Escherichia coli

Modelo de fissão binária sucessiva em E. coli

E. coli é um membro da família Enterobacteriaceae, que inclui muitos géneros, incluindo agentes patogénicos bem conhecidos tais como Salmonella, Shigella, e Yersinia. Uma das palavras de raiz do nome científico da família, “entérico”, refere-se ao intestino, e é frequentemente utilizada como sinónimo de “fecal”. Todos os diferentes tipos de bactérias fecais coli (ou seja, E. coli), e todas as bactérias muito semelhantes (irmão gémeo) que vivem no solo ou plantas em decomposição (das quais a mais comum é Enterobacter aerogenes), são agrupadas sob o nome coliforme. Tecnicamente, o “grupo coliforme” é definido como sendo todas as bactérias aeróbicas e facultativas anaeróbicas, não formadoras de esporos, Gram-negativas, em forma de bastão, que fermentam a lactose com a produção de gás dentro de 48 horas a 35°C (95°F). No corpo, este gás é libertado como flatulência. Coliforme não é uma classificação taxonómica mas sim uma definição funcional.

As com outras bactérias, E. coli multiplica vegetativamente por fissão binária. A presença do factor F (factor de fertilidade ou factor sexual) também permitiu ao organismo sofrer, aqui e ali, a conjugação para a transferência lateral de ADN entre organismos. O factor F é uma sequência bacteriana de ADN que permite a uma bactéria produzir um pilus sexual e uma ponte de conjugação com outro conjugante, necessária para a conjugação. Contém 20 genes tra (para “transferência”) e uma série de outras sequências genéticas responsáveis pela incompatibilidade, replicação e outras funções. Durante a conjugação em E. coli, o material genético pode assim ser transferido entre os dois conjugantes e podem ser produzidos recombinantes de alta frequência (estirpes com ADN cromossómico de outro conjugante a ser recebido como parte integrante do plasmídeo, nomeadamente o factor F). Além disso, a transferência genética também pode ocorrer via transdução (transferência de gene via bacteriófago).

E. coli pode sobreviver fora do hospedeiro durante algum tempo, mas a desinfecção de todas as bactérias activas pode ser facilmente realizada por pasteurização ou simples ebulição, não sendo necessário um processo de esterilização mais rigoroso, uma vez que as bactérias não formam esporos.

Estrias

Uma “estirpe” de E. coli é um grupo com algumas características particulares que o tornam distinguível de outros grupos de E. coli. Estas diferenças são frequentemente detectáveis apenas a nível molecular; contudo, podem causar alterações na fisiologia ou no ciclo de vida da bactéria, levando, por exemplo, ao diferente nível de patogenicidade (capacidade de um organismo de causar doenças noutro organismo).

Estirpes diferentes de E. coli. coli vivem em diferentes tipos de animais, pelo que é possível detectar se o material fecal na água provém de humanos ou de aves, por exemplo.

Novas estirpes de E. coli surgem constantemente do processo biológico natural de mutação, e algumas dessas estirpes desenvolvem características que podem ser prejudiciais para o seu animal hospedeiro. Embora na maioria dos humanos adultos saudáveis tal estirpe provavelmente não causaria mais do que um surto de diarreia, e poderia não produzir quaisquer sintomas, em crianças pequenas, pessoas que estão ou estiveram recentemente doentes, ou em pessoas que tomam certos medicamentos, tal estirpe pode causar doenças graves e mesmo a morte. A estirpe E. coli O157:H7 é uma das centenas de estirpes da bactéria que é virulenta e causa doenças em humanos (CCID/DBMD 2006).

Desde que a E. coli e as bactérias relacionadas possuem a capacidade de transferir ADN através da conjugação de bactérias e bacteriófagos, uma nova mutação pode propagar-se mais amplamente através de uma população existente. Acredita-se que este processo levou à propagação da capacidade de síntese de toxinas de Shigella para E. coli O157:H7.

A combinação de letras e números no nome da estirpe bacteriana refere-se aos marcadores específicos encontrados na sua superfície e distingue-a de outras estirpes de E. coli. Diz-se que a E. coli O157:H7 possui 5.000 genes no seu genoma, o que é cerca de 1.000 genes mais do que o de outras estirpes (NIH/NIAID 2001).

