Citação: Drake JM (2025) Por que existem tão poucos patógenos? Ecologia e evolução no surgimento de patógenos. PLOS BIOL 23 (8): E3003329. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3003329
Publicado: 21 de agosto de 2025
Direitos autorais: © 2025 John M. Drake. Este é um artigo de acesso aberto distribuído sob os termos do Licença de atribuição do Inventive Commonsque permite o uso, a distribuição e a reprodução irrestritos em qualquer meio, desde que o autor e a fonte originais sejam creditados.
Financiamento: O (s) autor (s) não recebeu financiamento específico para este trabalho.
Interesses concorrentes: Os autores declararam que não existem interesses concorrentes.
Abreviações:
HGT, transferência horizontal de genes; Mges, elementos genéticos móveis
A fração de microorganismos patogênicos a qualquer espécie hospedeira é minúscula, como mostrado em um estudo abrangente recente que identificou apenas 1.513 espécies bacterianas patogênicas em humanos, certamente a mais estudada de todos os hospedeiros vertebrados (1). Em seu artigo de perspectiva recente (2), Arturo Casadevall perguntou: Que características, então, explique por que alguns microorganismos são patogênicos, enquanto a maioria não é? Ele propôs uma resposta de três partes. Para ser patogênico para os seres humanos, um microorganismo deve possuir simultaneamente: a capacidade de sobreviver no ambiente hospedeiro; Fatores de virulência que permitem infectar o hospedeiro e resistir à erradicação imunológica; e suscetibilidade ao hospedeiro, particularmente história imunológica, genética e presença de receptores para apego e invasão de células hospedeiras. Além desses fatores, o microorganismo deve danificar o hospedeiro, impondo um custo de condicionamento físico. Como essa confluência de características é rara e muitas vezes transitória, Casadevall concluiu que “a capacidade de virulência é um fenótipo tão exigente que é raro e pode ser passageiro” (2).
Esses atributos biológicos do microrganismo e do hospedeiro são apenas metade da história, no entanto, pois o surgimento de patógenos não é apenas um evento biológico, mas também ecológico e evolutivo. Pode ser que haja tão poucos patógenos porque não houve oportunidade suficiente. Em specific, proponho a expansão da estrutura apresentada por Casadevall para incluir três fatores adicionais: disponibilidade de host (ou seja, a abundância de potenciais hosts e estruturas demográficas e sociais que tornam os hosts acessíveis a patógenos); A exposição de hospedeiros a patógenos, que exige que os microorganismos ocupem distribuições ambientais e geográficas que os levam a encontrar potenciais hospedeiros; e oportunidade de inovação genômica (isto é, mecanismos evolutivos, como a transferência horizontal de genes (HGT) que permitem que os microorganismos adquiram e retenham características associadas à entrada de células, fuga imune, resistência a medicamentos ou patologia).
Em vez do diagrama de Venn de Casadevall com um pequeno cruzamento, proponho uma nova estrutura (Tabela 1). No lado esquerdo estão as condições biológicas necessárias (o modelo Casadevall (2)). No lado direito estão os acelerantes ecológicos e evolutivos. Este último – os fatores que moldam a exposição, a transmissão e a adaptação microbiana – podem realmente ser os mais informativos para antecipar o surgimento de novos patógenos humanos.
Primeiro, devemos considerar a disponibilidade do hospedeiro e a ascensão da ‘paisagem hospedeira’ humana. A emergência de patógenos depende não apenas da capacidade biológica de um micróbio de infectar, mas também de sua oportunidade de encontrar e colonizar hospedeiros adequados. Esta oportunidade é governada pela disponibilidade de hospedeiros (abundância, densidade e organização espacial de potenciais hosts). Para grande parte da história evolutiva humana, pequenos grupos móveis de caçadores-coletores limitaram as oportunidades de transmissão sustentada de patógenos. Isso mudou consideravelmente quando os humanos começaram a se estabelecer em comunidades agrícolas há cerca de 10.000 anos, um período que às vezes é chamado de primeira transição epidemiológica (3). Durante esse período, as populações humanas tornaram-se mais densas e as chamadas “doenças da multidão”, como tuberculose e varíola; Acredita -se que outras doenças humanas, como o sarampo, derivem de patógenos animais e seu emergência coincidiu com o aumento da domesticação (4).
