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Simula¸c˜oes Num´ericas e Discuss˜oes

A estabilidade dos pontos de equil´ıbrio pode ser determinada por simula¸c˜oes num´ericas do sistema ou por lineariza¸c˜ao. Pela dificuldade de se provar analiticamente resultados de estabilidade observados nos diagramas de bifurca¸c˜ao para o modelo em estudo, foram feitas simula¸c˜oes num´ericas com o prop´osito de ilustrar tais resultados.

Fixando os valores dos parˆametros (tabela 3.4) e mudando o parˆametro de controle (N ) e as condi¸c˜oes iniciais (H0, Hc0, R0 e Rf 0), foram feitas simula¸c˜oes num´ericas das trajet´orias dinˆamicas do sistema (3.7) para cada uma das regi˜oes dos diagramas de bifurca¸c˜ao. O m´etodo num´erico adotado em todas as simula¸c˜oes foi Runge-Kutta de quarta ordem, utilizando-se o pacote Matlab.

SEC¸ ˜AO 3.5 • SIMULAC¸ ˜OES NUM´ERICAS E DISCUSS ˜OES 72

Tabela 3.5: Conjunto de condi¸c˜oes iniciais, (H(0), Hc(0), R(0), Rf(0)), utilizadas em cada uma

das simula¸c˜oes num´ericas das trajet´orias do sistema (3.7).

Simula¸c˜ao H0 Hc0 R0 Rf 0 (1) 0 0 0 0 (2) 2 10 80 1 (3) 4, 4 34 210 16 (4) 4, 6 38 230 20 (5) 14 100 500 100 (6) 14 100 500 100

Dividimos o diagrama de bifurca¸c˜ao em trˆes regi˜oes, de acordo com os intervalos de valores assumidos pelo parˆametro N . Os valores de N utilizados nas simula¸c˜oes variam conforme regi˜ao e s˜ao apresentados em seguida.

• Regi˜ao (I), onde 0 < N < N1. O valor utilizado na simula¸c˜ao (1) foi N = 2.

• Regi˜ao (II), onde N1 < N < N2. O valor utilizado nas simula¸c˜oes (2)-(5) foi N = 4. • Regi˜ao (III), onde N > N2. O valor utilizado na simula¸c˜ao (6) foi N = 6.

Os conjuntos de condi¸c˜oes iniciais utilizadas nas simula¸c˜oes s˜ao apresentados na tabela (3.5).

Para contemplar as trˆes regi˜oes do diagrama de bifurca¸c˜ao (indicadas na figura 3.2), e analisar comportamentos distintos das trajet´orias dinˆamicas na regi˜ao (II), foram feitas seis simula¸c˜oes num´ericas das trajet´orias H(t), Hc(t), R(t) e Rf(t), que s˜ao apresentadas nas figuras (3.3) a (3.8).

Com rela¸c˜ao a existˆencia de pontos de equil´ıbrio, verificamos nos diagramas de bifurca¸c˜ao (figura 3.2) que

• Na regi˜ao (I), onde 0 < N < N1, existe um ´unico ponto de equil´ıbrio com baixas concentra¸c˜oes das prote´ınas histidina quinase e reguladora de resposta, assim como de

seus produtos. Denotemos esse ponto de equil´ıbrio por Q1;

• Quando N = N1 existem os pontos de equil´ıbrio Q1, e al´em dele, o ponto Q2, que coincide com Q3;

• Na regi˜ao (II), onde N1 < N < N2, existem trˆes pontos de equil´ıbrio que denotaremos por Q1, Q2 e Q3. O primeiro ponto, Q1, representa o ponto com baixos n´ıveis de H, Hc, R e Rf em equil´ıbrio estacion´ario. Indicamos por Q2, o ponto de equil´ıbrio com concentra¸c˜oes intermedi´arias de histidina quinase (H), histidina quinase com- plexada (Hc), regulador de resposta (R) e regulador de resposta fosforilado (Rf), em estado estacion´ario, enquanto Q3 corresponde ao equil´ıbrio com n´ıveis maiores de tais prote´ınas;

• Quando N = N2 existem os pontos de equil´ıbrio Q3, e o ponto Q1 que coincide com Q2;

• Na regi˜ao (III), onde N > N2, existe apenas o ponto de equil´ıbrio Q3.

