entre ambos! Uma vez que se cinhecia pouca coisa sobre a melhor maneira para remover micro-organismos de amostras ambientais sem que as propriedades não vivas dessas amostras se alterassem, decidimos realizar um experimento para aprender um pouco mais. Expusemos sedimentos marinhos a três diferentes métodos de esterilização a fim de descobrir qual deles era mais eficiente em eliminar micro-organismos. Também investigamos se os três métodos afetavam as propriedades químicas de nossas amostras. Constatamos que é difícil criar condições de esterilização porque alguns micro-organismos conseguem sobreviver a altas pressões, a altas temperaturas, à radiação e a substâncias químicas tóxicas!

Os micro-organismos podem viver em todos os lugares!

Os micro-organismos são as formas de vida mais antigas em nosso planeta. E também as menores! A palavra “micro-organismo” se refere a um grupo variado de organismos unicelulares, inclusive bactérias, arqueias, alguns fungos, algas, protozoários e vírus. Devido a seu tamanho minúsculo, esses organismos só podem ser vistos ao microscópio. Vivem em nosso estômago e em nossa pele, mas em outras partes também: das regiões mais profundas da crosta terrestre até as nuvens mais altas. Alguns chegam a viver no gelo da Antártida, em rochas vulcânicas de 3,5 bilhões de anos e mesmo em fontes termais (Figura 1A). São encontrados em temperaturas extremas, quentes ou frias, na densa salinidade do Mar Morto, na radiação violenta dos reatores nucleares, nas altas pressões das profundidades marinhas, na secura absoluta dos desertos  e em lagos de natureza ácida ou básica. Muitas dessas condições extremas são tóxicas para a maioria das formas vivas, mas as bactérias evoluíram de modo a conseguir resistir a elas e sobreviver.

Figura 1. (A) Os micro-organismos podem sobreviver em qualquer parte de nosso planeta, mesmo em locais de condições extremas como a crosta profunda da Terra, praticamente sem água e sob grande pressão ou em ambientes antes considerados completamente estéreis como o recinto higienizado da NASA, o mais limpo de nosso planeta, mas que ainda assim contém traços de micróbios.
(B) Os micro-organismos que vivem em ambientes extremos elaboraram diversas estratégias de sobrevivência fascinantes.

Segredos de sobrevivência de micro-organismos que vivem em condições extremas

Os micro-organismos elaboraram diversas estratégias de sobrevivência fascinantes para poder sobreviver em habitats extremos (Figura 1B). Vamos explicar algumas delas.

Flexibilidade metabólica

Muitos micróbios desenvolveram a capacidade de substituir os alimentos que ingerem, dependendo das disponibilidades. Alguns conseguem até adaptar seu metabolismo a condições novas, como o calor ou o frio [1].

Dormência

Quando as condições são desfavoráveis, alguns micro-organismos podem entrar no estado de dormência, que lembra o “modo de suspensão”. Eles desaceleram seu metabolismo, passando a comer e a crescer menos até que as condições voltem a ser favoráveis.

Esporos

Em condições desfavoráveis, alguns micro-organismos formam um “cobertor” em volta de si mesmos, feito de proteínas especiais. Essas formas de proteção chamam-se esporos e podem ajudar um micro-organismo a sobreviver por milhares de anos em condições difíceis!

Mecanismos de reparo

Condições extremas podem danificar o material genético dos micro-organismos. Esse material inclui DNA e RNA, os chamados ácidos nucleicos. Alguns micro-organismos desenvolveram mecanismos de reparo especiais para corrigir o dano ao ácido nucleico.

Resistência ao calor

Alguns micro-organismos possuem proteínas e lipídios especiais que os protegem de temperaturas muito altas. Os prefixos gregos termo- e pyro- nos indicam que os chamados termomicro-organismos e piromicro-organismos podem viver junto ao calor e ao fogo.

Resistência à radiação

Os raios gama são um tipo de radiação produzida pelo decaimento de um material radiativo. Como podem penetrar tecidos e células, são muito perigosos para a maioria dos organismos. Alguns micro-organismos produzem pigmentos especiais que servem como escudo protetor contra esses raios. Além de resistentes à radiação, contêm múltiplas cópias de sua informação genética, o que os ajuda a sobreviver quando uma cópia é danificada pela radiação.

