Como funcionam as bactérias

Do oxigênio que inalamos aos nutrientes que nossos estômagos extraem dos alimentos, temos que agradecer às bactérias por prosperarem neste planeta. Em nossos corpos, os microrganismos, incluindo bactérias, superam nossas próprias células humanas em 10 para 1, tornando-nos mais micróbios do que o homem [fonte: Savage ].

Só recentemente começamos a entender completamente esses organismos microscópicos e seu impacto em nosso planeta e na saúde, mas a história sugere que nossos ancestrais, séculos atrás, estavam aproveitando o poder das bactérias para fermentar alimentos e bebidas ( cerveja e pão, alguém?).

Não foi até o século 17 que começamos a ver as bactérias de perto e pessoais em um lugar igualmente próximo e pessoal - a boca humana. O sempre curioso Anton van Leeuwenhoek descobriu bactérias ao examinar uma amostra da placa entre seus próprios dentes. Ele se torna poético em seus escritos, descrevendo a colônia bacteriana em seus brancos perolados como "um pouco de matéria branca, que é tão espessa como se fosse uma massa" [fonte: Dobell ]. Depois de colocar a amostra sob um microscópio composto, van Leeuwenhoek viu que os micróbios estavam se movendo. Está vivo!

De fato, as bactérias mudaram o jogo para a Terra, desempenhando um papel fundamental na criação de ar respirável e no planeta biologicamente rico que chamamos de lar.

Neste artigo, daremos uma visão geral desses micro-organismos minúsculos, mas influentes. Veremos as maneiras boas, ruins e totalmente bizarras pelas quais as bactérias moldaram a história humana e nosso meio ambiente. Para começar, mostraremos o que diferencia as bactérias de outros tipos de vida.

1. Noções básicas sobre bactérias
2. Refeições Microbianas (e Miasma)
3. Uma grande família
4. Reprodução Bacteriana
5. Não há montanha alta, não há vale baixo
6. O ruim (para nós)
7. Bactérias como heróis

Se uma única bactéria não é visível a olho nu, como podemos saber tanto sobre ela?

Os cientistas desenvolveram microscópios poderosos para ampliar as bactérias – geralmente variando de um a um punhado de mícrons (um milionésimo de metro) de comprimento, dando-nos um vislumbre de seu funcionamento interno e como eles se comparam a outras formas de vida, como plantas, animais , vírus e fungos.

Como você já deve saber, as células agem como os blocos de construção da vida, sejam elas compondo nossos próprios tecidos ou um galho de árvore fora de sua janela. Humanos, animais e plantas possuem células com informações genéticas contidas em um tipo de membrana chamada núcleo . Esses tipos de células, chamadas células eucarióticas , possuem organelas especializadas, cada uma com uma função única para manter a célula funcionando e saudável.

As bactérias, no entanto, não possuem núcleo, e seu material genético, ou DNA , flutua livremente dentro da célula. Essas células microscópicas não possuem organelas e possuem diferentes métodos de reprodução e troca de material genético. As bactérias são classificadas como células procarióticas .

Deixando de lado as categorias básicas, os cientistas também colocam as bactérias em diferentes campos com base em:

A microbiologia – o estudo de todos os diferentes tipos de micróbios, incluindo bactérias, archaea, fungos, vírus e protozoários – alavancou uma crescente riqueza de conhecimento para distinguir ainda mais as bactérias de seus irmãos microbianos.

Organismos procarióticos semelhantes agora classificados no domínio archaea foram anteriormente agrupados com bactérias, mas depois que os pesquisadores aprenderam mais sobre eles, eles deram aos micróbios em archaea sua própria categoria por suas semelhanças com células eucarióticas.

Como humanos, plantas e animais, as bactérias precisam de comida para sobreviver.

Algumas bactérias são autótrofas , o que significa que usam insumos básicos como luz solar, água e produtos químicos do ambiente para criar alimentos (pense em cianobactérias, que transformam a luz solar em oxigênio há aproximadamente 2,5 milhões de anos) [fonte: Konhauser et al. ]. Outras bactérias são o que os pesquisadores chamam de heterótrofos porque extraem energia da matéria orgânica existente para alimentação (pense em folhas mortas no chão da floresta).

A verdade é que o que pode ser apetitoso para as bactérias é provavelmente repulsivo para nós. Eles evoluíram para prosperar em todos os tipos de coisas, desde derramamentos de petróleo e subprodutos nucleares até dejetos humanos e matéria em decomposição.

Mas a propensão das bactérias para uma determinada fonte de alimento pode beneficiar a sociedade. Por exemplo, especialistas em arte na Itália recorreram a bactérias para reduzir o excesso de camadas de sal e cola que ameaçam a longevidade de obras de arte de valor inestimável [fonte: Asociación RUVID (em inglês )]. O talento das bactérias para reciclar matéria orgânica também é útil, especialmente considerando seu tremendo papel como recicladoras da superfície da Terra – tanto no solo quanto na água.