Na simula¸c˜ao (1), utilizamos condi¸c˜oes iniciais nulas e fixamos o valor de N tal que 0 < N < N1. Estudando os diagramas de bifurca¸c˜ao verificamos que, para este intervalo de N , existe um ´unico ponto de equil´ıbrio que ´e local e assintoticamente est´avel. De fato, na simula¸c˜ao (1) (figura 3.3), as trajet´orias tendem para esse equil´ıbrio. Apesar de inicialmente as concentra¸c˜oes de H, Hc, R e Rf serem nulas, e a concentra¸c˜ao extracelular de nisina ser baixa, h´a produ¸c˜ao de histidina quinase (H) e regulador de resposta (R), em decorrˆencia da s´ıntese basal. Consequentemente aumentar˜ao tamb´em as concentra¸c˜oes de Hc e Rf, devido `as rea¸c˜oes qu´ımicas que transformar˜ao H e R nestes produtos.

Uma caracter´ıstica interessante do modelo ´e a biestabilidade mantida para um intervalo do parˆametro de controle, representado por N1 < N < N2 nas curvas da figura (3.2). Peque- nas mudan¸cas no parˆametro de controle alteram o estado do sistema para dois patamares de Rf distintos. Para baixos valores de N , existe um ´unico estado de equil´ıbrio assintoticamente est´avel (Q1) com baixo n´ıvel de Rf. Quando N aumenta, duas outras solu¸c˜oes estacion´arias aparecem (Q2 e Q3), sendo a intermedi´aria (Q2) inst´avel. Uma vez atingida uma concen-

SEC¸ ˜AO 3.5 • SIMULAC¸ ˜OES NUM´ERICAS E DISCUSS ˜OES 74 0 200 400 600 800 1000 0 1 2 3 4 5 Tempo H (nmol) por 10 6 células (a) H 0 200 400 600 800 1000 0 5 10 15 20 Tempo Hc (nmol) por 10 6 células (b) Hc 0 200 400 600 800 1000 0 20 40 60 80 100 120 Tempo R (nmol) por 10 6 células (c) R 0 200 400 600 800 1000 0 1 2 3 4 Tempo Rf (nmol) por 10 6 células (d) Rf

Figura 3.3: Simula¸c˜ao (1). Fixando a concentra¸c˜ao de nisina em um valor, N = 2, pertencente `a regi˜ao (I) do diagrama de bifurca¸c˜ao, foram feitas simula¸c˜oes num´ericas das trajet´orias dinˆamicas: (a) H(t) (histidina quinase); (b) Hc(t) (histidina quinase complexada); (c) R(t) (regulador de

resposta); e (d) Rf(t) (regulador de resposta fosforilado). As condi¸c˜oes iniciais utilizadas foram

(H(0), Hc(0), R(0), Rf(0)) = (0; 0; 0; 0).

tra¸c˜ao de nisina limiar (N2), as duas solu¸c˜oes com n´ıveis mais baixos de Rf desaparecem, deixando apenas uma ´unica solu¸c˜ao assintoticamente est´avel (Q3).

Para valores de N pertencentes `a regi˜ao (II), ou seja, para N1 < N < N2, devido a exis- tˆencia de m´ultiplos equil´ıbrios e pela caracter´ıstica de biestabilidade, o comportamento das solu¸c˜oes depender´a fortemente das condi¸c˜oes iniciais. Para confirmar isso, nas simula¸c˜oes (2) a (5) fixamos N = 4, tal que N pertence a regi˜ao (II), e utilizamos diferentes condi¸c˜oes iniciais (figuras 3.4 - 3.7).

