Microbiologia essencial: reprodução e variabilidade genética em bactérias

Reprodução bacteriana: fissão binária (passo a passo)

A reprodução mais comum das bactérias é a fissão binária, um processo de divisão celular que gera duas células-filhas geneticamente muito semelhantes (exceto quando ocorrem mutações). A velocidade com que isso acontece é descrita pelo tempo de geração (tempo necessário para a população dobrar em número de células).

Passo a passo da fissão binária

• 1) Crescimento celular e preparo metabólico: a célula aumenta de tamanho, acumula energia e precursores (aminoácidos, nucleotídeos, lipídios) e ajusta a expressão gênica para replicação e divisão. Se nutrientes estiverem limitados ou houver estresse (pH, temperatura, antibiótico), essa etapa pode se alongar.
• 2) Início da replicação do DNA: a replicação começa em uma região específica do cromossomo (origem de replicação) e progride de forma coordenada. Em condições muito favoráveis, algumas bactérias iniciam uma nova rodada de replicação antes de terminar a anterior, encurtando o tempo de geração.
• 3) Segregação do material genético: as cópias do cromossomo se separam e migram para regiões opostas da célula. A divisão precisa garantir que cada célula-filha receba uma cópia completa do DNA.
• 4) Formação do septo (anel de divisão): proteínas de divisão organizam um “anel” no centro celular, marcando onde a célula será estrangulada. A membrana e a parede celular são remodeladas para construir o septo.
• 5) Citocinese e separação: ocorre o fechamento do septo e a separação em duas células-filhas. Em algumas espécies, as células podem permanecer aderidas formando pares, cadeias ou agrupamentos, o que influencia a formação de microcolônias e biofilmes.

Tempo de geração: o que acelera ou desacelera

O tempo de geração não é fixo: ele depende de condições ambientais e do estado fisiológico da célula. Em laboratório, com meio rico e temperatura ideal, pode ser de minutos a poucas horas; em ambientes naturais (solo, superfícies secas, água com poucos nutrientes), pode ser muito maior.

• Nutrientes: meios ricos reduzem o tempo de geração; limitação de carbono, nitrogênio, ferro ou fósforo aumenta.
• Temperatura: cada espécie tem uma faixa ótima; fora dela, enzimas funcionam pior e a divisão desacelera.
• pH e osmolaridade: extremos exigem gasto energético com homeostase, reduzindo crescimento.
• Oxigênio: espécies aeróbias, anaeróbias ou facultativas respondem de modo distinto; disponibilidade de O₂ altera rendimento energético.
• Estresses e antimicrobianos: podem interromper replicação, danificar DNA/proteínas ou selecionar subpopulações mais tolerantes.

Curva de crescimento bacteriano: fases e interpretação prática

Em um sistema fechado (por exemplo, um frasco com meio de cultura), o crescimento bacteriano costuma seguir uma curva com quatro fases: lag, log (exponencial), estacionária e declínio. Entender essas fases ajuda a prever tempo de geração, resposta a antibióticos e probabilidade de surgirem variantes resistentes.

Fase lag (adaptação)

Na fase lag, o número de células pode mudar pouco, mas a atividade celular é intensa: ajuste metabólico, reparo, síntese de enzimas e transporte para usar os nutrientes disponíveis.

• Quando aumenta: mudança brusca de ambiente (novo nutriente, pH diferente, temperatura), células lesionadas (desinfetantes, frio, desidratação) ou inoculo muito pequeno.
• Conexão com tempo de geração: o tempo de geração “efetivo” parece longo porque a população ainda não entrou em duplicações regulares.
• Exemplo aplicado: bactérias que saem de uma superfície seca para um alimento úmido podem passar por lag enquanto reativam metabolismo e reparam danos; isso afeta o tempo até atingir uma carga infecciosa.

Fase log (exponencial)

Na fase log, as células se dividem no ritmo máximo para aquelas condições. O tempo de geração é mais estável e pode ser estimado pela inclinação do crescimento.

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• Características: alta atividade de replicação, síntese de parede/membrana, consumo rápido de nutrientes.
• Por que importa clinicamente: muitos antibióticos que atuam em processos de crescimento (por exemplo, síntese de parede ou replicação) tendem a ter maior efeito quando as bactérias estão em divisão ativa.
• Exemplo aplicado: em infecções agudas com alta multiplicação, a fase log favorece expansão rápida, mas também aumenta o número total de divisões e, portanto, a chance de surgirem mutações raras.

Fase estacionária

Na fase estacionária, a taxa de divisão se aproxima da taxa de morte: nutrientes se tornam limitantes, metabólitos tóxicos se acumulam e o ambiente muda (pH, oxigênio). A população total tende a estabilizar.

• Características: ativação de respostas ao estresse, economia de energia, mudanças na expressão gênica; aumento de subpopulações com maior tolerância.
• Conexão com resistência: células em estado mais lento podem tolerar melhor certos antibióticos (tolerância não é o mesmo que resistência genética), mantendo um reservatório para recaídas.
• Exemplo aplicado: em biofilmes, muitas células ficam em estados semelhantes à estacionária por limitação de nutrientes e oxigênio, o que dificulta erradicação.

