Modelo metabólico em escala genômica integrado com as vias regulatórias associadas ao biofilme de Staphylococcus aureus ST239-SCCmecIII (Bmb9393)

• Ano de defesa: 2018
• Autor(a) principal: Costa, Maiana de Oliveira Cerqueira e
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Laboratório Nacional de Computação Científica; Coordenação de Pós-Graduação e Aperfeiçoamento (COPGA); Brasil; LNCC; Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional
• Palavras-chave em Português: Modelos biológicos; Stafilococos áureos; Modelagem computacional; Rede regulatória transcricional; CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS::MICROBIOLOGIA
• Link de acesso: https://tede.lncc.br/handle/tede/292

O patógeno S. aureus é uma das bactérias Gram-positivas de maior versatilidade no que diz respeito a diversidade de tecidos que pode infectar e a variedade de doenças que ocasiona tanto em hospitais quanto na comunidade. Fora a enorme variabilidade de fatores de virulência e a grande capacidade de dispersão de clones multiressistentes como o BEC (Brazilian Epidemic Clone), a emergência de isolados resistentes a diferentes classes de antimicrobianos como os importantes fenótipos de MRSA (Staphylococcus aureus resistentes à meticilina) e VRSA (Staphylococcus aureus resistentes à vancomicina) representam um grave problema de saúde pública. Sendo assim, o presente trabalho teve como um dos objetivos principais reconstruir uma rede regulatória transcricional (TRN - do inglês: Transcriptional Regulatory Network ) para o isolado brasileiro Bmb9393 do patógeno Staphylococcus aureus. Al ́em disso, objetivou a identificação dos mecanismos regulatórios que atuam na formação do biofilme da bactéria em estudo e como os mesmos influenciam o metabolismo atravês de um modelo computacional integrado. O biofilme é um importante fator de virulência em infecções nosocomiais, sobretudo as que envolvem adesão a dispositivos médicos invasivos e ao tecido do hospedeiro, desempenhando um papel essencial na persistência de infecções crônicas. O mesmo pode ser definido como uma comunidade microbiana séssil em que células aderem a uma superfície abiótica ou a outras células e encontram-se envoltas por uma matriz extracelular polimérica protetora. O crescimento em biofilme confere inúmeras vantagens adaptativas em relação às células planctônicas, ou seja, de vida livre, podendo-se destacar a redução na susceptibilidade aos antibióticos e ao sistema imune do hospedeiro, dificultando a erradicação das infecções (1). Neste contexto, a presente Tese reconstruiu tanto uma TRN quanto uma nova versão do modelo metabólico em escala genômica (GEM – Genome-Scale Metabolic Model ) para o isolado brasileiro de S. aureus Bmb9393 (2). Este isolado possui um aumento na capacidade de produzir biofilme e uma maneira interessante para estudar tal fenômeno e através de um modelo computacional integrado englobando as vias regulatórias associadas à produção de biofilme e o GEM. A abordagem integrativa proposta nesta Tese é inovadora, pois é o primeiro modelo do patógeno S. aureus que considera o impacto da regulação gênica na atividade metabólica. Al ́em disso, é a primeira a reconstruir uma TRN de um dos membros pertencentes ao clone multiressistente BEC, responsável por infecções em diversos hospitais brasileiros e que tornou-se, em pouco tempo, um dos clones de MRSA de maior dispersão mundial. A metodologia pode ser dividida em três etapas principais, onde a primeira consistiu na reconstrução do draft da TRN da Bmb9393 a partir de informações propagadas da TRN do isolado N315 de S. aureus (3). A TRN inicial da Bmb9393 foi então enriquecida tanto com dados provenientes de bancos de dados de regulons bacterianos como o RegPrecise e Prodoric, como por predições de elementos regulatórios e interações obtidas da literatura, ambos curados manualmente. Ainda na parte inicial, foram identificados os fatores de transcrição, cuja expressão de todos os seus respectivos genes alvos encontrava-se alterada na condição de biofilme em relação à condição planctônica, além da reconstrução das vias regulatórias dos mesmos. A segunda etapa envolveu a construção de uma versão atualizada e curada do modelo metabólico da Bmb9393 publicado anteriormente. Com o GEM atual da Bmb9393 foi aplicado o método da análise de balanço de fluxo (FBA – Flux Balance Analysis) que utiliza otimização linear para determinar a distribuição dos fluxos das reações em estado estacionário numa rede metabólica através da maximização de um objetivo celular, que, no caso, foi representado pela capacidade de crescimento ou biomassa (4). Por fim, a última etapa consistiu na integração do modelo metabólico com as vias regulatórias de interesse, além da via regulatória representando o modelo de utilização da lactose que foi utilizada como validação da metodologia empregada. Diante disso, foi obtido um modelo computacional mais realístico e representativo do que acontece no patógeno, onde o metabolismo e a regulação encontram-se altamente integrados, resultando em simulações e predições mais confiáveis. É importante ressaltar que a abordagem integrativa descrita neste trabalho é inédita para o patógeno S. aureus e abre novas possibilidades no estudo do tão complexo fenômeno do biofilme. Os resultados obtidos com a análise dos fatores de transcrição alterados na condição de biofilme demonstraram uma grande prevalência de genes associados ao metabolismo central da bactéria tanto de biossíntese quanto de degradação de compostos. Com destaque para a ampla utilização de fontes alternativas de carbono, resultante das condições restritivas que o crescimento em biofilme impõe ás células nas camadas mais profundas do mesmo. Portanto, pode-se observar uma grande influência do metabolismo central na virulência, sobretudo na formação do biofilme. Apesar disso, o metabolismo básico de S. aureus é pouco estudado, sendo a maioria das informações obtidas de artigos antigos ou propagadas de B. subtilis, o que dificulta a compreensão dos mecanismos envolvidos na produção dos fatores de virulência do patógeno.