0 200 400 600 800 1000 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Tempo H (nmol) por 10 6 células (a) H 0 200 400 600 800 1000 0 5 10 15 20 25 Tempo Hc (nmol) por 10 6 células (b) Hc 0 200 400 600 800 1000 0 50 100 150 Tempo R (nmol) por 10 6 células (c) R 0 200 400 600 800 1000 0 1 2 3 4 5 6 Tempo Rf (nmol) por 10 6 células (d) Rf

Figura 3.4: Simula¸c˜ao (2). Fixando a concentra¸c˜ao de nisina em um valor, N = 4, pertencente `a regi˜ao (II) do diagrama de bifurca¸c˜ao, foram feitas simula¸c˜oes num´ericas das trajet´orias dinˆamicas: (a) H(t) (histidina quinase); (b) Hc(t) (histidina quinase complexada); (c) R(t) (regulador de

resposta); e (d) Rf(t) (regulador de resposta fosforilado). As condi¸c˜oes iniciais utilizadas foram

(H(0), Hc(0), R(0), Rf(0)) = (2; 10; 80; 1).

De modo geral, a regi˜ao (II) apresenta as seguintes caracter´ısticas:

• Para valores de N tais que, N1 < N < N2, e para todos os demais parˆametros fixos, o espa¸co (H, Hc, R, Rf), pode ser dividido em duas regi˜oes de atra¸c˜ao distintas: uma para o ponto de equil´ıbrio com baixos n´ıveis de H, Hc, R e Rf, que corresponde ao ponto Q1, e outra para o ponto com concentra¸c˜oes maiores destas prote´ınas (ponto Q3).

SEC¸ ˜AO 3.5 • SIMULAC¸ ˜OES NUM´ERICAS E DISCUSS ˜OES 76 0 200 400 600 800 1000 0 1 2 3 4 5 Tempo H (nmol) por 10 6 células (a) H 0 200 400 600 800 1000 0 10 20 30 40 Tempo Hc (nmol) por 10 6 células (b) Hc 0 200 400 600 800 1000 0 50 100 150 200 250 Tempo R (nmol) por 10 6 células (c) R 0 200 400 600 800 1000 0 5 10 15 20 Tempo Rf (nmol) por 10 6 células (d) Rf

Figura 3.5: Simula¸c˜ao (3). Fixando a concentra¸c˜ao de nisina em um valor, N = 4, pertencente `a regi˜ao (II) do diagrama de bifurca¸c˜ao, foram feitas simula¸c˜oes num´ericas das trajet´orias dinˆamicas: (a) H(t) (histidina quinase); (b) Hc(t) (histidina quinase complexada); (c) R(t) (regulador de

resposta); e (d) Rf(t) (regulador de resposta fosforilado). As condi¸c˜oes iniciais utilizadas foram

(H(0), Hc(0), R(0), Rf(0)) = (4, 4; 34; 210; 16).

• O ponto Q2 representa o “ponto de ruptura”, que divide o espa¸co (H, Hc, R, Rf) nas duas regi˜oes de atra¸c˜ao.

• Para condi¸c˜oes iniciais no ponto inst´avel, pequenas pertuba¸c˜oes podem levar as tra- jet´orias para uma das regi˜oes de atra¸c˜ao.

• Se a condi¸c˜ao inicial, (H0, Hc0, R0, Rf 0), pertence `a regi˜ao de atra¸c˜ao de Q1, as tra- jet´orias tendem para esse ponto de equil´ıbrio. Entretanto, se as condi¸c˜oes iniciais

0 200 400 600 800 1000 0 2 4 6 8 10 Tempo H (nmol) por 10 6 células (a) H 0 200 400 600 800 1000 0 20 40 60 80 Tempo Hc (nmol) por 10 6 células (b) Hc 0 200 400 600 800 1000 0 100 200 300 400 500 Tempo R (nmol) por 10 6 células (c) R 0 200 400 600 800 1000 0 10 20 30 40 50 60 70 Tempo Rf (nmol) por 10 6 células (d) Rf

