Aula 8 Genética Bacteriana

A Simplicidade Estrutural como Motor de Variabilidade

As bactérias são caracterizadas como procariontes arcaicos que possuem um material genético simplificado localizado diretamente no citoplasma. Essa simplicidade genômica é um fator determinante para a biologia desses organismos, pois favorece a ocorrência de altas taxas de mutação e de recombinação genética.

O material genético bacteriano é essencialmente composto por um DNA circular. De forma abrangente, o genoma bacteriano é definido como a soma do DNA cromossômico com o material extracromossômico, constituído pelos plasmídeos.

Componentes do Material Genético

A Distinção entre o Genoma Essencial e o Acessório

As bactérias são microrganismos arcaicos e simples que, por serem procariontes, possuem seu material genético disperso livremente no citoplasma. Embora o genoma varie significativamente em tamanho e complexidade entre as espécies, processos biológicos básicos, como a síntese proteica, são realizados de maneira semelhante em todo o grupo.

O DNA cromossômico é o componente central e indispensável, contendo todas as informações essenciais para a sobrevivência da bactéria. Ele codifica características estruturais críticas, como o tipo de parede celular, além de comandar o metabolismo bacteriano, incluindo as vias de fermentação e os processos de respiração aeróbica ou anaeróbica.

Complementando o material genético principal, as bactérias podem adquirir plasmídeos, que representam o material genético extracromossômico. Enquanto o cromossomo garante as funções vitais e metabólicas de base, os plasmídeos funcionam como componentes adicionais que podem ser adquiridos pela célula ao longo de sua existência.

Início da Replicação do DNA

1. Fase de crescimento: Ocorre durante a fase logarítmica (fase log) do crescimento bacteriano.
2. Ponto de origem: A replicação inicia se em um ponto de origem específico do genoma.
3. Abertura da fita: A enzima helicase é responsável por abrir a fita de DNA para o início do processo.
4. Estabilização: As proteínas SSB estabilizam as fitas de DNA expostas durante a replicação.
5. Ação da polimerase: A DNA polimerase atua nos sentidos horário e anti horário simultaneamente.

Síntese e Divisão Celular

• Primase: Adiciona um primer para iniciar o processo de replicação do DNA.
• DNA ligase: Atua no fechamento e finalização do processo de replicação bacteriana.
• Síntese proteica: O DNA codifica o RNA mensageiro, que é traduzido no ribossomo para originar uma proteína funcional.
• Divisão bacteriana: Uma célula mãe duplica seu material cromossômico para gerar duas células filhas geneticamente idênticas.

Variabilidade Vertical: A Mutação

A variabilidade genética em bactérias é classificada em dois eixos principais: o vertical e o horizontal. O mecanismo de variabilidade genética que pertence ao eixo vertical é a mutação, que ocorre especificamente durante o processo de divisão celular bacteriana.

Na transmissão vertical, a célula mãe duplica seu material cromossômico para transmiti lo às células filhas. Durante essa duplicação do DNA, podem ocorrer erros ou alterações aleatórias denominadas mutações. Essas mudanças no código genético são fundamentais para a evolução bacteriana, pois podem resultar na produção de proteínas diferentes das originais.

Dessa forma, a mutação garante que a diversidade genética seja transmitida diretamente de uma geração para a seguinte, permitindo que novas características surjam no momento da replicação do genoma.

Mecanismos de Erro e Correção

• Taxa de mutação: Eventos espontâneos e aleatórios são raros, ocorrendo em cerca de uma a cada 10 bilhões de pares de bases.
• Mecanismo de revisão: A DNA polimerase bacteriana possui a capacidade de corrigir pareamentos incorretos de nucleotídeos durante a replicação.
• Tipos de mutação: O processo pode ser classificado como espontâneo ou induzido.
• Mutação induzida: Situação em que ocorre o forçamento do erro da DNA polimerase por agentes externos.
• Agentes mutagênicos: Substâncias como 2 aminopurina ou 5 bromouracil (que é estruturalmente similar à timina) são utilizadas para induzir erros na polimerização.

Transformação Bacteriana

1. Fragmentação: Ocorre a morte de uma bactéria doadora e a consequente fragmentação do seu material genético.
2. Liberação: Fragmentos de DNA livre são disponibilizados no meio ambiente circundante.
3. Captação: Uma bactéria receptora utiliza uma proteína ligadora de DNA para capturar o material extracelular.
4. Integração: A proteína REC A incorpora o DNA captado ao DNA cromossômico da bactéria receptora.