Fase de declínio (morte)

Na fase de declínio, a morte supera a divisão. Ainda assim, a população pode não “sumir” rapidamente: algumas células persistem, e outras podem entrar em estados viáveis não cultiváveis em certas condições.

• O que causa: esgotamento severo de nutrientes, acúmulo de toxinas, dano oxidativo, mudanças extremas de pH.
• Implicação prática: mesmo com queda de contagem, pode haver células remanescentes capazes de retomar crescimento quando o ambiente melhora.

Como conectar curva de crescimento, tempo de geração e ambiente (passo a passo)

1. Defina o ambiente: meio rico vs. pobre, temperatura, pH, oxigênio, presença de antimicrobianos.
2. Preveja a fase inicial: mudança grande de ambiente sugere lag mais longa; inoculo adaptado sugere lag curta.
3. Estime o tempo de geração na fase log: em condições estáveis, a duplicação tende a ser regular; qualquer estresse aumenta o tempo de geração.
4. Identifique o limitante: qual nutriente/condição se esgota primeiro? Isso antecipa a estacionária.
5. Relacione com seleção: quanto mais divisões (fase log prolongada), maior o número de oportunidades para mutações; quanto mais estresse (estacionária/biofilme), maior a vantagem de variantes tolerantes e a importância de transferência horizontal.

Variabilidade genética: mutações e seleção

Bactérias geram variabilidade principalmente por mutações (alterações no DNA) e por transferência horizontal de genes (aquisição de DNA de outras bactérias ou de vírus bacterianos). A seleção natural atua sobre essa variabilidade: em um ambiente com antibiótico, por exemplo, variantes que sobrevivem se tornam mais frequentes.

Mutações: tipos e consequências

Mutações surgem espontaneamente durante a replicação ou por danos ao DNA (radicais livres, radiação, agentes químicos). Elas podem ser neutras, prejudiciais ou vantajosas dependendo do ambiente.

• Substituições de base: podem alterar um aminoácido (mudança de função), criar um códon de parada (proteína truncada) ou não alterar a proteína (silenciosa).
• Inserções/deleções: podem causar mudança de quadro de leitura, frequentemente com grande impacto.
• Alterações regulatórias: mutações em promotores/repressores podem aumentar ou reduzir expressão de bombas de efluxo, porinas ou enzimas, influenciando resistência.

Exemplos aplicados ao surgimento de resistência por mutação

• Alvo do antibiótico: uma mutação que altere a estrutura do alvo pode reduzir a ligação do fármaco, mantendo a função celular.
• Permeabilidade: redução/alteração de porinas pode diminuir entrada de antibióticos em bactérias Gram-negativas.
• Efluxo: aumento de expressão de bombas de efluxo pode expulsar múltiplas classes de antimicrobianos, contribuindo para multirresistência.

Um ponto-chave: o antibiótico não “cria” a mutação; ele seleciona as variantes que já surgiram ao acaso. Quanto maior a população e o número de divisões, maior a chance de existir uma variante rara resistente antes mesmo da exposição.

Transferência horizontal de genes (THG): conjugação, transformação e transdução

A THG permite que bactérias adquiram genes prontos, inclusive genes de resistência e fatores de adaptação, sem depender apenas de mutações próprias. Isso acelera a evolução em ambientes com forte pressão seletiva, como hospitais, granjas, estações de tratamento e também nichos naturais competitivos.

Plasmídeos: por que são centrais na resistência

Plasmídeos são moléculas de DNA extracromossômicas capazes de se replicar independentemente do cromossomo. Muitos carregam genes de resistência (por exemplo, enzimas que inativam antibióticos, bombas de efluxo, proteínas de proteção do alvo) e podem conter sistemas que favorecem sua manutenção na população.

• Vantagem: um único evento de aquisição pode conferir múltiplas resistências se o plasmídeo carregar vários genes.
• Custo e compensação: carregar plasmídeo pode ter custo metabólico; em ambientes com antibiótico, o benefício supera o custo. Em ambientes sem antibiótico, mutações compensatórias podem reduzir o custo e manter o plasmídeo.

Conjugação (passo a passo)

Conjugação é a transferência direta de DNA entre bactérias por contato célula a célula, frequentemente mediada por plasmídeos conjugativos.

1. Reconhecimento e aproximação: a bactéria doadora (com plasmídeo conjugativo) estabelece contato com a receptora por estruturas de adesão.
2. Formação da ponte de conjugação: cria-se um canal de transferência entre as células.
3. Processamento do plasmídeo: uma fita de DNA plasmidial é preparada para transferência.
4. Transferência e replicação: a fita é transferida para a receptora enquanto ambas as células reconstroem a dupla fita por replicação.
5. Resultado: a receptora passa a carregar o plasmídeo e pode se tornar nova doadora, acelerando a disseminação na população.