Em uma base diária, você pode estar muito familiarizado com os efeitos indutores de odor das bactérias famintas daquele cheiro desagradável em sua lixeira enquanto elas pegam suas sobras, quebrando-as e liberando seus próprios subprodutos gasosos. Não para por aí, no entanto. Você também tem bactérias para culpar por esses momentos de apelo à natureza (sim, flatulência), quando as bactérias em seu intestino liberam metano fétido durante a digestão.

As bactérias crescem e formam colônias quando têm a chance. Se as condições alimentares e ambientais forem favoráveis, eles se reproduzirão e formarão agregações pegajosas chamadas biofilmes para sobreviver em uma variedade de superfícies, de rochas em um riacho a molares em sua boca.

Os biofilmes têm suas vantagens e problemas. Por um lado, eles estão beneficiando mutuamente os jogadores na natureza. Por outro lado, eles podem ser uma ameaça séria. Por exemplo, os médicos que tratam pacientes com implantes e dispositivos médicos estão especialmente preocupados com os biofilmes porque essas superfícies são os principais imóveis para as bactérias. Uma vez colonizados, os biofilmes podem produzir subprodutos tóxicos – e até mortais – para o corpo humano.

Como as pessoas nas cidades, as células nos biofilmes se comunicam enviando mensagens para compartilhar informações sobre a disponibilidade de alimentos e perigos potenciais. Mas, em vez de ligar para seus vizinhos pelo telefone, as bactérias enviam memorandos por meio de produtos químicos para seus amigos próximos.

Mas as bactérias também não têm medo de voar sozinhas. Na verdade, algumas espécies desenvolveram maneiras de sobreviver em condições difíceis. Quando não sobra comida ou as condições pioram, essas bactérias se preservam criando uma casca dura chamada endósporo , colocando a célula em um estado inativo que preserva o material genético da bactéria [fonte: Departamento de Microbiologia da Universidade de Cornell ].

Um cientista até encontrou bactérias em uma cápsula do tempo que foi descoberta e examinada 100 anos depois, enquanto outros grupos de cientistas descobriram bactérias que datam de 250 milhões de anos atrás [fontes: Silverman ; Vreeland et ai. ]. Isso tudo mostra que as bactérias podem se auto-preservar por um longo tempo.

Agora que sabemos que as bactérias são colonizadoras, vamos dar uma olhada em como elas chegam lá através da divisão e reprodução.

Como as bactérias criam colônias em primeiro lugar?

As bactérias, como outras formas de vida na Terra, precisam fazer cópias de si mesmas para sobreviver. Enquanto humanos e outros organismos fazem isso por meio da reprodução sexual , isso funciona de maneira um pouco diferente com as bactérias.

Mas primeiro, vamos discutir por que a diversidade é uma coisa boa.

Life undergoes natural selection , or selective forces in a given environment that allow one type to thrive and reproduce more. As you might recall from biology class, genes are the units that instruct a cell what to do — whether to make your hair color brown or blonde or your eyes green or blue. You get genes from both of your parents that provide a good mix. In addition, sexual reproduction gives rise to mutations, or random changes in the DNA, which creates diversity. The more genetic diversity from which to draw, the more likely an organism can adapt to constraints in an environment.

For bacteria, reproduction isn't a matter of meeting the right microbe and settling down; it's simply replicating its own DNA and dividing into two identical cells. This process, called binary fission, occurs when a single bacterium cleaves itself into two after it replicates its DNA and moves the genetic material into opposite ends of the cell.

Because the resulting cell is genetically identical to the one it came from, this method of reproduction isn't exactly the best way to create a diverse gene pool .

So how do bacteria get new genes?

It turns out bacteria employ tricks to get the job done, with the end result being horizontal gene transfer, or exchanging genetic material without reproducing. There are a few ways bacteria can do this. One method involves picking up genetic material from the environment outside the cell, relying on other microbes and bacteria (through molecules called plasmids). Another results from viruses that use bacteria as hosts. Upon infecting new bacteria, the viruses incidentally leave genetic material of previous bacteria in the new one [source: Marraffini ].

Swapping genetic material gives bacteria the flexibility to adapt — and some do, once they sense stressful changes in the environment such as food shortages or chemical changes.

Desenvolver uma melhor compreensão de como as bactérias se adaptam é extremamente importante para entender e combater a resistência das bactérias aos antibióticos na medicina. As bactérias podem trocar material genético com tanta frequência que os tratamentos que anteriormente funcionavam provavelmente não funcionarão na próxima vez.