Competência e Griffith

A transformação é reconhecida como o primeiro mecanismo de transferência horizontal de genes identificado na microbiologia. Para que esse processo ocorra, é necessária a presença de uma bactéria morta, que atua como doadora de DNA, e uma bactéria viva, que funciona como receptora.

O processo inicia se com a fragmentação do DNA da bactéria morta. No experimento clássico de Griffith, fragmentos de DNA de uma bactéria do tipo lisa (S), que codificam para a produção de cápsula, são incorporados por uma bactéria do tipo rugosa (R), permitindo a expressão dessa nova característica na linhagem viva.

A capacidade de realizar a transformação depende de um estado fisiológico específico da bactéria receptora chamado competência. Nesse estado, o microrganismo expressa proteínas específicas responsáveis pela captação dos fragmentos de DNA disponíveis no ambiente.

Transdução por Bacteriófagos

1. Infecção: O bacteriófago, ou fago, injeta seu material genético na bactéria hospedeira.
2. Escravização celular: O material genético viral assume o controle da maquinaria bacteriana para produzir novas cópias e proteínas virais.
3. Montagem viral: Ocorre a organização do material genético dentro dos capsídeos dos novos vírus.
4. Erro de empacotamento: Um fago transdutor é criado quando, acidentalmente, um fragmento do DNA bacteriano é incorporado no capsídeo em vez do DNA viral.
5. Transferência horizontal: O fago transdutor transmite a informação genética da bactéria anterior para uma nova célula, promovendo a variabilidade genética.

Ciclos Virais e Latência

• Ciclo lítico: Resulta na lise (explosão) e morte da célula hospedeira, o que costuma ocorrer no momento em que os vírus saem da célula bacteriana.
• Ciclo lisogênico: Caracteriza se pela inserção do material genético viral no genoma do hospedeiro, permitindo que o vírus permaneça em estado dormente.
• Replicação na latência: Durante a fase lisogênica em bactérias, a informação viral é replicada e transmitida para as células filhas toda vez que a bactéria se divide.
• Exemplo do HIV: Este vírus pode injetar seu material genético e permanecer em fase lisogênica (dormente) por anos no hospedeiro.

Conjugação: Transferência Horizontal Direta

O Principal Meio de Disseminação de Resistência Hospitalar

A conjugação bacteriana é um processo de transferência horizontal de material genético que ocorre entre duas bactérias vivas. Nesse mecanismo, a bactéria doadora, frequentemente denominada F+, projeta um pílus para se comunicar e transferir DNA diretamente para a bactéria receptora.

O material transferido geralmente consiste em plasmídeos, que são moléculas de DNA extracromossômico independentes do material cromossômico principal da bactéria. Através dessa troca, a bactéria receptora pode adquirir novas características, como a resistência a antibióticos codificada por proteínas presentes nesses plasmídeos.

Pela sua capacidade de mediar a troca de genes de defesa, a conjugação é caracterizada como o mecanismo de transferência horizontal que mais ocorre no ambiente hospitalar, sendo crucial para a evolução da plasticidade genômica bacteriana.

Transposição: Genes Saltadores

1. Genes Saltadores: São genes com a característica de se movimentar dentro do genoma bacteriano ou entre moléculas de DNA.
2. Mecanismo Corta e Cola: O gene sai de um local e se insere em outro ponto do material genético.
3. Mecanismo Copia e Cola: O gene é duplicado antes de ser inserido em um novo local, mantendo a sequência original.
4. Impacto na Expressão: A movimentação de um gene saltador pode ativar outros genes vizinhos ou criar novos genes.
5. Transferência Horizontal: O processo ocorre frequentemente durante a recombinação de material genético com outras bactérias, caracterizando a variabilidade horizontal.

Princípios de Variabilidade

Na microbiologia, a simplicidade estrutural de um microrganismo está diretamente relacionada à sua plasticidade genômica. Quanto menor a complexidade e o número de genes, maior tende a ser a taxa de recombinação, variação genética e mutação. Devido a essa característica, os vírus são os microrganismos que apresentam as maiores taxas de mutação.

