Endocitose

Nature Communications volume 13, número do artigo: 5524 (2022) Citar este artigo

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Acredita-se amplamente que a transferência horizontal de genes em bactérias ocorre por meio de conjugação, transdução e transformação. Esses mecanismos facilitam a passagem do DNA através da parede celular protetora usando maquinário sofisticado. Aqui, relatamos que bactérias deficientes na parede celular podem engolir DNA e outros materiais extracelulares através de um processo semelhante ao da endocitose. Especificamente, mostramos que as formas L do actinomiceto filamentoso Kitasatospora viridifaciens podem absorver DNA plasmídico, polissacarídeos (dextrano) e nanopartículas lipídicas de 150 nm. O processo envolve a invaginação da membrana citoplasmática, levando à formação de vesículas intracelulares que encapsulam o material extracelular. A captação de DNA não é afetada pela deleção de genes homólogos a comEC e comEA, que são necessários para a transformação natural em outras espécies. No entanto, a absorção é inibida pela azida de sódio ou pela incubação a 4 °C, sugerindo que o processo é dependente de energia. Os materiais encapsulados são liberados no citoplasma após degradação da membrana da vesícula. Dado que as bactérias deficientes na parede celular são consideradas um modelo para as primeiras formas de vida, o nosso trabalho revela um possível mecanismo para as células primordiais adquirirem alimento ou material genético antes da invenção da parede celular bacteriana.

As bactérias estão constantemente expostas a mudanças nas condições ambientais e dependem do seu envelope celular para proteção. O envelope celular consiste em uma membrana celular e uma parede celular para separar o ambiente interno do externo. A membrana celular é uma bicamada fosfolipídica que envolve o citoplasma e funciona como uma barreira seletiva. A parede celular consiste em uma camada espessa de peptidoglicano (PG) para bactérias Gram-positivas e uma camada mais fina de PG cercada por uma membrana externa para bactérias Gram-negativas. A camada de peptidoglicano é uma importante estrutura semelhante a uma malha que não apenas fornece proteção contra estresse mecânico e pressão de turgescência, mas também define a forma e a rigidez da célula.

Para facilitar a passagem seletiva de macromoléculas através do envelope celular, as bactérias desenvolveram sistemas de transporte especializados e sofisticados1. Por exemplo, bactérias naturalmente transformáveis ​​dependem de complexos proteicos para absorção de DNA, com componentes semelhantes aos pili tipo IV ou sistemas de secreção tipo II. O transporte ativo de DNA através da parede celular é facilitado pela retração das estruturas do pilus que se ligam ao DNA2,3. Proteínas de ligação ao DNA e formadoras de poros são então usadas para translocar o DNA através da membrana celular.

Embora a parede celular seja uma estrutura vital para a maioria das bactérias, algumas bactérias naturalmente não possuem parede celular ou podem se desfazer de sua parede sob condições específicas. Os exemplos incluem os membros dos Mollicutes, que são parasitas e vivem em ambientes osmoticamente protetores específicos, como as superfícies mucosas humanas ou os tubos da peneira do floema das plantas4. A exposição prolongada a estressores ambientais, como agentes direcionados à parede celular, gera as chamadas formas L, que são células que podem proliferar sem suas paredes celulares. A reprodução das formas L é independente da maquinaria de divisão canônica baseada em FtsZ5 e é impulsionada por um desequilíbrio na relação entre a área superficial e o volume das células, causado pela regulação positiva da síntese da membrana, levando à formação espontânea de bolhas, tabulação e vesiculação6,7. Essas características primitivas semelhantes a células tornam as formas L um sistema modelo atraente para estudar a evolução do início da vida .

Alguns actinomicetos filamentosos, como o Kitasatospora viridifaciens, formador de micélio, têm a capacidade de eliminar transitoriamente sua parede celular sob condições de estresse hiperosmótico (Fig. 1a) . Ao contrário das formas L, as células S não são capazes de proliferar sem a sua parede celular, embora estas células sejam capazes de reverter para o modo de crescimento micelial após reconstruir a sua parede celular. Células com deficiência temporária de parede celular também podem ser geradas artificialmente a partir de bactérias muradas através da remoção enzimática da parede celular, por exemplo, pela ação da lisozima que degrada o peptidoglicano. Isto leva à formação de protoplastos ou esferoplastos, que são amplamente utilizados para fins de engenharia genética, muitas vezes envolvendo o uso de polietilenoglicol (PEG) para permitir a entrada do DNA na célula10. Embora esta transformação baseada em PEG seja uma técnica amplamente utilizada para a transformação de actinomicetos filamentosos, nunca foi demonstrado inequivocamente se as células muradas de K. viridifaciens, ou as suas células naturais deficientes na parede celular, são capazes de transformação genética natural sem utilizar PEG. Não se sabe como a ausência da parede celular afeta a absorção natural de macromoléculas como o DNA do meio ambiente.