Extended-Spectrum Beta-Lactamase (ESBL)- as estirpes que produzem E. coli são resistentes aos antibióticos. Produzem uma enzima chamada beta-lactamase de espectro alargado, o que as torna resistentes aos antibióticos, tornando assim as infecções mais difíceis de tratar. Em muitos casos, apenas alguns antibióticos orais e um grupo muito limitado de antibióticos intravenosos permanecem eficazes.

Detecção de E. coli

Detecção de E. coli é a única forma segura de diagnóstico de doenças associadas. Além disso, ao detectar a sua presença ou mesmo ao enumerar a sua contagem, a gravidade da contaminação fecal é avaliada e são emitidas sugestões adequadas. Assim, tem havido diferentes níveis de detecção do organismo.

Como resultado da sua adaptação aos intestinos dos mamíferos, diferentes estirpes de E. coli crescem melhor in vivo ou às temperaturas mais elevadas características de tal ambiente, em vez das temperaturas mais frias encontradas no solo e noutros ambientes. Os coliformes são muito facilmente diferenciados de outros, cultivando-os em meio lactose-peptona-nutriente (por exemplo, caldo Mac-Conkey produzido pela Merck) a 37°C durante 48 horas e verificando se podem produzir ácido e gás. A estimativa do número de células por unidade é efectuada através de um ensaio estatístico de múltiplos passos chamado “Método do Número Mais Provável (NMP)”

Para uma maior diferenciação dos colos fecais, eles são cultivados em meio de ágar-ágar de lactopeptona-eosina azul-metilo (EMB). Depois de incubar o meio a 37°C durante 48 horas, E. coli desenvolve-se em colónias negras azuis com brilho metálico reflector de luz, enquanto Enterobacter forma colónias viscosas avermelhadas. Para E. coli O157:H7, a amostra de fezes é testada em ágar sorbitol-MacConkey (SMAC).

Para realizar a diferenciação completa do contaminante fecal (por exemplo, E. coli) e do contaminante não-fecal (por exemplo, Enterobacter), é utilizada uma série de testes bioquímicos que são colectivamente conhecidos como teste IMViC. Nestes testes, são realizadas a produção de indol a partir do triptofano (teste indol), a produção de ácido forte causador de cor vermelha no indicador vermelho de metilo (teste vermelho de metilo), a produção de acetoína (teste Voges-Proskauer), e a utilização de citrato como única fonte de carbono (teste do citrato). A E. coli mostra reacções positivas para os dois primeiros testes, enquanto que a estirpe Enterobacter aerogenes para os dois últimos testes.

A agente causador de doenças

Embora a maioria das estirpes sejam inofensivas, a estirpe E. coli O157:H7 produz uma poderosa toxina que pode causar doenças graves. Assim, a E. coli O157:H7 tornou-se uma das principais causas de doenças de origem alimentar (CDC 2006). A E. coli pode geralmente causar várias infecções intestinais e extra-intestinais tais como infecções do tracto urinário, meningite, peritonite, mastite, septicemia, e pneumonia gram-negativa. Se a bactéria E. coli escapar ao tracto intestinal através de uma perfuração (um buraco ou laceração, por exemplo de uma úlcera, uma ruptura do apêndice, ou um erro cirúrgico), e entrar no abdómen, geralmente causam peritonite que pode ser fatal sem tratamento imediato.

Modo de transmissão

A chaleira é a principal fonte de infecção por E. coli O157, pois pode viver nos intestinos de bovinos, veados, caprinos e ovinos saudáveis; o seu estrume é também uma fonte importante. Por conseguinte, a maioria das doenças tem sido associada à ingestão de carne de vaca moída mal cozinhada e contaminada. Uma vez que as coli toxigénicas podem ser residentes em animais resistentes à toxina, podem propagar-se através do contacto directo nas quintas, em zoológicos de estimação, etc. No entanto, as pessoas também adoeceram ao comer salame contaminado, rebentos de feijão, ou vegetais frescos de folhas, tais como alface e espinafres.

O contacto pessoa-a-pessoa nas famílias e centros de cuidados infantis é também um modo conhecido de transmissão. As pessoas que estão infectadas com E. coli são muito contagiosas. Além disso, a infecção pode ocorrer após beber leite cru e após nadar ou beber água ou sumo contaminados por esgotos.

