Sistema imunológico bacteriano molda microbiomas

As defesas imunológicas das bactérias não apenas protegem contra vírus e plasmídeos invasores. Elas também determinam quem vive, quem evolui e como se organizam comunidades inteiras de microrganismos. A constatação, apresentada por um grupo internacional de pesquisadores, amplia o entendimento sobre o papel ecológico dos sistemas imunológicos bacterianos nos microbiomas.

Esses sistemas atuam contra elementos genéticos móveis (MGEs, na sigla em inglês), como fagos e plasmídeos. A nova análise propõe que a dinâmica entre MGEs e sistemas de defesa define a composição e as funções de comunidades bacterianas em diferentes ecossistemas.

Defesas moldam o ecossistema

Bactérias convivem em comunidades complexas, essenciais para processos como o ciclo do carbono, a fixação de nitrogênio e a decomposição de matéria orgânica. Nesses ambientes, MGEs promovem troca genética e adaptação rápida. Porém, muitos desses elementos são parasitas, e sua propagação impõe riscos. Para contê-los, bactérias desenvolveram dezenas de mecanismos de defesa, como CRISPR-Cas e sistemas de modificação por restrição (RM).

Estudos recentes já catalogaram mais de 150 famílias distintas de sistemas imunológicos bacterianos. Em média, cada genoma bacteriano carrega de cinco a seis desses sistemas. Essa diversidade permite resistência em múltiplas camadas e atua como um filtro seletivo para MGEs que circulam na comunidade.

Interação complexa com os MGEs

As defesas não atuam de maneira isolada. A presença de determinados sistemas imunológicos pode reduzir a diversidade de MGEs, mas também pode favorecer a permanência de elementos benéficos, como plasmídeos que conferem resistência a antibióticos.

Alguns MGEs evoluíram estratégias para inibir as defesas bacterianas. Plasmídeos, por exemplo, costumam carregar genes anti-imunes, capazes de inativar mecanismos de defesa assim que penetram na célula.

Além disso, o ambiente influencia o funcionamento dessas interações. Temperatura, presença de antibióticos e estrutura espacial da comunidade alteram a eficácia dos sistemas imunológicos e a capacidade de disseminação dos MGEs.

Barreiras à transferência gênica

Defesas bacterianas também regulam a transferência horizontal de genes (HGT). Sistemas como CRISPR-Cas e RM limitam a entrada de DNA estranho, atuando como barreiras genéticas. Em alguns casos, como em Pectobacterium atrosepticum, os sistemas CRISPR permitem a entrada seletiva de genes úteis enquanto bloqueiam fagos prejudiciais.

Isso cria uma partição no fluxo genético dentro das comunidades, influenciando diretamente a velocidade e o alcance da evolução microbiana.

Pressão seletiva no contexto comunitário

A composição da comunidade microbiana afeta a seleção de defesas. Em ambientes biodiversos, como o solo ou o intestino, há maior prevalência de sistemas imunológicos. Essa diversidade amplia a chamada "imunidade distribuída", em que diferentes cepas compartilham defesas por meio de transferência horizontal.

O modelo da "pan-imunidade" sugere que a imunidade de uma comunidade não reside em uma única célula, mas no conjunto do pan-genoma acessível via HGT. Esse fenômeno foi observado em Vibrio cholerae, onde fagos induzem a troca de genes de defesa entre bactérias.

Por outro lado, a manutenção dessas defesas impõe custos, como a autoimunidade. Esses custos variam conforme o ambiente e a composição da comunidade. Em alguns contextos, as bactérias perdem sistemas de defesa para manter a adaptação, como ocorre em ambientes com uso intensivo de antibióticos.

Além da proteção: MGEs como agentes ativos

Em uma reviravolta conceitual, o estudo mostra que MGEs também carregam seus próprios sistemas de defesa. Isso transforma os elementos genéticos móveis em agentes capazes de proteger seus interesses ao bloquear concorrentes. Alguns plasmídeos e fagos, por exemplo, codificam defesas contra outros MGEs, o que altera profundamente a dinâmica de infecção, competição e sobrevivência.

Os cientistas destacam a importância de modelos experimentais com múltiplas espécies e múltiplos MGEs. Esses sistemas sintéticos permitirão entender como defesas e MGEs influenciam o funcionamento coletivo das comunidades microbianas, com aplicações em agricultura, saúde humana e biotecnologia.

Outras informações em doi.org/10.1371/journal.pbio.3003489