Figura 3.6: Simula¸c˜ao (4). Fixando a concentra¸c˜ao de nisina em um valor, N = 4, pertencente `a regi˜ao (II) do diagrama de bifurca¸c˜ao, foram feitas simula¸c˜oes num´ericas das trajet´orias dinˆamicas: (a) H(t) (histidina quinase); (b) Hc(t) (histidina quinase complexada); (c) R(t) (regulador de

resposta); e (d) Rf(t) (regulador de resposta fosforilado). As condi¸c˜oes iniciais utilizadas foram

(H(0), Hc(0), R(0), Rf(0)) = (4, 6; 38; 230; 20).

pertencem `a regi˜ao de atra¸c˜ao de Q3, as trajet´orias tendem para esse ponto, ou seja, (H(t), Hc(t), R(t), Rf(t)) → Q3.

Conforme esperado verificamos que, na simula¸c˜ao (2) (figura 3.4), as trajet´orias tenderam para as baixas concentra¸c˜oes do ponto de equil´ıbrio assintoticamente est´avel (Q1), pois as condi¸c˜oes iniciais fornecidas situavam-se na regi˜ao de atra¸c˜ao deste ponto.

A influˆencia das condi¸c˜oes iniciais ´e claramente observada nas simula¸c˜oes (3) e (4). De- vido `a proximidade dessas condi¸c˜oes ao equil´ıbrio inst´avel, pequenas perturba¸c˜oes fizeram

SEC¸ ˜AO 3.5 • SIMULAC¸ ˜OES NUM´ERICAS E DISCUSS ˜OES 78 0 200 400 600 800 1000 0 5 10 15 Tempo H (nmol) por 10 6 células (a) H 0 200 400 600 800 1000 0 20 40 60 80 100 120 Tempo Hc (nmol) por 10 6 células (b) Hc 0 200 400 600 800 1000 0 100 200 300 400 500 Tempo R (nmol) por 10 6 células (c) R 0 200 400 600 800 1000 0 20 40 60 80 100 120 Tempo Rf (nmol) por 10 6 células (d) Rf

Figura 3.7: Simula¸c˜ao (5). Fixando a concentra¸c˜ao de nisina em um valor, N = 4, pertencente `a regi˜ao (II) do diagrama de bifurca¸c˜ao, foram feitas simula¸c˜oes num´ericas das trajet´orias dinˆamicas: (a) H(t) (histidina quinase); (b) Hc(t) (histidina quinase complexada); (c) R(t) (regulador de

resposta); e (d) Rf(t) (regulador de resposta fosforilado). As condi¸c˜oes iniciais utilizadas foram

(H(0), Hc(0), R(0), Rf(0)) = (14; 100; 500; 100).

com que as trajet´orias tendessem para o ponto assintoticamente est´avel Q1 (figura 3.5), se as condi¸c˜oes iniciais pertenciam a regi˜ao de atra¸c˜ao deste ponto, ou para o ponto Q3, com n´ıveis maiores das prote´ınas, se as condi¸c˜oes iniciais fornecidas pertenciam `a regi˜ao de atra¸c˜ao deste ponto (figura 3.6).

Nas simula¸c˜oes (5) e (6) foram utilizados valores de N pertencentes `as regi˜oes (II) e (III), respectivamente (veja figuras 3.7 e 3.8). Entretanto fixamos os valores para as condi¸c˜oes iniciais. Ambas simula¸c˜oes apresentaram o mesmo tipo de comportamento, sendo que as

trajet´orias tenderam para o ponto de equil´ıbrio local e assintoticamente est´avel Q3. 0 200 400 600 800 1000 0 5 10 15 Tempo H (nmol) por 10 6 células (a) H 0 200 400 600 800 1000 0 20 40 60 80 100 120 Tempo Hc (nmol) por 10 6 células (b) Hc 0 200 400 600 800 1000 0 100 200 300 400 500 Tempo R (nmol) por 10 6 células (c) R 0 200 400 600 800 1000 0 20 40 60 80 100 120 Tempo Rf (nmol) por 10 6 células (d) Rf

Figura 3.8: Simula¸c˜ao (6). Fixando a concentra¸c˜ao de nisina em um valor, N = 6, pertencente `a regi˜ao (III) do diagrama de bifurca¸c˜ao, foram feitas simula¸c˜oes num´ericas das trajet´orias dinˆamicas: (a) H(t) (histidina quinase); (b) Hc(t) (histidina quinase complexada); (c) R(t) (regulador de

resposta); e (d) Rf(t) (regulador de resposta fosforilado). As condi¸c˜oes iniciais utilizadas foram

(H(0), Hc(0), R(0), Rf(0)) = (14; 100; 500; 100).

