Como as fezes carregadas de antibióticos ajudam os besouros percevejos a se manterem saudáveis

Por mais nojento que possa parecer, um novo estudo sugere que os hábitos de queda desse besouro são na verdade parte de uma estratégia inteligente para proteger a saúde do inseto e também podem ajudar a informar a medicina humana.

Pesquisadores da Universidade da Califórnia, em Berkeley, descobriram que excrementos de besouro de cabra com chifres estão cheios de antibióticos e produtos químicos antifúngicos semelhantes aos que os humanos usam para se proteger de infecções bacterianas e fúngicas. Esses compostos são produzidos por uma série de bactérias benéficas chamadas actinomicetos, que vivem nas fezes do besouro e parecem passar de besouro em besouro, e de colônia em colônia, por meio do processo de coprofagia, o termo técnico para comer cocô.

Compreender a relação simbiótica entre besouros, actinomicetos e seus compostos antimicrobianos pode ajudar a acelerar a busca por novos antibióticos e ajudar os médicos a criar melhores estratégias para prevenir o aumento de infecções resistentes a antibióticos, disseram os pesquisadores.

“A maioria dos antibióticos e antifúngicos que os humanos tomam são realmente produzidos por micróbios, e estamos realmente interessados ​​em como os micróbios usam essas moléculas no ambiente”, disse o principal autor do estudo, Matthew Traxler, professor assistente de Biologia Vegetal e Microbiana da UC Berkeley . “Quando os cientistas descobrem um novo antibiótico e o trazem para a clínica, geralmente leva apenas alguns anos antes que a população do patógeno comece a desenvolver resistência aos antibióticos. Mas esses micróbios têm usado as mesmas moléculas por milhões de anos. E isso nos diz que a maneira como os micróbios os usam é diferente de como os usamos. “

Com a descoberta, os besouros percevejos juntam-se a um punhado de outros insetos, incluindo formigas cortadeiras, besouros do sul do pinheiro e abelhas, ou vespas assassinas de abelhas, que se beneficiam de relações simbióticas com bactérias actinomicetas. As formigas cortadeiras e as abelhas até desenvolveram estruturas especiais em seus corpos, no tórax e nas antenas, respectivamente, para transportar esses micróbios.

Nenhuma estrutura especial para abrigar bactérias foi identificada no besouro, mas essa pode ser a vantagem do besouro. Embora formigas e vespas sejam conhecidas por se associarem a apenas uma espécie específica de bactéria actinomiceta, os pesquisadores identificaram mais de 30 espécies de actinomicetos associadas às “galerias” do besouro percevejo, os túneis escavados nos troncos mortos onde vivem. A maior diversidade de actinomicetos nos excrementos do besouro percevejo parece contribuir para uma maior diversidade de antibióticos protetores e antifúngicos em suas galerias.

“Coletamos amostras de galerias em todo o sul e leste dos Estados Unidos e, em quase todas elas, pudemos detectar algum tipo de antibiótico. Isso foi realmente surpreendente, porque esses compostos costumam ser muito difíceis de detectar no ambiente.” disse a principal autora do estudo, Rita de Cassia Pessotti, que concluiu a pesquisa como pesquisadora de pós-doutorado na UC Berkeley. “Achamos que estamos vendo uma maior diversidade de moléculas porque também existe um conjunto mais diversificado de bactérias.”

Ter uma diversidade de compostos antibióticos e antifúngicos, todos trabalhando juntos, pode ser uma das razões pelas quais esses produtos químicos podem permanecer à frente na batalha evolutiva contra os patógenos, disseram os pesquisadores.

“Quando os humanos tomam antibióticos para tratar doenças, geralmente tomamos apenas uma única molécula, e isso significa que qualquer patógeno contra o qual lutamos só precisa se tornar resistente a um composto”, disse Traxler. “Mas, nessas galerias, há uma variedade dessas moléculas para um patógeno superar. Além disso, às vezes as moléculas podem trabalhar sinergicamente, o que significa que se tornam mais potentes quando combinadas contra um patógeno específico. Isso pode torná-lo muito difícil para um patógeno ser mais esperto que eles, mesmo em períodos ecológicos e evolutivos. “

Uma jornada pelo país em busca de besouros

Antes de Traxler e Pessotti começarem seu estudo, o complexo sistema digestivo do besouro já havia chamado a atenção de Javier Ceja-Navarro e Eoin Brodie, cientistas pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley. Ceja-Navarro e Brodie ficaram intrigados com a capacidade do besouro de converter polímeros vegetais duros e difíceis de digerir, como lignina e celulose, em fezes ricas em nutrientes, um processo digestivo que poderia inspirar novas maneiras de transformar subprodutos lenhosos em úteis . biocombustíveis. Para estudar este processo, Ceja-Navarro e Brodie mantiveram uma galeria ativa de besouros bessbug em seu laboratório.

Traxler e Pessotti estavam procurando uma maneira de estudar a bactéria actinomicete na natureza e descobriram que os actinomicetos foram encontrados vivendo nas entranhas de besouros tropicais intimamente relacionados ao besouro percevejo. Eles decidiram perguntar a Ceja-Navarro e Brodie, amigos e colegas deles, se eles poderiam testar seus besouros para a bactéria.