Foi também demonstrado que as estirpes de E. coli, especificamente O157:H7, podem ser encontradas em moscas sujas em fazendas de gado e em moscas domésticas e podem ser transmitidas por elas (Szalanski et al. 2004; Alam et al. 2004). Podem também ser transmitidas de e para as moscas da fruta aos frutos feridos e de lá às pessoas em consumo (Sela et al. 2005). Podem também ser propagadas através de partículas transportadas pelo ar em alguns ambientes (Christie 2002).

Infecções gastrointestinais

O E entérico. coli são divididas com base nas propriedades de virulência em enterotoxigénicas (ETEC, agente causador de diarreia em humanos, suínos, ovinos, caprinos, bovinos, cães, e cavalos); enteropatogénicas (EPEC, agente causador de diarreia em humanos, coelhos, cães, gatos, e cavalos); enteroinvasivo (EIEC, encontrado apenas em humanos); verotoxigénico (VTEC, encontrado em suínos, bovinos, cães e gatos); enterohemorrágico (EHEC, encontrado em humanos, bovinos e caprinos); atacando estirpes de suínos que colonizam o intestino de forma semelhante às estirpes humanas de EPEC; e enteroagregante E. coli (EAggEC, encontrada apenas em humanos).

CERTAS estirpes de E. coli, tais como Escherichia coli O157:H7 e E. coli O104:H21, são toxigénicas (algumas produzem uma toxina muito semelhante à observada na disenteria) e podem causar intoxicações alimentares geralmente associadas ao consumo de queijo e carne contaminada (contaminada durante ou pouco depois do abate ou durante o armazenamento ou exposição). A contra-medida habitual é cozinhar carne suspeita “bem feita”; a alternativa de inspecção cuidadosa dos métodos de abate e abate (para garantir que o cólon do animal é removido e não perfurado) não foi aparentemente experimentada sistematicamente.

Esta estirpe específica é considerada associada ao surto de E. coli 2006 nos Estados Unidos ligado ao espinafre fresco. A severidade da doença varia consideravelmente. Pode ser fatal, particularmente para crianças pequenas, idosos, ou imunocomprometidos, mas é mais frequentemente suave.

E. coli pode abrigar tanto enterotoxinas estáveis ao calor como enterotoxinas lácticas ao calor. Esta última, denominada LT, é altamente semelhante em estrutura e função à toxina da Cólera. Contém uma subunidade “A” e cinco subunidades “B” dispostas em uma holotoxina. As subunidades “B” ajudam na aderência e entrada da toxina nas células intestinais hospedeiras, onde a subunidade “A” é clivada e evita que as células absorvam água, causando diarreia. LT é segregada pela via de secreção de Tipo 2 (Tauschek et al. 2002).

E. coli possuem maquinaria específica de nucleação-precipitação para produzir oglímeros amilóides solúveis e precipitá-los como curli, uma rede de fibras que ligam as bactérias às células hospedeiras e umas às outras. A importância da E. coli como fonte ou amilóide é desconhecida, mas as fibras amilóides são um componente de numerosos processos de doenças humanas, incluindo Alzheimer (Chapman et al. 2002).

Infecções do tracto urinário (ITU)

Embora seja mais comum nas fêmeas devido ao tracto urinário mais curto, a infecção do tracto urinário é observada tanto nos machos como nas fêmeas. Encontra-se em proporções aproximadamente iguais em homens e mulheres idosos. Uma vez que as bactérias entram invariavelmente no tracto urinário através da uretra, chamadas “infecções ascendentes”, os maus hábitos sanitários podem predispor à infecção. Contudo, outros factores são também importantes (gravidez nas mulheres, aumento da próstata nos homens) e, em muitos casos, o evento inicial não é claro. Enquanto as infecções ascendentes são geralmente a regra para infecções do tracto urinário inferior e cistite, o mesmo pode não acontecer necessariamente com infecções do tracto urinário superior como a pielonefrite, que pode ser de origem hematogénica. A maioria dos casos de infecções do tracto urinário inferior nas mulheres são benignas e não necessitam de trabalhos laboratoriais exaustivos. No entanto, as IU em bebés jovens devem receber algum estudo de imagem, tipicamente um uretrograma retrógrado, para verificar a presença/ausência de anomalias congénitas do tracto urinário. Também os machos devem ser investigados mais aprofundadamente.