Agora que analisamos de perto como as bactérias funcionam em um nível microscópico, vamos dar um passo para trás para ver onde você as encontra no quadro geral.

A questão não é: "Onde estão as bactérias?" mas sim, "Onde não estão as bactérias?"

Eles são encontrados praticamente em todos os lugares da Terra. É impossível ter uma noção completa do número de bactérias no planeta de uma só vez, mas algumas estimativas apontam para cerca de 5 octilhões de micróbios, como bactérias e archaea – isso é 10 elevado à 28ª potência! [fonte: Whitman et al.]

Fixar um número de quantas espécies, ou tipos classificáveis, de bactérias existem também permanece difícil. Uma estimativa aponta para aproximadamente 30.000 espécies formalmente identificadas, mas os cientistas estão constantemente aprendendo e aumentando sua base de conhecimento e acham que ainda não arranhamos a superfície do verdadeiro número de espécies existentes [fonte: Dykhuizen ].

A verdade é que as bactérias existem há muito, muito tempo. Na verdade, eles deram origem a alguns dos primeiros fósseis conhecidos , datados de 3,5 bilhões de anos [fonte: Museu de Paleontologia da Universidade da Califórnia ]. Evidências científicas sugerem que as cianobactérias começaram a criar oxigênio entre 2,5 e 2,3 bilhões de anos atrás nos oceanos do mundo, o que deu origem à atmosfera da Terra e oxigênio abundante para respirarmos [fonte: Konhauser et al. ].

As bactérias podem sobreviver no ar, água, solo, gelo e calor extremo; em plantas; e até mesmo em nossos intestinos, em nossa pele e na pele de outros animais.

Algumas bactérias são extremófilas , o que significa que podem suportar ambientes extremos que são muito quentes ou frios ou que não possuem os nutrientes e produtos químicos que normalmente associamos à vida. Pesquisadores descobriram bactérias na Fossa das Marianas , o ponto mais profundo da Terra sob o Oceano Pacífico, além de aberturas subaquáticas aquecidas e no gelo.

Mas a diversão vai além dos pesquisadores da área. Os turistas ficam fascinados com a beleza natural mais bela das bactérias em lugares como a Opalescent Pool no Yellowstone National Park, que apresenta bactérias termofílicas (que gostam de calor) coloridas colorindo o marco.

Houston, temos bactérias.

Bactérias que normalmente não têm um efeito negativo na saúde humana têm uma vantagem na formação de infecções entre os astronautas no espaço. Para estudar melhor os efeitos do voo espacial nas bactérias, a NASA enviou micróbios que normalmente causam infecções tratáveis ​​na Terra para o espaço com as missões Atlantis em 2010 e 2011. O grupo descobriu que as comunidades dessas bactérias foram capazes de se formar de maneiras que não aconteciam. Earth, dando aos pesquisadores informações sobre como melhorar os resultados de saúde dos astronautas no espaço, além das pessoas na Terra.

Embora as bactérias sejam valentes contribuintes para a saúde dos seres humanos e do planeta, elas também têm um lado sombrio. Certas bactérias têm o potencial de serem patogênicas , o que significa que podem causar doenças e enfermidades.

Ao longo da história humana, algumas bactérias (compreensivelmente) tiveram uma má reputação, causando ansiedade e histeria do público. Veja a praga , por exemplo. A bactéria causadora da praga, Yersinia pestis , não apenas matou mais de 100 milhões de pessoas, mas também pode ter moldado a história, contribuindo até para o colapso do Império Romano [fonte: Centers for Disease Control and Prevention ]. Antes do advento dos antibióticos, ou medicamentos capazes de tratar infecções bacterianas, as infecções eram difíceis de parar.

Ainda hoje, essas bactérias patogênicas ainda pesam muito em nossas mentes. Bactérias que causam uma série de doenças – de antraz , pneumonia, meningite, cólera, salmonela e faringite estreptocócica a E. coli e infecções por estafilococos – podem desafiar nossos tratamentos graças à resistência aos antibióticos .

Isto é especialmente verdadeiro para Staphylococcus aureus , a bactéria responsável por infecções por estafilococos . A "superbactéria" trouxe enormes problemas para hospitais e clínicas de saúde, onde os pacientes são mais propensos a serem expostos a ela durante implantes médicos e inserção de cateteres.

Em uma seção anterior, falamos sobre seleção natural e como algumas bactérias têm genes mais diversos para ajudar a lidar com o que seu ambiente lhes lança. Se você tiver uma infecção e algumas das bactérias em seu corpo forem diferentes de outras, os antibióticos podem cuidar da maioria da população bacteriana. Mas isso também dá aos micróbios não afetados por seus antibióticos o espaço para se reproduzir e se firmar. É por isso que os médicos recomendam ficar longe de antibióticos, a menos que você realmente precise deles.