Aplicação direta: em ambientes com alta densidade bacteriana (trato intestinal, biofilmes em cateteres, superfícies úmidas), a conjugação é favorecida, facilitando a propagação de plasmídeos com genes de resistência.

Transformação (passo a passo)

Transformação é a captação de DNA livre do ambiente por bactérias “competentes”. Esse DNA pode vir de células lisadas.

1. Disponibilidade de DNA no ambiente: ocorre após morte e lise de bactérias.
2. Estado de competência: a bactéria expressa proteínas que permitem captar DNA.
3. Entrada do DNA: fragmentos de DNA atravessam a superfície celular.
4. Integração: o DNA pode recombinar com o cromossomo (se houver semelhança) ou, se for um plasmídeo compatível, estabelecer-se como plasmídeo.
5. Expressão: genes adquiridos podem ser expressos, alterando fenótipo (por exemplo, resistência).

Exemplo aplicado: em biofilmes, há grande quantidade de DNA extracelular (inclusive como componente estrutural do próprio biofilme), o que pode aumentar oportunidades de transformação e recombinação.

Transdução (passo a passo)

Transdução é a transferência de DNA bacteriano mediada por vírus que infectam bactérias (bacteriófagos).

1. Infecção: o fago injeta seu material genético na bactéria.
2. Produção de novas partículas: durante a montagem, pode ocorrer empacotamento acidental de fragmentos de DNA bacteriano.
3. Nova infecção: o fago “carregando” DNA bacteriano infecta outra célula.
4. Entrega do DNA: o DNA bacteriano é introduzido na nova célula.
5. Recombinação: o fragmento pode integrar-se ao cromossomo da receptora, transferindo características.

Aplicação direta: a transdução pode mover genes entre bactérias relacionadas em um mesmo nicho, contribuindo para diversidade e adaptação local.

Resistência antimicrobiana: como reprodução e genética se conectam

Do crescimento rápido à seleção de resistentes

• Mais divisões → mais mutações: em fase log, o número de replicações aumenta rapidamente; mesmo taxas baixas de erro geram variantes raras.
• Pressão seletiva: antibiótico elimina suscetíveis e permite expansão dos resistentes (por mutação ou por aquisição de genes).
• Populações grandes importam: em infecções com alta carga bacteriana, a probabilidade de já existir uma subpopulação resistente é maior.

Plasmídeos e genes de resistência em cenários reais

• Hospital: uso frequente de antibióticos seleciona bactérias portadoras de plasmídeos com múltiplos genes de resistência; a conjugação em superfícies úmidas e dispositivos médicos pode acelerar a disseminação.
• Trato intestinal: alta densidade e diversidade bacteriana favorecem troca genética; antibióticos podem reduzir competidores e abrir espaço para expansão de portadores de plasmídeos resistentes.
• Ambientes com desinfetantes: estresses químicos podem selecionar aumento de efluxo e alterações de permeabilidade; isso pode coincidir com resistência cruzada a alguns antibióticos.

Adaptação a nichos: biofilmes, superfícies e intestino

Biofilmes: crescimento heterogêneo e proteção

Biofilme é uma comunidade aderida a uma superfície, envolta por uma matriz produzida pelas próprias células. Dentro do biofilme, há gradientes de nutrientes e oxigênio, criando subpopulações em diferentes estados fisiológicos (algumas em crescimento rápido, outras em crescimento lento).

• Impacto na curva de crescimento: partes do biofilme podem estar em “log” localmente, enquanto outras se comportam como estacionária, aumentando tolerância global.
• Impacto genético: alta densidade celular favorece conjugação; DNA extracelular pode favorecer transformação; estresse pode aumentar seleção de variantes.
• Exemplo prático: em um cateter, camadas internas do biofilme recebem menos antibiótico e menos oxigênio, sobrevivendo e servindo como fonte de reinfecção.

Superfícies: sobrevivência, reativação e seleção

Em superfícies secas ou com poucos nutrientes, muitas bactérias entram em estados de baixo metabolismo. Quando a superfície volta a ficar úmida e nutritiva, ocorre reativação com uma fase lag variável.

• Seleção por estresse: ciclos de secagem/umidificação podem selecionar variantes mais tolerantes a desidratação e oxidantes.
• Implicação: ao retornar a condições favoráveis, essas variantes podem crescer rapidamente e dominar a população.

Trato intestinal: competição e troca genética

No intestino, bactérias enfrentam competição intensa, presença de bile, variações de pH e disponibilidade de nutrientes. A adaptação envolve tanto regulação metabólica quanto aquisição de genes.

• Conjugação favorecida: densidade alta e contato próximo aumentam transferência de plasmídeos.
• Seleção por antibióticos: tratamentos podem reduzir a microbiota suscetível e permitir expansão de portadores de genes de resistência.
• Adaptação ao nicho: genes adquiridos podem melhorar uso de certos carboidratos, tolerância a estresses e capacidade de colonização.

Quadro comparativo: mutação vs. transferência horizontal