Qual é a melhor maneira de matar micro-organismos?

Os micro-organismos exercem um enorme impacto em nosso ambiente: tornam possível a vida na Terra. Alguns habitats microbianos ainda não foram bem estudados. Por exemplo, 95% do oceano ainda são quase desconhecidos. Isso significa que os exploradores dos habitats marinhos têm muito trabalho a fazer! Quando eles estudam amostras do ambiente, querem descobrir se os processos que nelas ocorrem são processos biológicos (isto é, conduzidos pela atividade biológica de micro-organismos vivos) ou processos geoquímicos (conduzidos por reações químicas abióticas, sem a interferência de organismos vivos) (Figura 2A). Uma das maneiras de saber que tipos de processo estão ocorrendo é eliminar todos os micro-organismos da amostra ambiental para que os processos geoquímicos possam ser estudados isoladamente. Esterilização é o ato de eliminar todos os micro-organismos de uma amostra (Figura 2B) [2].

Figura 2. (A) Em sedimentos ambientais, ocorrem processos biológicos mediados, por exemplo, por micro-organismos e processos geoquímicos com uso de produtos químicos. (B) Os cientistas esterilizam amostras ambientais a fim de estudar suas propriedades químicas sem a interferência das reações biológicas de micro-organismos. Alguns métodos de esterilização incluem: autoclavagem, radiação com raios gama ou tratamento com substâncias químicas tóxicas. (C) A eficácia dos métodos de esterilização pode ser determinada pela medição de fatores biológicos como o crescimento de micro-organismos em placas de ágar, produtividade (consumo de aminoácidos, digestão e formação de biomassa) e presença de ácidos nucleicos. A esterilização pode afetar também as propriedades geoquímicas da amostra, fazendo com que os minerais nela presentes se alterem ou facilitem a liberação de certas substâncias. 

Para investigar a fundo os processos geoquímicos é preciso que eles não sejam afetados pelo método de esterilização usado nas amostras. Antes de nosso experimento, não se sabia ao certo se os métodos de esterilização mudam as propriedades geoquímicas das amostras ambientais. Portanto, decidimos estudar os efeitos das técnicas de esterilização comumente usadas em sedimentos marinhos. Logo descobrimos que esse problema não era tão simples quanto parecia!

Como provar que uma amostra ambiental está esterilizada?

O que significa, exatamente, “esterilizado”? Por definição, significa que algo está totalmente limpo e livre de micro-organismos vivos. Quando queremos removê-los de nossas amostras experimentais, precisamos decidir de que modo faremos o teste para detectar sua presença. Como saber se os micro-organismos estão vivos? Propriedades bastante conhecidas de células vivas incluem uma estrutura celular organizada, uma membrana celular intacta, a capacidade de responder a estímulos como substâncias químicas ou luz, e o potencial para crescer e reproduzir-se. Conseguimos avaliar facilmente algumas dessas propriedades em laboratório (Figura 2C). Constatamos a reprodução de micro-organismos contando o número de células vivas ao microscópio ou cultivando-os em receptáculos chamados placas de ágar, que contêm alimento rico em nutrientes. E calculamos a produtividade microbiana, o que significa acompanhar a atividade de micróbios em laboratório, quantificando o que os micro-organismos estão comendo, digerindo e produzindo. Por exemplo, podemos avaliar a quantidade de aminoácidos que os micro-organismos ingerem enquanto produzem biomassa para crescer. Existem também técnicas laboratoriais para calcular a quantidade de ácidos nucleicos (RNA e DNA) numa amostra a fim de obter informação sobre aquela comunidade microbiana e quais micro-organismos estão ativos.

Nosso estudo com sedimento marinho

Para determinar o método mais eficaz de esterilização de amostras de sedimento, avaliamos os impactos de vários deles na esterilização de sedimento marinho. Equipados com botas de borracha, luvas, pás e baldes, nossa equipe de pesquisa coletou sedimentos marinhos na Dinamarca, junto à costa do Mar Báltico. Esterilizamos essas amostras empregando três métodos: autoclavagem, em que o material é exposto a uma temperatura elevada (121ºC) e a uma pressão alta; dose significativa de radiação gama e concentração densa da substância química chamada azida de sódio (Figura 2B) [2].