Em algumas pessoas, E. coli O:157H:7 é ainda mais notório por causar complicações graves, mesmo com risco de vida, como a Síndrome Hemorrágica Uremica (HUS). As pessoas com este problema adquirem anemia hemolítica (que é uma contagem baixa de glóbulos vermelhos), trombocitopenia (que é uma contagem baixa de plaquetas), e insuficiência renal (que é uma lesão renal). Cerca de 8% das pessoas cuja doença diarréica é suficientemente grave para que procurem cuidados médicos desenvolvem esta complicação. Nos Estados Unidos, HUS é a principal causa de insuficiência renal aguda em crianças, e a maioria dos casos de HUS são causados por E. coli O157:H7 (CDC 2006).

Tratamentos de infecções por E. coli

Terapia antibiótica

Tratamento adequado das infecções por E. coli depende da doença e deve ser orientado, sempre que possível, por análises laboratoriais das susceptibilidades antibióticas da estirpe infectante. Como organismos Gram-negativos, as E. coli são resistentes a muitos antibióticos que são eficazes contra os organismos Gram-positivos. Os antibióticos que podem ser usados para tratar a infecção por E. coli incluem (mas não estão limitados a) amoxicilina bem como outras penicilinas semi-sintéticas, muitas cefalosporinas, carbapenems, aztreonam, trimetoprim-sulfametoxazol, ciprofloxacina, nitrofurantoína, e os aminoglicosídeos. Nem todos os antibióticos são adequados para todas as doenças causadas por E. coli, e o conselho de um médico deve ser procurado.

A resistência a antibióticos é um problema crescente. Parte disto deve-se ao uso excessivo de antibióticos nos seres humanos, mas parte deve-se provavelmente ao uso de antibióticos como promotores de crescimento em animais destinados à alimentação (Johnson et al. 2006). A resistência aos antibióticos beta-lactâmicos tornou-se mais grave nas últimas décadas, uma vez que as estirpes que produzem beta-lactamases de espectro alargado tornam muitas, se não todas, as penicilinas e cefalosporinas ineficazes como terapia.

E. coli é um membro frequente dos biofilmes multiespecíficos. Algumas estirpes são pilhadas (com F-plasmid) e capazes de aceitar e transferir plasmídeos de e para outras bactérias da mesma espécie e de espécies diferentes. A E. coli transporta frequentemente plasmídeos multi-resistentes e sob stress transfere prontamente esses plasmídeos para outras espécies. Assim, a E. coli e o outro membro das enterobactérias são importantes reservatórios de resistência aos antibióticos transferíveis (Franiczek et al. 2006).

No entanto, as E. coli são extremamente sensíveis a antibióticos tais como estreptomicina ou gentamicina, pelo que o tratamento com estes antibióticos é geralmente eficaz. Isto pode mudar rapidamente, uma vez que, como acima referido, a E. coli adquire rapidamente resistência aos medicamentos (NIH 2001). A Academia Americana de Ciências sugere minimizar o uso de antibióticos.

Terapia com fagos

Terapia com fagos é o uso de vírus que visam especificamente as bactérias patogénicas. Foi desenvolvida nos últimos 80 anos, principalmente na antiga União Soviética, onde foi utilizada para prevenir a diarreia causada por E. coli, entre outras coisas, no Exército Vermelho, e estava amplamente disponível ao balcão.

Vacina

E. As vacinas contra a coli têm estado em desenvolvimento há muitos anos (Girard et al. 2006). Em Março de 2006, uma vacina que provocava uma resposta imunitária contra a E. coli O157:H7 Polissacarídeo específico O conjugado com a exotoxina A recombinante de Pseudomonas aeruginosa (O157-rEPA) foi relatada como segura e imunogénica em crianças de dois a cinco anos de idade. Já foi comprovada a sua segurança e imunogénese em adultos. Está planeado um ensaio clínico fase III para verificar a eficácia em grande escala do tratamento (Ahmed 2006).

Em Janeiro de 2007, a empresa bio-farmacêutica canadiana Bioniche anunciou ter desenvolvido uma vacina para o gado que reduz o número de bactérias derramadas no estrume por um factor de 1.000, para cerca de 1.000 bactérias por grama de estrume (Pearson 2007; CanadaAM 2007; BionichePR 2007).