3.6

Conclus˜oes

No cap´ıtulo anterior, analisamos a a¸c˜ao antimicrobiana de bacteriocinas sobre a bact´eria Listeria monocytogenes. Pesquisas demonstraram que, al´em de agir como pept´ıdeo antimi- crobiano, a bacteriocina nisina tamb´em age como sinal que induz sua pr´opria bioss´ıntese.

SEC¸ ˜AO 3.6 • CONCLUS ˜OES 80

O objetivo da modelagem apresentada aqui ´e analisar essa segunda fun¸c˜ao da nisina. Com esse prop´osito, foi desenvolvido neste cap´ıtulo um modelo matem´atico de “quorum sensing” em Lactococcus lactis, baseado no conhecimento bioqu´ımico do sistema regulat´orio da bioss´ıntese da nisina.

Para avaliar o efeito do aumento da concentra¸c˜ao de nisina, na resposta do sistema regu- lat´orio, constru´ımos o diagrama de bifurca¸c˜ao considerando N como parˆametro de controle. Conforme vimos, o sistema dinˆamico apresenta um, ou trˆes pontos de equil´ıbrio, dependendo da concentra¸c˜ao extracelular de nisina. No diagrama de bifurca¸c˜ao, verificamos o comporta- mento t´ıpico de histerese, pois pode-se saltar de um ramo assintoticamente est´avel para outro, conforme se varia o valor do parˆametro de controle. Atrav´es de simula¸c˜oes num´ericas, foi poss´ıvel comprovar a estabilidade dos pontos de equil´ıbrio, pois analisando o comportamento das trajet´orias dinˆamicas do sistema, observou-se o comportamento assint´otico esperado.

A concentra¸c˜ao do regulador de resposta fosforilado ´e determinante na a¸c˜ao do sistema regulat´orio, pois ´e essa prote´ına que ir´a ativar a transcri¸c˜ao dos genes respons´aveis pela produ¸c˜ao das prote´ınas histidina quinase (H) e reguladora de resposta (R). Sendo assim, a s´ıntese dessas prote´ınas ser´a maior, quando houver a s´ıntese induzida por Rf. Essa s´ıntese induzida ser´a m´axima para concentra¸c˜ao suficientemente alta do regulador de resposta fosfo- rilado. A a¸c˜ao eficiente do sistema regulat´orio, corresponde ao equil´ıbrio com n´ıveis maiores de Rf, ou seja, Q3, enquanto que, para as concentra¸c˜oes do ponto de equil´ıbrio Q1, o sistema encontra-se desativado.

Verificamos que `a medida que a nisina acumula-se no meio, aumenta-se a concentra¸c˜ao do regulador de resposta fosforilado (Rf), devido a s´ıntese basal de histidina quinase (H) e reguladora de resposta (R), e devido ao processo de fosforila¸c˜ao. Quando a concentra¸c˜ao de nisina atinge um valor limiar, representado por N2, h´a um aumento brusco do n´ıvel de Rf. Entretanto, se a concentra¸c˜ao de nisina diminui, h´a uma queda brusca no n´ıvel de Rf quando atinge-se N1.

Mostramos, assim, o efeito da nisina na resposta do sistema de regula¸c˜ao da express˜ao de genes, pois a transi¸c˜ao entre estado desativado, representado pelo equil´ıbrio com n´ıveis inferiores de Rf (Q1), ou ativado, representado pelo equil´ıbrio Q3 com n´ıveis maiores de regulador de resposta fosforilado, depende da concentra¸c˜ao extracelular de nisina.

