Desvendando as sequências de DNA transportadas por vesículas de membrana de Streptomyces coelicolor

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 16651 (2022) Citar este artigo

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Vesículas de membrana (MVs) são partículas esféricas com dimensões em nanoescala e caracterizadas pela presença de diversas cargas, como ácidos nucléicos, proteínas, lipídeos e metabólitos celulares. Muitos exemplos de (micro)organismos produtores de MVs são relatados na literatura. Entre eles, as MVs bacterianas são de particular interesse porque são agora consideradas como o quarto mecanismo de transferência horizontal de genes. As bactérias Streptomyces são bem conhecidas por seus papéis ecológicos e capacidade de sintetizar compostos bioativos, sendo o Streptomyces coelicolor o organismo modelo. Foi demonstrado anteriormente que pode produzir populações distintas de MVs caracterizadas por diferentes cargas de proteínas e metabólitos. Neste trabalho demonstramos pela primeira vez que MVs de S. coelicolor carregam DNA e RNA e que seu conteúdo de DNA representa todo o cromossomo da bactéria. Essas descobertas sugerem que o DNA do MV pode ter um papel na evolução dos genomas de Streptomyces e que os MVs podem ser explorados em novas estratégias de engenharia de cepas.

As vesículas de membrana bacteriana (MVs) são partículas esféricas e membranosas com diâmetro nanométrico e sua carga inclui várias macromoléculas - como ácidos nucléicos (DNA e RNA), lipídios e proteínas (ou seja, enzimas e toxinas) - e pequenas moléculas - como células metabólitos, sinais e moléculas bioativas (ou seja, antibióticos)1,2,3,4. A liberação de MVs pode facilitar muitas funções biológicas, como absorção de nutrientes, competição, sobrevivência, resposta ao estresse, comunicação intercelular e transferência horizontal de genes (HGT)1,3,5. No contexto do HGT, que é reconhecido como uma das principais forças motrizes da formação de genes e genomas e sua evolução6, os MVs podem desempenhar um papel (muito) importante. Os principais mecanismos estudados da HGT em procariotos são transformação, conjugação e transdução6,7. No entanto, nos últimos anos, as MVs foram consideradas como o quarto mecanismo da HGT, denominado vesidução5,8,9,10. De fato, diferentes tipos de material genético, como DNA cromossômico, plasmidial e/ou fágico, juntamente com sRNA, mRNA e miRNA, têm sido detectados no interior de MVs ou em associação com sua membrana5,8,9,11. A ocorrência de HGT mediada por MVs tem sido observada em vários estudos: por exemplo, Klieve et al.12 demonstraram, pela primeira vez, a associação de DNA com MVs liberados por bactérias Gram-positivas pertencentes ao gênero Ruminococcus, e a capacidade dessas MVs para restaurar uma atividade metabólica específica em cepas mutantes12. Além disso, foi relatado que os MVs transferem plasmídeos entre diferentes cepas 13,14 e cargas de DNA para células hospedeiras eucarióticas 15.

Além disso, o DNA extracelular (eDNA) é um componente importante da matriz do biofilme bacteriano, permitindo a adesão celular nos estágios iniciais da formação do biofilme. Em células planctônicas de Streptococcus mutans, o eDNA é liberado também por um modo independente de lise envolvendo MVs. Assim, o eDNA em MVs de culturas planctônicas pode desempenhar algum papel no estágio inicial da formação do biofilme promovendo a colonização bacteriana. Além disso, é relatado que o MV eDNA influencia a integridade estrutural e a estabilidade do biofilme16.

Apenas 4% dos estudos sobre vesículas de membrana procariótica realizados entre 1972 e 2021 dizem respeito a MVs de bactérias Gram-positivas17: de fato, por muito tempo se assumiu que as bactérias Gram-positivas não poderiam produzir vesículas, devido à falta de uma membrana externa camada de membrana e a presença de paredes celulares espessas1. Nos últimos anos, as MVs Gram-positivas ganharam mais atenção e sua liberação foi demonstrada em cepas patogênicas e não patogênicas, como Staphylococcus spp., Bacillus spp., Lactobacillus spp. e Streptomyces spp.4,18,19, 20,21.

Streptomyces é um gênero de bactérias Gram-positivas filamentosas ubíquas em ambientes terrestres e marinhos, onde podem viver em simbiose, por exemplo, com plantas, fungos, insetos e esponjas22: adaptação a nichos ecológicos tão diversos e interação com outros ( os micro)organismos levaram à peculiar diversidade química de seus metabólitos bioativos, cuja produção é regulada por uma complexa rede de sinais ambientais, como escassez de nutrientes e presença de competidores22,23,24. Os estreptomicetos têm um ciclo de vida complexo, pois o micélio de uma colônia é formado por tipos celulares distintos (ou seja, hifas vegetativas, hifas aéreas e esporos) e até subpopulações diferentes: de fato, as colônias de Streptomyces foram recentemente descritas como semelhantes a colônias de insetos sociais com divisão do trabalho, pela presença de subpopulações de células mutantes que se caracterizam por deleções e/ou amplificações nos braços de seus cromossomos lineares, e que hiperproduzem antibióticos às custas de sua própria aptidão25,26.