Estudos de Quimiotaxia bacteriana Usando microfluídica - Entrevista

Meu nome é Roman Stocker. Sou professor assistente do segundo ano no Laboratório Ralph Parsons, que faz parte do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental aqui no MIT. Sou originário da Itália e estudei mecânica dos fluidos.

Minha formação é, portanto, mais voltada para as ciências exatas, mas nos últimos dois ou três anos, na verdade, tenho me dedicado cada vez mais a temas ambientais e biológicos. Há dois anos, comecei a desenvolver microfluídica para investigar problemas na ecologia microbiana, e, com esses dispositivos microscópicos, somos capazes de abordar questões ecológicas típicas em escalas da ordem de micrômetros. Nosso trabalho concentra-se principalmente em organismos aquáticos, aqueles que conseguem nadar no oceano e rastrear suas fontes de alimento.

Em particular, as bactérias desenvolveram maneiras muito engenhosas de nadar, e tenho aqui uma pequena demonstração. A cabeça bacteriana é basicamente um elipsoide. Imagine que isso tenha cerca de dois mícrons de tamanho.

Na parte traseira da bactéria, há um ou mais flagelos. Esses flagelos são estruturas helicoidais que a bactéria pode rotacionar. Essa rotação produz uma força propulsora que permite à bactéria nadar efetivamente para a frente.

Existem diferentes modos pelos quais as bactérias realmente fazem isso, e há diferentes estratégias de natação, o que faz parte do que nossa pesquisa investiga. A razão pela qual as bactérias nadam no oceano é poder explorar melhor as fontes de nutrientes, o que representa parte de uma mudança de paradigma ocorrida nas últimas 15 ou 20 anos. Antes disso, as pessoas costumavam acreditar que o oceano era uma sopa homogênea de nutrientes em escalas de metros até dezenas de metros, e nessa visão do oceano, organismos em pequena escala, como as bactérias, eram considerados sem papel substancial e realmente apenas transportados passivamente pelas correntes oceânicas.

Mas há 10 ou 15 anos, as pessoas perceberam que isso realmente não é o que ocorre no oceano e que, de fato, esses organismos em pequena escala estão entre os participantes mais importantes na determinação da saúde oceânica e, portanto, até mesmo em questões como o nosso clima global. Isso acontece por dois motivos. O primeiro motivo é que eles ocorrem em todos os lugares do oceano e sua biomassa acumulada excede em muito a de todos os outros organismos marinhos.

A segunda razão, e talvez a mais fundamental, é que esses organismos em pequena escala, ao utilizarem fontes de nutrientes e, em particular, carbono, podem reciclar os nutrientes para outros componentes da teia alimentar e, consequentemente, intensificar substancialmente outros aspectos e partes da cadeia trófica no oceano. Em tudo isso, nosso trabalho foca principalmente na interação entre organismos nadadores e manchas de nutrientes. As bactérias não apenas são capazes de nadar, mas também conseguem detectar e sentir gradientes de nutrientes.

Ou seja, eles são capazes de perceber quando as condições de vida estão melhorando e nadam em direção a gradientes de nutrientes. Eles fazem isso por meio de um processo conhecido como quimiotaxia. A quimiotaxia é a capacidade de detectar um gradiente químico e nadar em sua direção.

Isso é realmente o que estudamos no laboratório, e a microfluídica é uma ferramenta que nos permite investigar as capacidades quimiotáticas e de natação das bactérias e, portanto, extrapolar e ampliar seu papel para determinar quão importantes são na manutenção da saúde do oceano. No último ano e meio, montamos dispositivos microfluídicos que permitem expor as bactérias a diferentes tipos de condições normalmente encontradas no oceano. Como mencionei anteriormente, manchas típicas de nutrientes, mas também, por exemplo, turbulência.

O que descobrimos até agora é que bactérias marinhas parecem ter se adaptado de maneira muito eficiente para explorar esses aglomerados de nutrientes e serem capazes de contrabalançar, por meio da natação, uma grande variedade de condições de turbulência no oceano, o que as tornaria muito bem preparadas para sobreviver em um oceano que, tipicamente, é um deserto de nutrientes do seu ponto de vista e no qual os nutrientes ocorrem apenas em manchas esparsas e muito raras em uma coluna d'água tridimensional, além de serem capazes, ao mesmo tempo, de nadar, combater a turbulência e, portanto, ainda conseguirem rastrear seus alimentos nutritivos mesmo quando a água ao seu redor está se movendo violentamente. A iniciativa do sistema terrestre é uma iniciativa muito interessante e que reúne diversas pessoas de diferentes disciplinas, todas interessadas em compreender melhor como o nosso planeta realmente funciona. Em resumo, o objetivo da iniciativa do sistema terrestre é tentar fazer pelo planeta a mesma coisa que já estamos fazendo e fazemos há muito tempo.

