Microrganismos que consomem ou decompõem toxinas ambientais podem limpar vazamentos de petróleo, locais contaminados e bacias hidrográficas poluídas. Mas, até que seu orientador acadêmico lhe pedisse ajuda com um projeto que estava desenvolvendo com médicos do Hospital Infantil de Boston em 2009, Eric Alm não havia pensado muito sobre o papel desses microrganismos em um ambiente muito diferente: o sistema digestivo humano.
David Schauer, professor de engenharia biológica, estava investigando como os microrganismos no intestino poderiam estar ligados à doença inflamatória intestinal (DII), e esperava que uma análise estatística avançada dos dados que estava coletando pudesse tornar essas conexões mais claras. Alm, que havia ingressado no corpo docente de engenharia civil e ambiental em 2006 como biólogo computacional estudando usos ambientais de microrganismos, tinha a experiência estatística necessária e podia aplicar ferramentas de aprendizado de máquina para ajudar. Mas, para ele, o projeto deveria ser apenas um desvio breve.
Em junho de 2009, no entanto, Schauer — com apenas 48 anos — morreu inesperadamente, apenas duas semanas após adoecer. Alm, com o coração partido, trabalhou para ajudar a concluir o projeto de seu mentor. Enquanto esse esforço estava em andamento, Neil Rasmussen ’76, SM ’80, membro de longa data da MIT Corporation e o filantropo que financiava o projeto, pediu para fazer uma visita ao laboratório. Esse encontro mudaria o rumo da carreira de Alm.
Ao final da visita, Rasmussen, que tem um familiar com DII, fez uma surpresa: perguntou a Alm se ele estaria disposto a mudar o foco de sua pesquisa para a doença inflamatória intestinal — e se ofereceu para financiar seu laboratório caso aceitasse.
Alm topou. Ele começou a mudar o foco principal de sua pesquisa, afastando-se do uso de micróbios para o meio ambiente e voltando a maior parte de sua atenção para como eles poderiam ser aplicados à saúde humana. Em seguida, Rasmussen decidiu que queria “fazer algo realmente grande”, como Alm descreve, e transformar Boston em um polo de pesquisa sobre o microbioma. Assim, em 2014, com uma doação de US$ 25 milhões da Neil and Anna Rasmussen Foundation, foi lançado o Center for Microbiome Informatics and Therapeutics (CMIT), com Alm e Ramnik Xavier, chefe de gastroenterologia do Massachusetts General Hospital, como codiretores.
Ao unir forças com Alm e outros pesquisadores, Rasmussen esperava criar um centro de pesquisa onde cientistas, engenheiros, médicos e os próximos líderes da área colaborassem entre disciplinas científicas. Eles desenvolveriam as ferramentas necessárias para sustentar um novo campo de pesquisa e traduzir descobertas de ponta em intervenções clínicas para pacientes que sofrem de uma ampla gama de condições inflamatórias e autoimunes influenciadas pelo intestino — incluindo não apenas DII (doença inflamatória intestinal), mas também diabetes e Alzheimer — e potencialmente autismo, doença de Parkinson e depressão.
Em seus primeiros 10 anos, o CMIT alcançou avanços notáveis.
Quando o centro foi criado, Alm afirma, ainda era uma ideia relativamente nova considerar que o microbioma humano — especialmente a comunidade de trilhões de microrganismos simbióticos que vivem no intestino — poderia desempenhar um papel fundamental na saúde humana. Havia poucos programas de pesquisa sérios dedicados a estudar essa hipótese.
“Era realmente um território inexplorado”, ele relembra. “[Em] muitas doenças para as quais parecia haver elementos que não conseguíamos explicar, muita gente achava que talvez o microbioma tivesse um papel, seja direta ou indiretamente.”
Desde então, tornou-se cada vez mais evidente que o microbioma tem um impacto muito maior na saúde e no desenvolvimento humano do que se imaginava. Hoje sabemos que o intestino humano — frequentemente definido como o conjunto de órgãos responsáveis pelo processamento de alimentos no trato gastrointestinal — abriga trilhões incontáveis de microrganismos, cada um funcionando como um laboratório vivo capaz de ingerir nutrientes, açúcares e materiais orgânicos, digeri-los e liberar diversos tipos de subprodutos orgânicos. E os subprodutos metabólicos desses micróbios intestinais são semelhantes aos do fígado, afirma Alm. De fato, o microbioma intestinal pode essencialmente espelhar algumas das funções do fígado, ajudando o corpo a metabolizar carboidratos, proteínas e gorduras ao decompor compostos complexos em moléculas mais simples, que o organismo consegue processar com mais facilidade. No entanto, os subprodutos do intestino podem mudar de forma benéfica ou prejudicial, dependendo dos microrganismos que se estabelecem ali.
