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Como vimos, a quimiotaxia exerce um papel importante nos mecanismos bio- lógicos, sendo, de certa forma, o mesmo processo para especies diferente. No entanto, mesmo após todas as características e evidencias da influência da quimiotaxia sobre os seres vivos, o termo “quimiotaxia” é mais conhecido quando relacionado com os movimentos das células.

1.3 Quimiotaxia bacteriana

Descoberto por W. Engelmann e W. Pfeffer em 1880, a quimiotaxia bacteriana consta com um amplo estudo já bem estruturado. Grande parte dos estudos mais completos começaram em meados da década de 60, onde a parte quantitativa, genética e bioquímica foi mais investigada por J.Adler [2]. Definido como o subsistema biológico mais bem conhecido, a quimiotaxia se tornou alvo para grandes estudos envolvendo simulações computacionais [25], envolvendo Biologia, Química e Física. Para a Física, os estudos são mais voltados para cinética dos movimentos e as reações que podem ser causadas por eles.

Por ter um tamanho pequeno e ser um microrganismo relativamente simples, as bactérias possuem pouca capacidade de se ajustarem ao ambiente em que se encontram. Contudo, mesmo com essa limitação, a forma de locomoção das bactérias permite a elas percorrerem grandes percursos durante seu ciclo de vida e estar presente em diversos ambientes [2]. No entanto, mesmo considerando a grande amplitude de deslocamento, as bactérias são incapazes de escolher a direção que devem tomar. O comportamento das bactérias consiste em alterar a duração dos movimentos, quando se aproximam de um atrator químico (nutriente), resultando em um nado mais longo em linha reta, i.e., uma pequena frequência de mudança de direção. Contrariamente, se elas se aproximam de algum repelente químico, ou se afastam do atrator, elas tendem a aumentar a frequência de mudança de direção, buscando assim, uma nova rota para nadar, Fig. 1.3.1. Já se sabe que esta característica está ligada a um sensoriamento temporal [24], que será discutido na seção 1.5.

Os responsáveis por identificarem os tipos de atraente ou repelentes são os quimiorreceptores, também chamados de proteínas receptoras de grupos metílicos [26], ou “MCP’s” - Methyl-accepting Chemotaxis Proteins. É através dos MCP’s que as proteínas específicas de cada receptor são reconhecidas. Outros estímulos podem

Figura 1.3.1 –Comportamento do nado da E. coli que é dividida em corridas (run) e guinadas (tumble). A) sem estímulo; B) com estímulo [2].

fazer um caminho maior, tendo que passar antes por um receptor principal, para apenas depois se ligarem ao receptor específico [24]. Para o nosso trabalho os MCP’s são referenciados apenas como receptores.

Saber que a importância da quimiotaxia bacteriana está diretamente ligada à forma como é feita a busca por nutrientes e fuga de áreas prejudiciais pode ajudar a entender o mecanismo interno das bactérias. A detecção de áreas positivas e ne- gativas para bactérias é realizada pelos receptores que possuem segmentos internos, responsáveis pela transdução, e segmentos externos, responsáveis pelas ligações com os nutrientes/repelentes. Cada bactéria possui capacidade de adaptação a diferentes tipos de moléculas. Na E. coli, estes receptores já são bem conhecidos quantitativamente. A E.coli possui cinco tipos de quimiorreceptores: aspartato (Tar), serina (TSR), dipetidios (TAP), ribose e galactose (TRG) e potencial redox (Aer), sendo o aspartato e a serina presentes em maior quantidade [27]. Os receptores se comunicam com o motor flagelar através de processos químicos de fosforilação, envolvendo proteínas internas da bacté- ria [28]. No caso específico do receptor Tar, os locais de modificações são os resíduos 295, 302, 309 e 491, identificados como sítios metílicos, indo de 1 a 4. Os resíduos 295, 302 e 309 são localizados de um mesmo lado da hélice α e separados entre eles por sete resíduos de aminoácidos. O resíduo 491 é localizado em outra hélice [29], como mostrado na Fig.1.3.2. O comportamento da bactéria está diretamente relacionada à ligação de moléculas atrativas aos seus receptores, influenciando assim, o movimento

1.3. Quimiotaxia bacteriana 11

(a) (b)

Figura 1.3.2 –Descrição dos sítios 1, 2, 3 e 4 (Q295, E302, Q309 e E491) de um quimiorreceptor Tar da E. coli Tar. A) Localização dos sítios 1, 2, 3 e 4 nas hélices C-terminal, com espaçamento dos giros da hélice. Um giro da hélice conta 3.5 aminoácidos. B) Esquema de distribuição dos sítios na hélice C-terminal. Sítios 1, 2 e 3 do mesmo lado de uma hélice e sítio 4 em outra hélice.

da bactéria.

A mobilidade e a quimiotaxia das bactérias podem ser medidas por várias técnicas. Uma delas é a variação temporal da concentração de ligantes, que avalia como as bactérias utilizam seus receptores para comparar a concentração de estímulo atual com a quantidade encontrada alguns segundos antes [6]. De tempo em tempo, a concentração de estímulo é alterada e os receptores irão ligar-se aos ligantes, iniciando o processo quimiotático. Por este mecanismo, ela pode aumentar ou diminuir a frequência de mudança de direção.

Mesmo sendo uma descoberta de mais de um século, conforme citado anteri- ormente, somente há algumas décadas o entendimento da quimiotaxia começou a ter um avanço significativo e a transdução de sinais começou a ser revelada nas células [30]. No processo de trandução de sinais, as bactérias demonstram muita sensibilidade às variações das concentrações de estímulo, no entanto, são insensíveis quando estão na presença de estímulos constantes. Evidências mostram que a adaptação precisa é importante para o processo sensorial, pois no estado adaptado o sistema compensa a estimulação contínua estando, assim, pronto para responder a novos estímulos [31]. Este assunto será melhor detalhado na seção 1.7.

Figura 1.3.3 –Representação do movimento: A) das bactérias; B) e C) das células eucariontes [1]

O tamanho pequeno das bactérias também influencia em seu comportamento, sendo responsável por dificultar a detecção eficaz do gradiente de concentração. Para suprir essa desvantagem, as bactérias usam a técnica de se movimentar constantemente para frente ou dar guinadas (mudança de direção). Células maiores, como as eucariontes, permitem a detecção direta do gradiente de estímulo, sendo o movimento em direção ao estímulo mais preciso (Fig. 1.3.3). No entanto, a existência de um gradiente químico é essencial, tanto para as bactérias como para as células eucariontes.