Após os tratamentos de esterilização, procuramos detectar a presença de micro-organismos nas amostras contando-os diretamente em placas de ágar, medindo quanto cresciam e calculando a quantidade de ácidos nucleicos presentes. Tomamos essas medidas logo após a esterilização e de novo duas semanas depois. Determinamos também as propriedades geoquímicas das amostras para descobrir se elas haviam liberado substâncias ou se ocorreram mudanças nos minerais devidas aos processos de esterilização (Figura 2C). 

Ácidos nucleicos continuam presentes em amostras esterilizadas!

Para nossa surpresa, ainda encontramos ácidos nucleicos imediatamente depois de todos os procedimentos de esterilização (Figura 3A) [2]. Já sabemos que o DNA de micro-organismos mortos pode persistir em sedimentos oceânicos por semanas ou anos [3]. O RNA é normalmente encontrado sobretudo em comunidades microbianas vivas, mas há indícios de que ele também persiste muito depois da morte dos organismos e é mais estável em sedimentos oceânicos do que se presumia [3]. Os ácidos nucleicos podem ser cortados por proteínas especiais chamadas enzimas, que agem como tesouras moleculares. Feita a esterilização por autoclavagem, vimos que as enzimas cortadoras de DNA ainda estavam trabalhando porque a quantidade de DNA se reduziu após duas semanas. Substâncias químicas como a azida de sódio não afetam a maioria das enzimas cortadoras de ácido nucleico, como se vê pela degradação de DNA e RNA naquelas amostras depois de duas semanas. Nas amostras submetidas a raios gama, porém, baixos níveis de RNA ainda estavam presentes após duas semanas. Pode ser que as enzimas cortadoras de RNA tivessem sido danificadas pela radiação e já não conseguissem degradar o RNA. A presença de ácidos nucleicos significará então que as amostras estão esterilizadas ou não?

Figura 3. (A) Técnicas de esterilização comuns foram testadas para avaliarmos seus efeitos em amostras ambientais e micro-organismos. A autoclavagem foi a mais eficiente na remoção de todos os traços de micro-organismos; a azida de sódio, menos. Entretanto, a autoclavagem provocou mais alterações na amostra ambiental, sobretudo duas semanas após a esterilização. (B) Os micro-organismos possuem uma “armadura” especial que os ajuda a sobreviver a tudo, inclusive temperaturas elevadas, doses altas de raios gama e densas concentrações de substâncias químicas. Com base em outros estudos, sabemos que os micro-organismos podem sobreviver também em presença de pH alto e baixo, sob pressão, no vácuo, sob luz UV, em alta salinidade e outras condições difíceis.

Micro-organismos sobreviveram, minerais foram alterados, substâncias foram liberadas

A autoclavagem é muito usada para esterilização porque inativa a maioria dos fungos e protozoários. Todavia, muitas bactérias e arqueias sobreviveram a esse método em nosso experimento (Figura 3A) [2]. Além disso, a autoclavagem alterou os minerais em nossas amostras de sedimentos e provocou a liberação de diferentes tipos de substâncias. A esterilização por radiação gama eliminou a maioria dos micro-organismos, mas também provocou a liberação de substâncias das amostras de sedimentos e alterou minerais (Figura 3A) [2]. Portanto, a autoclavagem e a radiação não devem ser os melhores métodos de esterilização para uso em amostras ambientais, já que mudam suas propriedades geoquímicas. A azida de sódio matou apenas uma pequena quantidade de micro-organismos, mas inibiu seu crescimento no prazo de duas semanas [2, 4]. A azida de sódio não influiu na liberação de substâncias de nossas amostras nem alterou os minerais nelas presentes.

Mensagem final: os micróbios resistem a tudo!

A fim de distinguir com precisão processos biológicos de processos geoquímicos em amostras ambientais, devemos empregar o método mais eficiente de esterilização. Porém, cada um deles parece ter desvantagens, de modo que os pesquisadores precisam fazer sua escolha a dependender das perguntas a que a pesquisa pretende responder. A autoclavagem deve ser usada em estudos sobre propriedades biológicas, enquanto as substâncias químicas e a radiação gama parecem melhores para esterilizar amostras a serem analisadas por suas propriedades geoquímicas.