“Eu adoraria ter bactérias vivendo no meu rosto que liberassem protetor solar em resposta à luz. Por que não posso ter isso?”
— Tami Lieberman
“Nossas defesas imunológicas sofisticadas evoluíram em resposta ao microbioma e continuam a se adaptar ao longo da vida”, diz Rasmussen. “Acredito que avançar na ciência básica das interações humanas com o microbioma é fundamental para entender e curar doenças crônicas relacionadas ao sistema imunológico.”
Atualmente, pesquisadores vinculados ao centro já publicaram cerca de 200 artigos científicos, e a instituição encontrou formas de expandir a pesquisa sobre o microbioma muito além de seus próprios laboratórios. Ela financia uma equipe no Broad Institute (onde Alm agora é Membro do Instituto) que realiza ensaios e sequenciamentos genéticos para cientistas que estudam o tema. Paralelamente, o centro estabeleceu uma das bibliotecas de cepas microbianas mais abrangentes do mundo, facilitando pesquisas em todo o planeta. As aplicações clínicas produzidas pelo CMIT já impactaram a vida de dezenas de milhares de pacientes. Uma das mais significativas começou a fazer diferença mesmo antes do lançamento oficial do centro.
Durante décadas, hospitais enfrentaram os efeitos letais das infecções bacterianas causadas por Clostridioides difficile (C. diff), uma bactéria resistente e oportunista que pode colonizar o intestino de pacientes vulneráveis, frequentemente após doses intensas de antibióticos eliminarem os microrganismos benéficos que normalmente mantêm o C. diff sob controle. A condição, que provoca diarreia aquosa, dor abdominal, febre e náusea, pode ser resistente aos tratamentos convencionais. Cerca de 30 mil americanos morrem todos os anos em decorrência dessa infecção.
Já em 2003, pesquisadores haviam descoberto que transplantar fezes de um doador saudável para o cólon de um paciente doente poderia restaurar a microbiota benéfica e resolver o problema. Mas mesmo uma década depois, ainda não existia um tratamento ou protocolo padronizado — parentes eram frequentemente orientados a levar suas próprias amostras em potes de sorvete. Em 2013, Mark Smith, PhD pela turma de 2014 e então estudante de pós-graduação no laboratório de Alm, cofundou a OpenBiome, o primeiro banco de fezes humanas dos Estados Unidos. A OpenBiome desenvolveu métodos rigorosos para triagem de doadores (costuma-se dizer que é mais difícil ser aprovado do que entrar no MIT ou em Harvard) e padronizou os procedimentos de processamento e armazenamento das amostras. Ao longo dos anos, a organização sem fins lucrativos colaborou com cerca de 1.300 unidades de saúde e instituições de pesquisa, facilitando o tratamento de mais de 70 mil pacientes — um trabalho que, segundo a própria OpenBiome, ajudou a pavimentar o caminho para a aprovação do primeiro tratamento terapêutico baseado em microbioma pela FDA (agência reguladora dos EUA) para infecções recorrentes por C. diff.
Para criar essa biblioteca — que inclui cepas tanto na Broad Institute–OpenBiome Microbiome Library quanto no biobanco da Global Microbiome Conservancy — os pesquisadores isolaram mais de 15 mil cepas distintas de microrganismos encontrados no intestino humano. A biblioteca pode servir como referência para quem deseja obter informações sobre microrganismos isolados por conta própria, mas também está disponível para pesquisadores que precisem de amostras de cepas específicas para estudo. Para complementar a biblioteca de cepas, pesquisadores vinculados ao CMIT viajaram a diversas regiões do mundo para coletar amostras de fezes de populações indígenas remotas — um esforço que continua até hoje por meio da Global Microbiome Conservancy.
“Estamos tentando construir uma massa crítica e oferecer às pessoas que trabalham em diferentes laboratórios um espaço central onde possam se comunicar e colaborar”, diz Alm. “Também queremos ajudá-las a ter acesso a médicos que possam fornecer amostras ou que tenham problemas que precisam de uma solução de engenharia.”
Hoje, o principal projeto do CMIT é um ensaio clínico com 100 pacientes lançado para estudar a doença inflamatória intestinal (IBD), utilizando uma ampla gama de tecnologias para monitorar dois grupos de pacientes — um nos Estados Unidos e outro nos Países Baixos — ao longo de um ano. Pessoas com doença de Crohn e colite ulcerativa geralmente passam por períodos de remissão total ou parcial, mas atualmente não têm como prever quando irão sofrer uma recaída. Por isso, os pesquisadores estão acompanhando mudanças semanais no microbioma de cada paciente e em outros indicadores biológicos, ao mesmo tempo em que coletam dados fisiológicos contínuos por meio de dispositivos Fitbit e registram pontuações de sintomas autorrelatadas junto a outros dados clínicos. O objetivo é identificar biomarcadores e outros sinais que possam ser usados para prever crises, de modo que terapias já aprovadas possam ser aplicadas com mais eficácia.