Regula¸c˜ao da bioss´ıntese de nisina

4.1

O mecanismo de “quorum sensing” na produ¸c˜ao

de nisina

Desde 1995, a produ¸c˜ao de v´arias bacteriocinas da classe II tem mostrado ser induz´ıvel. Nesses sistemas induz´ıveis, pequenos pept´ıdeos secretados, com ou sem atividade antimi- crobiana, funcionam como auto-indutores. Os auto-indutores est˜ao envolvidos na indu¸c˜ao de seus pr´oprios genes estruturais e outros genes necess´arios para produ¸c˜ao e imunidade para bacteriocinas da classe II [27]. A regula¸c˜ao da produ¸c˜ao de bacteriocinas da classe II, mediada por auto-indutores, tem sido investigada em algumas bact´erias l´acticas, incluindo Carnobacterium psicola, Lactococcus lactis, Lactobacillus plantarum e Lactobacillus sakei.

Em cepas produtoras de bacteriocinas pertencentes `a classe I (lantibi´oticos como a nisina), a pr´opria bacteriocina age como ferormˆonio (auto-indutor). Cepas produtoras de bacterioci- nas da classe II, tais como sakacina A e sakacina P, produzem, separadamente, um pept´ıdeo ferormˆonio n˜ao modificado, cujo gene ´e geralmente co-transcrito com os genes que codificam a histidina quinase e o regulador de resposta [40]. Em ambos os casos, o regulador de resposta ativado aumenta a transcri¸c˜ao de todos operons envolvidos na produ¸c˜ao da bacteriocina.

SEC¸ ˜AO 4.1 • O MECANISMO DE “QUORUM SENSING” NA PRODUC¸ ˜AO DE

NISINA 82

A transcri¸c˜ao dos genes para bioss´ıntese de nisina depende da concentra¸c˜ao extracelular desse pept´ıdeo que, por sua vez, ´e dependente da densidade da popula¸c˜ao da cultura produ- tora. Al´em de agir como antimicrobiano, a nisina age como pept´ıdeo ferormˆonio que induz sua pr´opria bioss´ıntese, desencadeando o processo de transcri¸c˜ao, o que corresponde a um mecanismo de “quorum sensing”.

Duas ocorrˆencias naturalmente variantes da nisina s˜ao a nisina A e a nisina Z que diferem estruturalmente em apenas um res´ıduo de amino´acido, por´em com atividade semelhante. A nisina A (figura 4.1) apresenta na posi¸c˜ao 27 um res´ıduo de histidina e a nisina Z uma asparagina [37].

Figura 4.1: Representa¸c˜ao esquem´atica da mol´ecula de nisina A [46].

A figura (4.2) apresenta modelo da bioss´ıntese, e regula¸c˜ao da s´ıntese de nisina. A bioss´ıntese da nisina ´e determinada por um conjunto de 11 genes: nisA, -B, -T, -C, -I, -P, -R, -K, -F, -E e -G. Inicialmente, a nisina ´e sintetizada ribossomicamente como um precursor (codificado pelo gene nisA), contendo 57 amino´acidos. A modifica¸c˜ao e transporte do precursor s˜ao feitos por um complexo ancorado na membrana composto pelos fatores B, C e T (codificados pelos genes nisBCT). Finalmente, a pr´e-nisina modificada ´e processada por uma protease codificada por nisP, gerando a mol´ecula de nisina madura com 34 amino´acidos. Uma das fun¸c˜oes da nisina ´e atuar como pept´ıdeo antimicrobiano, sendo que a pr´opria c´elula produtora ´e protegida pelos fatores I e FEG (codificado pelos genes nisI e nis- FEG). Uma segunda fun¸c˜ao da nisina ´e como pept´ıdeo ferormˆonio, que ´e percebido pelo dom´ınio de entrada do sensor quinase (NisK). Posteriormente, ocorre fosfotransferˆencia do dom´ınio transmissor do sensor quinase (NisK) para o dom´ınio receptor do regulador de