Para o corpo humano, que busca compreender sua saúde, entender a saúde do planeta nos dias atuais é particularmente importante devido às preocupações com o aquecimento global, por exemplo, e com os gases de efeito estufa; vários dos esforços dentro da iniciativa do sistema terrestre visam compreender melhor a saúde do planeta. Nosso trabalho se insere nesse contexto ao analisar um componente do ciclo do carbono no oceano. Buscamos compreender, em especial, como organismos em pequena escala, como mencionei anteriormente, especialmente bactérias nadadoras, podem afetar esses ciclos em larga escala, o que tem repercussões no ciclo global do carbono no oceano e, portanto, no ciclo global do carbono em todo o mundo, incluindo a Atmosfera.

Todo o nosso trabalho até agora nessa área foi permitido e, na verdade, desencadeado por um avanço tecnológico fundamental, que é a microfluídica. Nos últimos 10 anos, a microfluídica foi desenvolvida em uma ferramenta realmente interessante e inovadora, particularmente na região de Boston e Cambridge. O criador da tecnologia de microfluídica em sua forma atual é o Professor George Whitesides, de Harvard, que introduziu o processo de litografia macia e o uso de PDMS na fabricação de dispositivos microfluídicos.

Desde então, a aplicação da microfluídica cresceu exponencialmente em uma ampla gama de áreas. Da engenharia química às ciências da saúde, começamos a aplicá-la na ecologia microbiana e para abordar alguns desses problemas em pequena escala no oceano relacionados à natação de microrganismos. Em resumo, é difícil, senão impossível, estudar esses processos diretamente no oceano devido às suas pequenas escalas e à variabilidade inerente ao oceano; ainda não somos capazes de visualizar in loco bactérias com cerca de um mícron de tamanho diretamente no oceano. Ao mesmo tempo, as pessoas tentaram modelar esses processos, por exemplo, de forma numérica ou teórica, mas, por se tratar de biologia, é necessário depender de suposições.

Por exemplo, será necessário fazer suposições sobre a estratégia de natação de uma bactéria ou a estratégia de quimiotaxia de um bacilo, e, portanto, são necessários experimentos reais para avançar nessa área. A microfluídica permite levar pequenas regiões, pequenas partes do oceano, para o laboratório, e ao mesmo tempo expor bactérias e microrganismos a condições ambientais realistas, tanto em termos de nutrientes quanto em termos de fluxos. Ao mesmo tempo, utilizando microscopia de vídeo e rastreamento celular, podemos estudar o comportamento de bactérias individuais de maneira muito bem controlada, o que nos permite progredir nessas questões de um modo que não seria possível há cerca de 10 anos, e tudo isso se deve a avanços tecnológicos, especificamente os micro Verdicts.

Existem dois principais desafios que vejo à frente de nós nesse campo. O primeiro, como mencionei anteriormente, é conseguir, em algum momento, levar essas perguntas para o oceano. A razão pela qual é necessário ir, em última instância, ao oceano é capturar toda a variabilidade inerente a esses processos.

Por exemplo, ainda não temos ideia do que realmente vaza de uma partícula em sedimentação, que tipo de nutrientes está presente, que tipo de compostos químicos as bactérias quimiotaticam em direção no laboratório. Só podemos estudar as condições mais simples desses processos, mas o que realmente ocorre no oceano é um conjunto de processos complicados e altamente variáveis que precisamos explorar diretamente no C dois. Este é um grande desafio do ponto de vista da amostragem, do ponto de vista da imagem e do ponto de vista da realização de análises químicas e biológicas em escalas que, como mencionei algumas vezes, são da ordem de poucos micrômetros e em termos de volumes de picolitros.

O segundo desafio que considero mais fácil de enfrentar é a visualização do comportamento em três dimensões. Tudo o que fazemos atualmente no laboratório é bidimensional. Utilizamos microscopia convencional para visualizar trajetórias e acúmulo de microrganismos, mas temos grandes esperanças em uma técnica conhecida como holografia digital, que nos permitirá, em um período de cerca de três a cinco anos, rastrear esses fenômenos em três dimensões e, portanto, capturar de forma mais fiel e realista a ecologia nos próximos cinco anos.

Além de tentar avançar na amostragem tridimensional e possivelmente dar os primeiros passos ingênuos rumo à amostragem de coisas no oceano, certamente queremos vincular esses estudos aos esforços em andamento para compreender a genômica desses organismos. Há um grande impulso, em particular como parte da iniciativa do sistema terrestre, para entender a composição genética e a variabilidade em termos de genética dessas bactérias no ambiente. Ao mesmo tempo, a genômica carece da capacidade de vincular diretamente os achados ao comportamento dos organismos, e é exatamente isso que esperamos que a microfluídica e esses estudos mais comportamentais e ecológicos clássicos possam trazer para o debate.

Temos uma excelente estrutura e uma ótima equipe de pesquisadores estudando a genômica de bactérias marinhas, e, ao colaborar com eles, esperamos poder conectar essas duas questões fundamentais para obter uma compreensão mais profunda das bactérias presentes nos oceanos e de seu papel na determinação da saúde do oceano e do planeta.