Nossos experimentos deixaram claro que os micro-organismos são heróis invisíveis, muito mais fortes do que pensávamos (Figura 3B)! Sua capacidade de sobrevivência é extraordinária, mas dificulta para os cientistas o estudo das propriedades geoquímicas de sedimentos marinhos ou outros habitats. Como os micro-organismos podem sobreviver a praticamente toda condição desafiadora que enfrentam, inclusive temperatura elevada, pressão extrema, radiação forte e substâncias tóxicas, é difícil remover todos os seus traços das amostras ambientais. Também é problemático escolher os métodos de esterilização adequados porque alguns deles podem, além de tudo, afetar as propriedades geoquímicas da amostra. Nossos resultados demonstram que os seres vivos, em especial os micro-organismos, estão intimamente ligados a seus ambientes. Micro-organismos e ambientes se influenciam o tempo todo de maneira complicada, mas que torna possível a vida na Terra!

Glossário

Metabolismo: Todos os processos bioquímicos que mantêm a vida em um organismo. Em palavras mais simples, metabolismo é a soma dos processos de comer, beber, digerir e crescer.

Dormência: Aquilo que ocorre quando os micro-organismos interrompem seu metabolismo, isto é, quando mergulham em sono profundo e seu crescimento, desenvolvimento físico e atividades ficam temporariamente suspensos.

Esporo: Estado no qual os micro-organismos conseguem sobreviver por longo tempo em condições adversas. Eles se envolvem em um “cobertor” especial, parecido com uma semente de planta.

Ácidos nucleicos: Moléculas complexas que armazenam informação genética. Há dois tipos: DNA e RNA. O DNA revela a presença de micro-organismos e o RNA pode mostrar se estes estão ativos.

Processos biológicos: Todos os processos que ocorrem nos organismos vivos.

Processos geoquímicos: Todos os processos que ocorrem no ambiente, acionados apenas por reações químicas.

Esterilização: Processo que mata, remove ou desativa micro-organismos.

Autoclavagem: Instrumento que aplica calor e pressão a fim de matar micro-organismos.

Fonte original do artigo:

Otte, J. M., Blackwell, N., Soos, V., Rughöft, S., Maisch, M., Kappler, K. et al. 2018. “Sterilization impacts on marine sediment – are we able to inactivate microorganisms in environmental samples?” FEMS Microbiol. Ecol. 94:12. DOI: 10.1093/femsec/fiy189.

Referências

[1] Otte, J. M., Harter, J., Laufer, K., Blackwell, N., Kappler, A. e Kleindienst, S. 2018. “The distribution of active iron cycling bacteria in marine and freshwater sediments is decoupled from geochemical gradients.” Environ. Microbiol. 20:2483–99. DOI: 10.1111/1462-2920.14260.

[2] Otte, J. M., Blackwell, N., Soos, V., Rughöft, S., Maisch, M., Kappler, K. et al. 2018. “Sterilization impacts on marine sediment – are we able to inactivate microorganisms in environmental samples?”  FEMS Microbiol. Ecol. 94:12. DOI: 10.1093/femsec/fiy189.

[3] Torti, A., Lever, M. A. e Jørgensen, B. B. 2015. “Origin, dynamics, and implications of extracellular DNA pools in marine sediments.” Mar. Genomics 24:185–96. DOI: 10.1016/j.margen.2015.08.007.

[4] Bore, K. E., Apostel, C., Halicki, S., Kuzyakov, Y. e Dippold, M. A. 2017. “Soil microorganisms can overcome respiration inhibition by coupling intra- and extracellular metabolism:13C metabolic tracing reveals the mechanisms.” ISME J. 6:1423–33. DOI: 10.1038/ismej.2017.3.

Citação

Otte, J. e Laufer-Meiser, K. (2021). “The true superheroes: microorganisms survive it all!”. Front. Young Minds. 9:567078. DOI: 10.3389/frym.2021.567078.

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