As armas biológicas são outro aspecto assustador desta conversa. As bactérias podem ser usadas como armas em alguns casos, inclusive sendo implantadas em sustos de antraz e incorporadas em sprays de aerossol.

E não são apenas os humanos que sofrem com as bactérias. De fato, as bactérias também têm apetite pelo transatlântico afundado Titanic [fonte: Kaufman ]. A espécie, chamada Halomonas titanicae , corrói o metal do navio histórico.

Aprendemos como as bactérias podem ser prejudiciais. Na próxima seção, veremos como eles podem nos ajudar.

Bactérias e Saúde Bucal

E eis que a substância viscosa que chamamos de placa em nossos dentes é, na verdade, de bactérias. Se derem rédea solta, essas bactérias podem corroer o esmalte dos nossos dentes, eventualmente causando cáries. Os arqueólogos extraíram conhecimento do passado estudando crânios e dentes humanos para aprender mais sobre a dieta humana e a suscetibilidade a doenças em vários momentos [fonte: Watson ].

Vamos tomar um momento para examinar o lado bom das bactérias. Afinal, esses são os micróbios que nos trazem alimentos saborosos, como queijo, cerveja, fermento e outros itens fermentados. Eles também são os heróis desconhecidos por trás da medicina e do avanço da saúde humana.

Também temos que agradecer às bactérias por moldar a evolução humana. A ciência está coletando mais informações da microbiota , ou dos microorganismos que residem em nossos próprios corpos , particularmente em nosso sistema digestivo e intestino. Pesquisas sugerem que as bactérias e a diversidade e os novos materiais genéticos que elas trazem para nossos corpos permitiram que os humanos se adaptassem e explorassem novas fontes de alimentos que antes não podiam usar [fonte: Backhed et al. ].

Veja desta forma: Revestindo as superfícies do estômago e do intestino, as bactérias estão "trabalhando" para você. Quando você come, bactérias e outros micróbios ajudam a quebrar e extrair nutrientes dos alimentos, especialmente carboidratos , como milho, batata, pão e arroz. As bactérias mais diversas que consumimos e estamos expostos contribuem para essa comunidade diversificada em nossos corpos.

Embora nosso conhecimento de nossas próprias comunidades microbianas seja, na melhor das hipóteses, incipiente, há evidências que sugerem que a falta de certos micróbios e bactérias no corpo pode estar ligada à saúde, ao metabolismo e à suscetibilidade de uma pessoa a alérgenos e doenças. Estudos preliminares em camundongos sugerem que doenças metabólicas, como a obesidade, estão ligadas à diversidade e à saúde do microbioma, e não à nossa visão predominante da abordagem "calorias que entram, saem calorias" [fonte: Cox ].

Também em estágios iniciais, os transplantes fecais envolvendo o compartilhamento de microrganismos fecais de um indivíduo saudável para outra pessoa mostram-se promissores. Sim, essa pode não ser a melhor imagem mental, mas a ciência e as opções para tratar certas doenças gastrointestinais parecem promissoras. Pesquisas estão sendo feitas sobre probióticos, micróbios que se acredita terem benefícios adicionais à saúde, mas as recomendações gerais sobre seu uso não foram estabelecidas em novembro de 2014.

Além disso, as bactérias mudaram o jogo no desenvolvimento do pensamento científico e da medicina humana. As bactérias desempenharam um papel de liderança no desenvolvimento em 1884 dos postulados de Koch, uma série de considerações que ligam um determinado micróbio à doença.

Entre outras contribuições, pesquisadores que estudam bactérias descobriram por acaso a penicilina – um antibiótico que salvou inúmeras vidas – e, mais recentemente, uma maneira mais fácil de editar genomas de organismos que pode revolucionar a medicina [fonte: Marraffini ]. Os pesquisadores modificaram as bactérias para beneficiar a saúde humana de várias maneiras, incluindo a produção de insulina para o tratamento do diabetes.

Estamos apenas começando a entender tudo o que podemos aprender com nossos amigos bacterianos.

Nota do autor: Como funcionam as bactérias

Apesar de seu status de micróbios "irracionais", as bactérias se comportam de maneiras surpreendentes. Dê-lhes um obstáculo, e eles provavelmente encontrarão uma maneira de contorná-lo. Antibióticos em casa? Eles trocam genes para sobreviver melhor. Não há comida suficiente? Não se preocupe, eles podem pegar alguns Zzzs e ficar inativos. Estamos apenas começando a aprender os segredos das bactérias, e o quadro geral está se tornando claro: uma amplitude de vida complexa fervilha sob nossos narizes (e neles também).

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