Significado em microbiologia

Por causa da sua ubiquidade, a E. coli é frequentemente estudada em microbiologia e é normalmente utilizada como organismo modelo para o estudo de bactérias em geral. A sua estrutura já foi claramente compreendida, e constitui um excelente alvo para os estudantes novatos, intermediários e avançados das ciências da vida. O factor de fertilidade (F-Plasmid) e a conjugação bacteriana foram descobertos pela primeira vez em E. coli, e continua a ser o modelo primário para estudar a conjugação e a transferência de genes.

É o actual “cavalo de batalha” em biologia molecular. As estirpes utilizadas no laboratório adaptaram-se eficazmente a esse ambiente, e já não estão tão bem adaptadas à vida nos intestinos dos mamíferos como o tipo selvagem. Uma grande adaptação é a perda de grandes quantidades de mucopolissacarídeo de biofilme externo produzido pelo tipo selvagem a fim de se proteger de anticorpos e outros ataques químicos, mas que requerem um grande dispêndio de energia e recursos materiais do organismo. Isto pode ser visto ao cultivar os organismos em placas de ágar; enquanto as estirpes de laboratório produzem colónias individuais bem definidas, com as estirpes do tipo selvagem as colónias estão incorporadas nesta grande massa de mucopolissacarídeo, tornando difícil isolar colónias individuais.

Por causa desta longa história de cultura e manipulação em laboratório, a E. coli desempenha um papel importante na engenharia biológica moderna. Os investigadores podem alterar as bactérias para servirem de “fábricas” para sintetizar o ADN e/ou proteínas, que podem então ser produzidas em grandes quantidades utilizando os processos de fermentação industrial. Uma das primeiras aplicações úteis da tecnologia do ADN recombinante foi a manipulação da E. coli para produzir insulina humana para pacientes com diabetes. Os cientistas estão a realizar engenharia sintética de E. coli que pode visar e matar células cancerosas (Singer 2006).

Significado na determinação da pureza da água e tratamento de esgotos

Na base do exame microbiológico da água, a sua portabilidade (aptidão para beber) pode ser verificada. A presença de bactérias coliformes nas águas superficiais é um indicador comum de contaminação fecal.

No campo da purificação da água e do tratamento de águas residuais, a E. coli foi escolhida muito cedo no desenvolvimento da tecnologia como “indicador” do nível de poluição da água, ou seja, da quantidade de matéria fecal humana nela contida. A E. coli é utilizada para detecção porque constitui cerca de 10% dos microrganismos intestinais de humanos e animais; consequentemente, existem muito mais coliformes nas fezes humanas do que agentes patogénicos. (A Salmonella typhi é um exemplo de tal patogénico, causando febre tifóide). A E. coli é geralmente inofensiva, pelo que não pode “soltar-se” no laboratório e magoar ninguém.

O teste para a presença de coliformes na água tem envolvido tradicionalmente três testes padrão de rotina: (a) o teste presuntivo, (b) o teste confirmado, e (c) o teste completo. O teste presuntivo apenas observa para os coliformes em termos de produção de gás a partir da fermentação da lactose. Como a produção de gás ocorre não só devido a contaminantes fecais, mas também a contaminantes não-fecais, bem como a não-coliformes, esses testes presuntivos positivos são analisados mais aprofundadamente pelo teste confirmado. Aqui é testada a característica especial dos colos fecais (E. coli), como o brilho metálico exibido pelas colónias no meio EMB-agar, e assim por diante. Para completar o teste sanitário, os positivos no teste confirmado são verificados para a produção de gás e as características morfológicas de E. coli.

Além disso, o número de coliformes bem como E. coli por unidade de volume de amostra de água pode ser estimado usando os testes MPN (número mais provável). Comparando o número de coliformes/E. coli com o índice de coliformes padronizado, a qualidade da água pode ser classificada e recomendada para determinada utilização ou nenhuma. Muitos destes testes são rotineiramente realizados em sistemas de armazenamento e distribuição de água.

No entanto, por vezes pode ser enganador utilizar apenas a E. coli como indicador de contaminação fecal humana porque existem outros ambientes em que a E. coli cresce bem, tais como moinhos de papel. Noutros locais, testes mais avançados substituíram-nas. Outros organismos como Streptococcus bovis e certas espécies de Clostridium são também utilizados como índice de contaminação fecal de fontes de água potável.