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Nature Communications volume 14, número do artigo: 3165 (2023) Citar este artigo

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A alimentação cruzada metabólica desempenha um papel vital na promoção da diversidade ecológica. Embora alguns micróbios dependam de trocas de nutrientes essenciais para o crescimento, as forças que impulsionam a extensa alimentação cruzada necessária para apoiar a coexistência de micróbios de vida livre são pouco compreendidas. Aqui caracterizamos a fisiologia bacteriana sob autoacidificação e estabelecemos que a extensa excreção de metabólitos-chave após a parada do crescimento fornece um mecanismo colaborativo e interespécies de resistência ao estresse. Esta colaboração ocorre não apenas entre espécies isoladas da mesma comunidade, mas também entre espécies não relacionadas com modos de metabolismo complementares (glicolíticos vs. gliconeogênicos). As culturas de tais comunidades progridem através de fases distintas de ciclos de diluição de crescimento, compreendendo crescimento exponencial, interrupção do crescimento desencadeada pela acidificação, desacidificação colaborativa e recuperação do crescimento, com cada fase envolvendo diferentes combinações de estados fisiológicos de espécies individuais. Nossas descobertas desafiam a visão de estado estacionário dos ecossistemas comumente retratada em modelos ecológicos, oferecendo uma visão dinâmica alternativa baseada nas vantagens de crescimento de espécies complementares em diferentes fases.

A alimentação cruzada metabólica está subjacente a muitas interações positivas entre micróbios1,2,3. Muitos exemplos bem estudados de alimentação cruzada envolvem espécies que dependem umas das outras para funções metabólicas essenciais, incluindo auxotrofia complementar sintética 4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 e alimentação cruzada designada entre simbiontes14,15. A força motriz para a cooperação metabólica entre essas bactérias interdependentes é clara, uma vez que elas não têm a capacidade de gerar elas próprias metabolitos essenciais e devem obtê-los de outras espécies para crescerem.

Muitas bactérias na natureza, no entanto, são prototróficas, ou “de vida livre” – isto é, podem crescer em substratos simples sem a ajuda de outras pessoas16,17. Estudos recentes indicaram que a alimentação cruzada substancial de diversos metabólitos apoiou a coexistência de muitas espécies de bactérias de vida livre que ocorrem naturalmente, mesmo em comunidades bacterianas sintéticas fornecidas com apenas um ou alguns substratos para crescimento . Nestes casos, a alimentação cruzada metabólica é reconhecida como essencial para a diversidade da comunidade, uma vez que sem ela todas as espécies competiriam directamente pelos poucos nutrientes fornecidos externamente e apenas algumas espécies que crescem bem com esses nutrientes sobreviverão de acordo com o Princípio da Exclusão Competitiva21 ,22. Contudo, para que a alimentação cruzada metabólica alivie a restrição da Exclusão Competitiva, uma parte substancial dos nutrientes fornecidos externamente terá de ser excretada sob a forma de outros metabolitos e subsequentemente absorvida por outras espécies para o seu crescimento. Por exemplo, se 50% da biomassa final da comunidade for composta por espécies que não consomem directamente a fonte de carbono fornecida pelo ambiente, isso exigiria que as espécies que consomem directamente a fonte de carbono fornecida excretassem mais de 50% do que absorvem. No entanto, se o carbono é o nutriente limitante do crescimento para esta comunidade, que razão fisiológica existe para que as bactérias de vida livre excretem uma fracção tão grande deste nutriente limitante quando necessitam dele para o seu próprio crescimento?

Bactérias de vida livre podem ser forçadas a excretar grandes quantidades de metabólitos, por exemplo, através de gargalos internos criados por manipulações genéticas23, cujo desenho e obtenção são um objetivo importante da biologia sintética24,25,26. Geralmente, não se sabe que bactérias de vida livre que ocorrem naturalmente excretam grandes quantidades de metabólitos endógenos durante seu próprio crescimento; no entanto, exceto alguns casos bem documentados, incluindo o metabolismo de transbordamento durante a fermentação aeróbica27,28,29, a excreção de nitrato/nitrito durante a desnitrificação anaeróbica30,31 e cascatas complexas de remoção de produtos de fermentação em digestores anaeróbicos32,33. Mesmo nesses casos, as quantidades de excreção medidas não são esmagadoras. Por exemplo, para E. coli crescendo aerobiamente em glicose, ~5 mM/OD de glicose são absorvidos enquanto ~2–3 mM/OD de acetato são excretados, colocando a fração de carbono excretado abaixo de 20%. A prevalência de alimentação cruzada metabólica entre bactérias de vida livre sugere, assim, a existência de forças motrizes adicionais sobre as quais atualmente sabemos pouco.