Embora os dados ainda estejam sendo coletados, uma análise preliminar sugere que o microbioma intestinal do paciente começa a mudar de seis a oito semanas antes do aparecimento dos sintomas de uma crise, e, algumas semanas depois, análises genéticas de células epiteliais nas amostras de fezes começam a mostrar sinais de aumento da inflamação. A equipe planeja realizar um hackathon neste verão para acelerar a análise da montanha de dados diversos que está sendo reunida.
Enquanto isso, a comunidade de médicos, engenheiros e cientistas cultivada pelo CMIT está conduzindo projetos que Alm dificilmente teria imaginado quando começou a se aprofundar nas pesquisas sobre o microbioma humano.
Sobrevivente: edição micróbios
Logo abaixo da foto na página de biografia de sua conta no Twitter/X, Alyssa Haynes Mitchell exibe três emojis: um minúsculo laptop, uma dupla hélice de DNA em vermelho e azul, e uma pilha sorridente de cocô. Esses hieróglifos digitais resumem perfeitamente sua área de atuação enquanto ela cursa o doutorado em microbiologia. Bolsista Neil e Anna Rasmussen em 2024, Mitchell está tentando entender exatamente o que permite que os microrganismos sobrevivam e prosperem no intestino humano.
Mitchell se apaixonou pelo estudo dos micróbios durante a graduação na Universidade de Boston. Primeiro, ficou maravilhada ao ler um artigo de pesquisadores que conseguiram criar uma cópia da população de células intestinais de um paciente — um “intestino em um chip” — e planejavam cultivar um microbioma sobre ele. Ela ficou fascinada com a ideia de que isso poderia levar a tratamentos personalizados para condições como doenças inflamatórias intestinais (IBD). Depois, cultivou sua primeira colônia de uma cepa da bactéria Bacillus subtilis, geneticamente modificada para fluorescer.
“Elas formam essas cristas realmente complexas, e quanto mais você observa as imagens de microscopia, mais percebe que há padrões de comportamento coletivo em biofilmes bacterianos que simplesmente não compreendemos”, diz ela. “São superbonitas, e é realmente impressionante de se ver.”
Em 2023, Mitchell ingressou no laboratório de Tami Lieberman, professora associada de engenharia civil e ambiental e integrante tanto do CMIT quanto do Instituto de Engenharia Médica e Ciência do MIT.
Mitchell e outros pesquisadores que estudam o microbioma acreditam que os “probióticos” — microrganismos benéficos aplicados na pele ou ingeridos por meio de suplementos ou alimentos como iogurte ou kombucha — podem ter um potencial amplo no tratamento de doenças. Mas, por razões que ainda não são totalmente compreendidas, uma vez introduzidos no intestino, apenas uma pequena porcentagem desses probióticos consegue sobreviver e se proliferar, um processo conhecido como enxerto. Um probiótico com taxa de enxerto de 30% (ou seja, ainda detectável em 30% dos indivíduos) seis meses após a administração é considerado bom, diz Mitchell. Ela e Lieberman, que também ocupa o cargo de professora Hermann L.F. von Helmholtz, estão estudando como cepas individuais de microrganismos evoluem para sobreviver no microbioma — um mistério fundamental que precisa ser resolvido para que se possa projetar terapias mais eficazes e duradouras.
“Esperamos que, se aprendermos um pouco mais sobre o que impulsiona a evolução das que permanecem, possamos entender por que algumas não permanecem”, diz ela.
Mitchell tem trabalhado com amostras coletadas por uma empresa de biotecnologia local que desenvolve bioterapias para o intestino. Seus produtos probióticos, utilizados no tratamento de infecções recorrentes por C. diff, contêm oito cepas microbianas intimamente relacionadas pertencentes à ordem conhecida como Clostridiales. A empresa administrou um de seus produtos a 56 indivíduos e coletou amostras de fezes ao longo do tempo. Mitchell está usando técnicas de sequenciamento genético para rastrear como três das espécies microbianas evoluíram em 21 desses indivíduos. Identificar diferenças e semelhanças específicas de cada pessoa pode revelar informações sobre o ambiente do hospedeiro e ajudar a explicar por que certos tipos de mutações permitem que alguns microrganismos sobrevivam e prosperem. O projeto ainda está em fase inicial, mas Mitchell já tem uma hipótese de trabalho.