Figura 4.2: Modelo para bioss´ıntese, regula¸c˜ao e imunidade da nisina. Bioss´ıntese: ap´os sinteti- zada, a pr´e-nisina ´e modificada no interior da c´elula bacteriana pela enzimas desidratase (NisB), e ciclase (NisC). ´E ent˜ao translocada atrav´es da membrana pelo transportador (NisT). A pro- tease (NisP) remove o pept´ıdeo l´ıder da nisina, tornando-a ativa. Regula¸c˜ao: nisina liga-se ao sensor quinase (NisK). Autofosforila¸c˜ao da histidina quinase proporciona fosforila¸c˜ao (P) do regu- lador (NisR). Fosforilado, o regulador ativa os promotores induz´ıveis dos operons nisABTCIPRK e nisFEG. Imunidade: A prote´ına de imunidade (NisI) liga-se a nisina. NisI existe ancorado na membrana, e na forma livre de lip´ıdeo secretado (LF-I). O complexo transportador NisFEG ex- porta a nisina associada `a c´elula para o ambiente externo. Triˆangulos em preto indicam promotores induz´ıveis pela nisina, e triˆangulo em branco representa promotor n˜ao induz´ıvel. Adaptado de [8].

resposta (NisR). Fosforilado, NisR ativa os promotores induz´ıveis pela nisina dos operons nisA/ZBTCIPRK e nisFEG, iniciando a ativa¸c˜ao da transcri¸c˜ao e aumentando a produ¸c˜ao de nisina [26].

A curva de crescimento microbiano divide-se em quatro etapas: adapta¸c˜ao (fase lag), logar´ıtmica (fase log), estacion´aria e de decl´ınio. Na fase logar´ıtmica as c´elulas est˜ao plena-

SEC¸ ˜AO 4.1 • O MECANISMO DE “QUORUM SENSING” NA PRODUC¸ ˜AO DE

NISINA 84

mente adaptadas, absorvendo os nutrientes, sintetizando seus constituintes, crescendo e se duplicando. Na fase estacion´aria os nutrientes tornam-se escassos e os produtos t´oxicos est˜ao tornando-se mais abundantes. Nesta etapa n˜ao h´a um crescimento l´ıquido da popula¸c˜ao. A produ¸c˜ao detect´avel de nisina ´e iniciada no meio da fase logar´ıtmica de crescimento, e atinge um n´ıvel m´aximo no ´ınicio da fase estacion´aria.

Figura 4.3: Conjunto de genes para bioss´ıntese de nisina. P* representa promotor induz´ıvel pela nisina. Adaptado de [48].

O gene estrutural nisA ´e transcrito a uma taxa elevada como mRNA monocistrˆonico, al´em de ser produzido como parte de mRNA policistrˆonico nisABTCIP, e que est´a pre- sente em um n´ıvel mais baixo. Tanto nisA quanto nisABTCIP s˜ao derivados de um ´unico promotor (PnisA). Para os demais mRNA’s, nisRK e nisFEG, a transcri¸c˜ao depende dos promotores PnisR e PnisF, respectivamente. O n´ıvel de atividade dos promotores PnisA e PnisF (indicados por P* na figura 4.3), demonstrou ser diretamente dependente da concen- tra¸c˜ao extracelular da nisina, indicando assim uma rela¸c˜ao entre a concentra¸c˜ao do indutor (nisina), e o n´ıvel de unidades transcritas.

No cap´ıtulo anterior foi desenvolvido um modelo matem´atico com o objetivo de avaliar, especificamente, como o sistema regulat´orio se comporta quando aumenta a concentra¸c˜ao ex- tracelular de nisina no meio. Com esse prop´osito foram considerados apenas os componentes pertencentes ao sistema regulat´orio.

Neste cap´ıtulo iremos expandir aquele modelo, considerando tamb´em os componentes relacionados `a s´ıntese de nisina e introduzindo as equa¸c˜oes que descrevem as varia¸c˜oes nas concentra¸c˜oes totais dessas prote´ınas.

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