Investigadores de ETH Zurique, Inselspital e da Universidade de Berna estão a equipar as bactérias intestinais com uma função de registo de dados para monitorizar que genes estão activos nas bactérias. Os microrganismos serão um dia capazes de diagnosticar doenças e registar os efeitos de uma dieta alimentar de uma forma não invasiva.
Os nossos intestinos são o lar de inúmeras bactérias que nos ajudam a digerir os alimentos. Mas o que fazem exactamente os microrganismos dentro do nosso corpo? Que enzimas produzem e quando? E como é que as bactérias metabolizam os alimentos promotores de saúde que nos ajudam a evitar doenças? Para encontrar respostas a tais perguntas, investigadores do Departamento de Engenharia de Biosistemas da ETH Zurique em Basileia modificaram as bactérias de modo a funcionarem como registadores de dados e registarem informação sobre a actividade genética. Juntamente com cientistas do Inselspital e da Universidade de Berna, testaram agora estas bactérias em ratos. Este é um passo importante para utilizar as “bactérias sensor” na medicina no futuro, por exemplo, para diagnosticar a desnutrição ou para compreender qual a dieta certa para um paciente.
O sistema imunitário torna-se um registador de dados
A função de registo de dados foi desenvolvida nos últimos anos por investigadores na ETH Zurique sob a liderança de Randall Platt, Professor de Engenharia Biológica. Para tal, utilizaram o mecanismo Crispr/Cas, um tipo de sistema imunitário bacteriano encontrado em muitas espécies de bactérias: se as bactérias forem atacadas por vírus, podem incorporar trechos do material genético viral numa área do seu próprio material genético chamada matriz Crispr. Desta forma, as bactérias lembram-se dos vírus com os quais estiveram em contacto e podem combatê-los mais rapidamente no caso de uma futura reinfestação.
Para poder utilizar este mecanismo como registador de dados, os investigadores não estão a olhar para fragmentos genéticos de invasores virais, mas sim para outra coisa: o mecanismo pode ser utilizado de tal forma que as bactérias incorporem fragmentos do seu próprio RNA mensageiro na matriz Crispr. O RNA Messenger está a construir moléculas de instrução que as células utilizam para fazer proteínas. Os fragmentos de RNA do mensageiro fornecem, portanto, informação sobre quais os genes que estão actualmente a ser utilizados para produzir proteínas. Para que isto funcionasse bem, os investigadores introduziram a variedade Crispr da espécie bacteriana Fusicatenibacter saccharivorans numa estirpe da bactéria intestinal Escherichia coli, que é considerada segura e aprovada como um probiótico. Parte da transferência foi o manual de construção de uma enzima chamada transcriptase reversa, que pode transcrever o RNA no ADN. Esta enzima também transcreve a informação do RNA do mensageiro na forma de ADN, que é necessária para a incorporação na matriz Crispr.
Exame sem perturbar o corpo
Investigadores do Inselspital e da Universidade de Berna, liderados por Andrew Macpherson, administraram agora essas bactérias intestinais modificadas a ratos no laboratório. A equipa recolheu amostras fecais destes animais, isolou o ADN bacteriano dos mesmos e analisou-o usando sequenciação de ADN de alto rendimento. Os investigadores foram capazes de reconstruir a informação genética do RNA mensageiro a partir de uma enorme massa de dados utilizando a bioinformática. Os cientistas foram assim capazes de determinar de forma não invasiva a frequência com que a molécula de ARN mensageiro foi produzida pelas bactérias intestinais durante a sua permanência no corpo, e assim quais os genes que estão activos.
“Com o novo método, podemos obter informações directamente do intestino sem ter de perturbar a função intestinal”, diz Andrew Macpherson, professor e chefe de gastroenterologia do Inselspital Bern. Este método tem assim vantagens sobre a colonoscopia, que pode ser desagradável para os pacientes e perturbar sempre o funcionamento do intestino porque o intestino tem de estar vazio para o exame.
Determinar o estado nutricional
“As bactérias são muito boas a detectar as condições ambientais e a adaptar o seu metabolismo às condições em mudança, tais como os alimentos”, explica Macpherson. Em experiências com ratos alimentados com diferentes dietas, os investigadores conseguiram mostrar como as bactérias adaptam o seu metabolismo ao respectivo fornecimento de nutrientes. Os investigadores gostariam de continuar a desenvolver o método para que um dia possam também utilizá-lo para estudar em doentes como a nutrição influencia o ecossistema intestinal e como isto afecta a saúde. O método será utilizado no futuro para determinar o estado nutricional de crianças ou adultos. Com base nisso, a desnutrição poderia ser diagnosticada ou os médicos poderiam decidir se um paciente necessita de suplementos nutricionais. Os investigadores foram também capazes de detectar reacções inflamatórias no intestino. Administraram as bactérias sensoriais a ratos com inflamação intestinal, bem como a ratos saudáveis. Desta forma, foram capazes de determinar o perfil específico do RNA mensageiro das bactérias intestinais que mudam para o modo inflamatório.
Distinguir entre diferentes bactérias
Parte do estudo em curso na revista Science é também um desenvolvimento adicional graças ao qual os cientistas podem distinguir entre duas estirpes bacterianas com base em “códigos de barras” genéticos individuais. No futuro, isto permitirá estudar a função das mutações genéticas em bactérias em animais de laboratório. Os investigadores podem utilizá-lo para comparar o perfil de RNA do mensageiro de diferentes bactérias, por exemplo bactérias mutantes e as que não sofreram mutação. Graças ao registador de dados moleculares, é possível, pela primeira vez, determinar este perfil enquanto as bactérias passam pelo intestino e não apenas quando estão presentes nas fezes. Assim, os cientistas sabem o que aconteceu quando as bactérias ainda estavam a viver no intestino.
Também seria concebível desenvolver mais o sistema para distinguir perfis de ARN de bactérias no intestino delgado e no intestino grosso. Além disso, a função de registo de dados também poderia ser incorporada em outros tipos de bactérias. Isto tornaria possíveis aplicações na monitorização ambiental. Analisando as bactérias do solo de um campo, por exemplo, poder-se-ia provar se foram utilizados herbicidas.
Aplicação segura possível
Os investigadores solicitaram uma patente para o próprio método, bem como para perfis de ARN característicos que permitem tirar conclusões sobre certos nutrientes ingeridos, bem como sobre a saúde intestinal. Contudo, antes de as bactérias dos sensores poderem ser utilizadas fora de um laboratório – mesmo nos pacientes – os cientistas ainda têm de esclarecer questões legais e de segurança. Porque as bactérias são geneticamente modificadas. “Em princípio, há possibilidades de utilizar microrganismos vivos geneticamente modificados como diagnóstico ou terapêutica na medicina, se algumas condições forem satisfeitas”, explica Platt. Assim, é possível modificar as bactérias dos sensores de modo a necessitarem de certos nutrientes e assim sobreviverem apenas dentro do intestino de um paciente. Fora do intestino, tais bactérias morrem. A instalação de mecanismos de segurança adequados é o próximo passo para uma aplicação em medicina.
Fonte original:
Schmidt F, et al.: Avaliação não invasiva da função intestinal utilizando células sentinela de gravação transcriptonal. Science, 12 de Maio de 2020, doi: 10.1126/science.abm6038.
