Sobre a complexidade das comunidades microbianas

Novo estudo liga os processos de colonização à complexidade em sistemas de interações de microrganismos, parte de um corpo de trabalho com implicações para o entendimento de como é mantida e se altera a biodiversidade.
Colorização digital de imagem 3D gerada por computador de um grupo de bactérias. Representação original por Jeremy Bishop on Unsplash.

As comunidades de microrganismos formam ecossistemas complexos, baseados em redes de interações. As bactérias do intestino, dentro do nosso corpo, são um exemplo, e dependemos delas para digerir a nossa comida, controlar o nosso humor, ou protegermo-nos de infeções. Bactérias nasofaríngeas como Streptococcus pneumoniae são outro exemplo, sendo muitas vezes transportadas de forma assintomática e em alguns casos causando problemas ao hospedeiro. Dependendo da diversidade subjacente, as dinâmicas das comunidades microbianas podem levar a diferentes desenlaces entre a saúde e a doença, e mostrar diferentes estabilidades e resistências à invasão.

“Dentro do sistema, o destino de cada estirpe membro está inextricavelmente ligado ao destino das outras estirpes. Dependendo das suas interações com outras, uma estirpe pode persistir ou ser extinta, pode flutuar ao longo do tempo, ou atingir a estabilidade”, explica Erida Gjini, antiga investigadora principal do IGC, agora baseada no Center for Computational and Stochastic Mathematics no Instituto Superior Técnico. Mas para perceber as regras da coexistência em sistemas complexos como estes, precisamos de bons modelos teóricos e análises matemáticas fortes.

Traduzir o funcionamento de um ecossistema de microrganismos na linguagem da matemática permite-nos extrair os princípios e parâmetros chave que o governam, abrindo espaço para previsões e hipóteses que de outra forma permaneceriam inacessíveis. Num estudo publicado na revista Ecology and Evolution, Erida GjiniSten Madec, do Institut Denis Poisson na Universidade de Tours, exploram um modelo matemático previamente definido e revelam um novo parâmetro que explica como o mesmo sistema pode ser encontrado em diferentes regimes de coexistência. Tudo se resume ao rácio entre colonização simples e co-colonização: quão frequentemente estirpes ocorrem sozinhas vs. quão frequentemente co-ocorrem com outras numa típica unidade hospedeira (recurso).

A metodologia previamente formalizada usa um modelo epidemiológico para compreender como redes de muitas interações entre microrganismos se comportam face a alterações dos parâmetros globais. Apesar da força relativa das interações se poder manter fixa, alterações nos parâmetros globais ditam como estes se traduzem em dinâmicas de coexistência. “É neste contexto que agora percebemos em termos o que significam interações em pares eficazes”, explica Erida.“Mostramos que a quantidade crítica, responsável pelas mudanças qualitativas fortes na dinâmica, é o rácio entre colonização simples e co-colonização no sistema, porque amplifica o papel da assimetria na forma como cada par de estirpes coopera ou compete”, diz Erida Gjini.

Mas o que determina este rácio? “No nosso modelo, a cooperação ou competição média entre todos os membros do sistema combina com o número de reprodução numa relação de trade-off para determinar o rácio entre colonização simples e co-colonização. Isto sintoniza o tipo de coexistência: quanto maior o rácio mais estirpes podem coexistir, mas também mais complexa é a dinâmica”, detalha Erida Gjini. Em vez de obterem extremos no comportamento do sistema como cenários aparentemente desconectados ou independentes, os investigadores identificaram agora o parâmetro que permite gradualmente interpolar entre eles à medida que o ‘ambiente’ muda. Este estudo fornece resultados quantitativos tanto para o entendimento fundamental da biodiversidade como para o desenho de intervenções. Mudanças previsíveis em abundância entre diferentes microrganismos traduzem-se em mudanças previsíveis nas propriedades do sistema. Compreender como comunidades de microrganismos respondem a gradientes ambientais pode gerar conhecimento valioso para o seu controlo, e ter aplicações em biotecnologia e biomedicina.

Alguma pista interessante para explorar em futuros projetos? Os autores revelam que uma que decididamente importa aprofundar é a ligação entre o rácio entre colonização simples e co-colonização, central para a coexistência, e a hipótese em ecologia do gradiente-de-stress: ambientes severos levam à cooperação, enquanto ambientes benignos levam à competição. “Os nossos resultados sugerem que a única forma de manter este rácio constante é através do trade-off entre a média da interação com outros e a prevalência global”, comenta Erida. Se a prevalência baixa (baixo potencial de reprodução), os membros do sistema devem universalmente cooperar mais; se a prevalência aumenta (maior potencial de reprodução), os membros do sistema devem competir mais, para preservar a sua configuração de coexistência. “Apesar de isto ser especulação teórica a este ponto, será muito interessante examinar esta hipótese em sistemas eco-epidemiológicos no futuro, debaixo da lente deste novo modelo.”

 

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