“Coletei amostras de todos os besouros e de sua galeria, até lavei a boca de um besouro com alguns absorventes para ver o que havia ali, e não importa de onde veio a amostra, sempre encontrei as mesmas espécies de Streptomyces, “um tipo de bactéria actinomiceto”, disse Pessotti. “Ficamos bastante surpresos com o fato de ser tão comum.”

Esta linhagem de Streptomyces a bactéria não era exclusiva dos besouros Ceja-Navarro. Pessotti descobriu que podia encomendar besouros bessbug online: “Se você quiser um besouro de estimação, pode”, disse ele, e descobriu que esses besouros, originários da Geórgia e da Carolina do Norte, também carregavam a mesma espécie de besouro. Streptomyces.

No entanto, foi necessária uma viagem a Oklahoma para finalmente convencer Traxler e Pessotti de que os besouros bessbug poderiam fornecer o sistema ideal para estudar os actinomicetos. Depois que Traxler viu no Facebook fotos de uma galeria de besouros localizada no quintal de seu primo em Oklahoma, Pessotti voou para o estado para coletar seu primeiro conjunto de amostras de besouros na natureza.

Com certeza, os besouros de Oklahoma abrigavam agora espécies familiares de Streptomyces.

“Essa descoberta é o que nos deu a coragem de sair e fazer esta viagem de amostragem gigante, que por si só foi uma façanha”, disse Traxler. “Rita é do Brasil, mas neste momento, acho que ela provavelmente já visitou mais estados nos Estados Unidos do que eu.”

Pessotti passou um mês cruzando o sudeste dos Estados Unidos, vasculhando florestas para localizar galerias de besouros e coletar amostras para levar ao laboratório em Berkeley. No final, ele coletou amostras de um total de 22 galerias espalhadas por 11 estados.

Além de lidar com desafios logísticos, como desviar parte de sua viagem no último minuto para evitar o furacão Florença, Pessotti também teve que aprender a localizar galerias de besouros em meio a escombros no chão da floresta. No início, ele fez uso extensivo do aplicativo iNaturalist para celular, no qual naturalistas e leigos podem fazer upload de fotos e descrições de plantas e animais, com geo-tags de sua localização.

Ele logo descobriu que a chave para encontrar galerias de besouros percevejos é ficar de olho em seus excrementos semelhantes a serragem.

“Você não precisa ir muito longe na floresta para encontrar uma galeria de besouros – na verdade, encontrei alguns próximos às trilhas”, disse Pessotti. “Normalmente você pode ver pequenos buracos na superfície de uma tora com excrementos saindo deles, e excrementos por todo o tronco e no chão. E se você vir evidências de excrementos em uma tora, provavelmente é uma boa pista de que há um besouro. ali “.

O poder protetor do cocô

De volta ao laboratório, Pessotti isolou mais de 300 cepas de bactérias actinomicetas de suas amostras de galeria e detectou compostos antifúngicos e antibióticos em todos, exceto em um.

Com a ajuda de Jewel Reaso, uma ex-estudante de graduação da UC Berkeley, Pessotti também desenvolveu um experimento especial para confirmar que a bactéria actinomicete realmente ajuda a proteger os besouros da infecção. No teste, Pessotti misturou excrementos de besouro esterilizados com uma cepa de Streptomyces isolado das galerias do besouro dentro de um tubo de ensaio. Ele então expôs as fezes a um fungo patógeno que coletou durante sua viagem de campo e observou o que aconteceu ao longo de uma semana.

“Tive muita sorte de fazer a viagem: vi um besouro morto em cima de um tronco, era como se o besouro estivesse esperando por mim. E esse besouro morto tinha um material branco / verde saindo de seu corpo que pensei que poderia ser algum tipo de cogumelo “, disse Pessotti. “Então, eu trouxe este besouro morto para o laboratório, isolei o micróbio responsável pelo material verde / branco e acabou por ser uma cepa de Metarhizium anisopliae, um fungo patogênico que pode matar insetos. “

Os experimentos de Pessotti mostraram que excrementos esterilizados que foram misturados com Streptomyces As bactérias foram mais capazes de resistir ao crescimento do Metarhizium anisopliae patógeno do que excremento esterilizado por conta própria, mesmo em condições quentes e úmidas semelhantes a um tronco apodrecido. Suas descobertas confirmaram que as moléculas de antibióticos e antifúngicas produzidas pela bactéria actinomiceto podem, de fato, ajudar a se proteger de patógenos de besouro encontrados na natureza.

Os resultados lançam uma nova luz sobre a estreita relação dos besouros bessbug com seu próprio cocô: quando os besouros usam excrementos para forrar suas galerias e construir câmaras protetoras ao redor de suas larvas em desenvolvimento, eles estão na verdade se defendendo de fungos patógenos e bactérias que poderiam prosperar . nas toras podres onde constroem suas casas. E quando os besouros comem seus próprios excrementos e os dão aos filhotes, eles garantem que a bactéria permaneça por perto para beneficiar uma nova geração.

Traxler planeja continuar estudando as comunidades microbianas associadas às galerias de besouros, tanto para entender melhor como a relação entre besouros e actinomicetos evoluiu, quanto para descobrir novos antibióticos que podem ser usados ​​na medicina humana.

“Se você estiver no mundo e vir um desses besouros ou suas galerias, espero que reconheça que ele está cheio de antibióticos e antifúngicos”, disse Traxler. “E os besouros estão usando as teses de uma maneira muito semelhante a como nós as usaríamos, o que é muito legal.”