“O modelo que tenho em mente é que as pessoas têm ambientes [intestinais] diferentes, e os microrganismos são ou não compatíveis com eles”, diz ela. “E existe uma janela em que, se você é um microrganismo, talvez consiga permanecer ali, mas talvez não prosperar. E então a evolução te ajuda. Você pode não estar muito apto quando chega, mas está perto o suficiente para permanecer e se adaptar. Já em outras pessoas, você é totalmente incompatível com o que já está presente, e os microrganismos residentes vencem a disputa.”
Seu trabalho é apenas um dos muitos projetos que utilizam novas abordagens desenvolvidas por Lieberman, que atuou como pesquisadora de pós-doutorado no laboratório de Alm antes de iniciar o próprio laboratório em 2018. Como estudante de pós-graduação em Harvard, Lieberman teve acesso a mais de 100 amostras congeladas coletadas das vias aéreas, sangue e tecido pulmonar de 14 pacientes com fibrose cística, uma doença genética que provoca o acúmulo de muco nos pulmões e cria condições favoráveis a infecções. Esses pacientes estavam entre os que desenvolveram infecções bacterianas durante um surto na década de 1990.
Lieberman e seus colegas perceberam uma oportunidade perfeita para usar tecnologias de sequenciamento genético no estudo da forma como o genoma da bactéria Burkholderia dolosa evoluía ao cultivar essas amostras. O que permitia que a B. dolosa se adaptasse e sobrevivesse? Muitos dos microrganismos sobreviventes, ela descobriu, haviam desenvolvido mutações semelhantes de forma independente em diferentes pacientes, o que sugeria que pelo menos algumas dessas mutações ajudavam na sua proliferação. A pesquisa indicava quais genes mereciam ser estudados mais a fundo — e sugeria que essa abordagem tinha potencial para esclarecer o que é necessário para que microrganismos cresçam com sucesso no corpo humano.
Lieberman ingressou no laboratório de Alm em 2015 com o objetivo de aplicar o mesmo paradigma experimental e as técnicas estatísticas que havia desenvolvido ao campo emergente da pesquisa do microbioma. Em seu próprio laboratório, ela desenvolveu uma abordagem para entender como as pressões da seleção natural resultam em mutações que podem ajudar certos microrganismos a se estabelecerem. Isso envolve o estudo de colônias de bactérias que se formam na pele humana.
“A ideia é criar uma fábrica de metabólitos geneticamente modificada no intestino.”
— Daniel Pascal
No intestino, explica Lieberman, centenas de espécies diferentes de microrganismos coexistem e coevoluem, formando uma comunidade heterogênea cujos membros interagem entre si de maneiras que ainda não são totalmente compreendidas. Isso gera uma ampla variedade de variáveis de confusão, tornando mais difícil identificar por que alguns microrganismos conseguem se fixar e outros não. Já na pele, o ambiente metabólico é menos complexo e, por isso, menos espécies bacterianas coexistem. O número menor de espécies torna muito mais fácil acompanhar como os genomas de microrganismos específicos mudam ao longo do tempo para facilitar sua sobrevivência, e a acessibilidade da pele também ajuda a entender como a estrutura espacial e a presença de outros microrganismos afetam esse processo.
Uma das descobertas do laboratório de Lieberman é que cada poro é dominado por apenas uma cepa aleatória de uma única espécie. Seu grupo levanta a hipótese de que a sobrevivência pode depender da geometria do poro e da localização dos microrganismos. Por exemplo, como esses microrganismos anaeróbicos geralmente prosperam no fundo do poro — uma área de difícil acesso e com menos oxigênio —, o primeiro a chegar lá consegue impedir a colonização por novos migrantes.
“Minha visão — e, na verdade, uma visão para o campo do microbioma em geral”, diz Lieberman, “é que um dia microrganismos terapêuticos possam ser adicionados ao corpo para tratar condições médicas.” “Esses podem ser microrganismos naturalmente existentes ou geneticamente modificados para apresentar alguma propriedade desejada”, ela acrescenta. “Mas descobrir como fazer isso é realmente desafiador, porque não entendemos a ecologia do sistema.” A maioria das bactérias introduzidas no organismo de uma pessoa — mesmo aquelas retiradas de outro humano saudável — não irá persistir nesse novo corpo, observa, a menos que se “bombe o sistema com antibióticos” primeiro, para eliminar a maior parte dos microrganismos que já estão ali. “Por que isso acontece”, ela conclui, “é algo que realmente ainda não compreendemos.”
Adam Piore
