O ácido pulcherrimínico modula a disponibilidade de ferro e protege contra o estresse oxidativo durante interações microbianas

Sep 25, 2023

Nature Communications volume 14, número do artigo: 2536 (2023) Citar este artigo

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Os sideróforos são moléculas solúveis ou incorporadas na membrana que se ligam à forma oxidada do ferro, Fe (III), e desempenham um papel na aquisição de ferro pelos microrganismos. Os sideróforos ligados ao Fe (III) ligam-se a receptores específicos que permitem que os micróbios adquiram ferro. Contudo, certos micróbios do solo libertam um composto (ácido pulcherrimínico, PA) que, ao ligar-se ao Fe(III), forma um precipitado (pulcherrimina) que aparentemente funciona reduzindo a disponibilidade de ferro em vez de contribuir para a aquisição de ferro. Aqui, usamos Bacillus subtilis (produtor de PA) e Pseudomonas protegens como modelo de competição para mostrar que o PA está envolvido em um sistema peculiar de gerenciamento de ferro. A presença do competidor induz a produção de PA, levando à precipitação de Fe (III) como pulcherrimina, o que previne o estresse oxidativo em B. subtilis ao restringir a reação de Fenton e a formação deletéria de ROS. Além disso, B. subtilis usa seu conhecido sideróforo bacilbactina para recuperar Fe (III) da pulcherrimina. Nossas descobertas indicam que o PA desempenha múltiplos papéis, modulando a disponibilidade de ferro e conferindo proteção contra o estresse oxidativo durante a competição entre espécies.

O Ferro (Fe) é um metal essencial requerido em altas concentrações celulares para a sobrevivência e crescimento da maioria dos organismos vivos na Terra. Embora abundante no solo, a sua solubilidade e, portanto, a sua biodisponibilidade são muito baixas em pH circunneutro (ca 10-10 M)1. Para resolver este enigma de alta demanda, mas baixa oferta, as bactérias do solo produzem sideróforos – compostos de baixo peso molecular com alta afinidade por Fe(III)2. Sistemas de transporte específicos permitem que o Fe seja captado pelas células e utilizado em diversas vias celulares e proteínas . Os microrganismos do solo frequentemente competem por Fe e desenvolveram mecanismos para maximizar a aquisição de Fe, incluindo a produção de múltiplos sideróforos com uma gama de afinidades por Fe e a expressão de vários receptores na superfície celular capazes de se ligar a sideróforos, às vezes incluindo xenosideróforos6,7,8 ,9. Na competição interespécies, a secreção de sideróforos pode conferir vantagem de crescimento através da rápida monopolização do Fe . No entanto, o sequestro de Fe pelos sideróforos pode ser uma faca de dois gumes, pois os concorrentes também podem enganá-los, adquirindo assim Fe sem compartilhar o custo metabólico da biossíntese dos sideróforos .

Usando a mesma via de síntese, B. subtilis produz dois sideróforos: o ácido 2,3-di-hidroxibenzóico de afinidade de ligação relativamente fraca (DHB; função de um catecol) e a bacibactina de afinidade de ligação forte (BB; função de três catecol) . O ácido pulcherrimínico (PA), outra molécula quelante de Fe produzida por leveduras e muitas bactérias, incluindo B. subtilis13,14,15, abriga dois grupos hidroxamato e forma o complexo vermelho insolúvel de pulcherrimina após a ligação ao Fe(III)15,16,17. Recentemente, foi demonstrado que o acúmulo extracelular de pulcherrimina (PA-Fe) restringe a expansão do biofilme, e foi sugerido que o PA atuasse como um sinal intercelular desencadeando a transição da fase exponencial para a estacionária em B. subtilis . A Pulcherrimina foi descrita pela primeira vez em um pequeno grupo de leveduras, incluindo Candida spp. e Kluyveromyces spp.15,19. Nestes organismos, a produção de PA demonstrou ter atividade antagônica, provavelmente através da depleção de Fe20. Em Kluyveromyces lactis, foi sugerido que o PA poderia atuar como sideróforo, ideia contraditória, uma vez que o complexo pulcherrimina é insolúvel e, aparentemente, não é uma fonte biodisponível de Fe19,21. Na verdade, quase todos os estudos anteriores em leveduras e Bacillus estipulam que o PA se liga irreversivelmente ao Fe (III) e, portanto, não desempenha nenhum papel na aquisição de Fe.

Outro aspecto importante da homeostase do Fe em B. subtilis é a formação de um biofilme. Mostramos anteriormente que tanto a matriz do biofilme quanto a produção de sideróforos são necessárias para o organismo adquirir Fe a partir de óxidos precipitados e que o Fe ligado ao biofilme pode ser usado como fonte local de Fe . Outro estudo demonstrou a importância do Fe(III) na camada profunda do biofilme, servindo como aceptor terminal de elétrons na ausência de oxigênio24. O Fe ligado ao biofilme parece, portanto, essencial para a função do biofilme, além do crescimento celular. Os sideróforos e a formação de biofilme contribuem para a aquisição e homeostase de Fe em bactérias formadoras de biofilme . No entanto, pouco se sabe sobre a vantagem ecológica da secreção de ligantes precipitantes como o PA no contexto da competição microbiana e o destino do Fe uma vez complexado ao PA.