As bactérias são altamente suscetíveis a essas alterações genéticas, o que permite a existência de diferentes sorotipos dentro de uma mesma espécie. Na prática laboratorial, esses sorotipos distintos podem apresentar fenótipos variados em placas de cultura.

A variabilidade genética ocorre através de eixos verticais e horizontais, sendo que a identificação precisa desses mecanismos muitas vezes exige o uso de codificação genética. Entre os mecanismos horizontais de transferência de material genético, destacam se a transformação, a transdução, a conjugação e a transposição.

Genética da Resistência Antimicrobiana

A resistência bacteriana aos antibióticos é fundamentada em alterações genéticas na estrutura ou codificação da bactéria, permitindo que esses microrganismos modifiquem seu material genético para sobreviver. Esse fenômeno está frequentemente relacionado à expressão de proteínas, incluindo enzimas bacterianas que atuam degradando diretamente as moléculas dos antibióticos.

Um exemplo clássico desse mecanismo é observado no Staphylococcus aureus, que adquiriu resistência às penicilinas ao obter material extracromossômico, como um plasmídeo, de outra bactéria. Esse plasmídeo de resistência codifica uma enzima específica para a degradação do anel beta lactâmico dos antibióticos. Contudo, cabe ressaltar que a aquisição e a posterior estabilização de um plasmídeo por uma bactéria constitui um processo biologicamente difícil.

Resistência em Tratamentos Curtos

Em infecções de curta duração, como cistites ou faringites tratadas em períodos de 7 a 10 dias, as alterações genéticas bacterianas costumam ser desconsideradas devido ao tempo rápido de tratamento.

A resistência bacteriana pode ocorrer tanto por mutação, que representa a variabilidade vertical, quanto pela aquisição de plasmídeos de resistência. No entanto, em tratamentos de curta duração para pneumonia, a ocorrência de resistência por mutação bacteriana é considerada muito rara.

Impacto Clínico e Pós Pandemia

• Período pós pandemia: Houve um aumento significativo no surgimento de superbactérias resistentes a antibióticos.
• Uso indiscriminado: A utilização excessiva de antibióticos durante a pandemia acelerou o processo de evolução da resistência bacteriana.
• Indústria farmacêutica: A velocidade de desenvolvimento de novos antibióticos é inferior à velocidade de evolução da resistência bacteriana.
• Unidades de Terapia Intensiva (UTI): As infecções por bactérias multirresistentes são ocorrências comuns nestes ambientes.

Antibiograma e Hierarquia Terapêutica

Os carbapenêmicos são antibióticos potentes de uso restrito, mas a resistência plasmídica ameaça sua eficácia clínica.

Patógenos Respiratórios e Transmissão

A transmissão de patógenos por via aérea é significativamente facilitada durante o inverno, visto que ambientes fechados favorecem a propagação desses agentes. Nesse contexto, diversos microrganismos que compõem a microbiota humana ou que atuam como patógenos oportunistas ganham relevância clínica.

O Streptococcus pneumoniae, um coco gram positivo, destaca se como um importante causador de pneumonia. Paralelamente, outros agentes como o Haemophilus influenzae e a Klebsiella pneumoniae desempenham papéis duais no organismo humano.

O Haemophilus influenzae integra a microbiota do trato respiratório, mas também atua como agente etiológico em diversas síndromes respiratórias. Já a Klebsiella pneumoniae faz parte da microbiota normal tanto do trato respiratório quanto do trato gastrointestinal humano.

Manejo da Faringite e Staphylococcus

• Tratamento padrão: A amoxicilina é indicada para o tratamento de faringite bacteriana com presença de placas brancas na faringe.
• Manejo de reinfecção: A associação de amoxicilina com clavulanato é uma opção terapêutica comum em episódios de reinfecção após o uso prévio de amoxicilina.
• Padrão de incidência: Faringites e infecções de garganta apresentam maior ocorrência em períodos de mudanças bruscas de temperatura.
• Staphylococcus aureus: Trata se de um coco gram positivo com parede celular espessa que integra a microbiota humana normal.
• Patogenicidade bacteriana: O Staphylococcus aureus possui diversos fatores de patogenicidade e enzimas associadas às suas ações patogênicas.

Outros Agentes e Patologias

• Mycoplasma genitalium: Agente causador de infecções no trato urinário.
• Escherichia coli enterohemorrágica: Causa hemorragia no trato gastrointestinal.

Dicas Para Provas