A mudança para a vida sedentária produziu uma paisagem humana densa e cada vez mais interconectada. As populações cresceram, as aldeias se tornaram cidades e o contato frequente entre os indivíduos facilitou a transmissão de agentes infecciosos que anteriormente seriam incapazes de persistir (5). A transformação demográfica resultante expandiu o nicho ecológico disponível para patógenos, particularmente aqueles capazes de transmissão humano-para-humano. Esse aumento na disponibilidade do host criou uma base mais ampla para transbordamento microbiano e adaptação.
Para quantificar essa transformação, considere que a maioria dos patógenos humanos provavelmente evoluiu após esse período. Usando dados demográficos históricos, estimo o número cumulativo de pessoas-ano de 10.000 aC a 2025 CE como aproximadamente 1,62 × 1012. Se alguém assume que ~ 75% dos patógenos bacterianos humanos conhecidos surgiram durante esse período, mais de 1.100 patógenos bacterianos surgiram e persistiram desde o período neolítico, dando uma taxa de aquisição de patógenos bacterianos de 6,99 × 10-10 por pessoa do ano, aproximadamente um por 1,4 bilhão de pessoas-ano.
O próximo a considerar é a distribuição geográfica de microrganismos, que também é essential na aquisição de novos patógenos. Nas populações ecologicamente ou socialmente isoladas, as oportunidades de contato com novos micróbios são fortemente limitados. Um evento de repercussão em uma região pode nunca chegar a outra se as pessoas e patógenos permanecerem espacialmente separados. Historicamente, esse isolamento teria tamponado muitas populações de doenças epidêmicas. Em grupos pequenos ou dispersos, mesmo quando um patógeno atravessou a barreira da espécie, muitas vezes não teria falhado em acender a transmissão generalizada devido à disponibilidade e movimento limitados do hospedeiro. Sem apresentações repetidas ou movimentos de longa distância, os surtos da maioria dos patógenos emergentes teriam queimado rapidamente, incapazes de encontrar hospedeiros imunologicamente ingênuos.
A globalização mudou isso. Em nosso mundo interconectado, caracterizado por extensos comércio, turismo, migração e transporte, pessoas e patógenos se movem rapidamente e freqüentemente através dos limites geográficos (6). Hoje, mais pessoas podem ser expostas a uma maior variedade de patógenos do que nunca, e os patógenos não estão mais vinculados pelas fronteiras ecológicas ou sociais que os continham. Isso aumenta substancialmente a probabilidade de um evento de transbordamento levar à transmissão sustentada. Desde a marcha da peste entre as rotas comerciais medievais da Eurásia, até a introdução da malária nas Américas através do comércio transatlântico de escravos, à disseminação explosiva de SARS-CoV-2 ao longo dos corredores comerciais e de viagem, os patógenos seguiram consistentemente os caminhos do comércio humano.
A cólera ilustra essa dinâmica com clareza incomum. Todas as sete pandemias de cólera registradas têm sido associadas ao movimento humano. A pandemia atual – o sétimo – Started em Java, Indonésia, em 1961 com o surgimento do Vibrio cholerae El Tor Biotipo como uma tensão espalhada globalmente. Embora circulando mais cedo em Sulawesi, sua propagação explosiva começou após ser introduzida por viajantes de Makassar para uma comunidade à beira -mar perto de Kendal, Java. Os vínculos marítimos foram fundamentais, incluindo uma regata em Kuching, com a presença de participantes da Sulawesi, marcando o início da expansão de El Tor ao longo de rotas comerciais costeiras (7Assim,8). Ele se espalhou rapidamente pela Ásia e para a África e a Europa na década de 1960 e início da década de 1970. Em 1991, atravessou o oceano (provavelmente em água de lastro contaminada descarregada em um porto peruano), desencadeando uma epidemia regional que infectou mais de 1 milhão de pessoas e matou aproximadamente 10.000. A trajetória world da cólera ressalta um ponto mais amplo: em um mundo conectado, o comércio e as viagens não apenas aumentam as oportunidades de exposição, mas também amplificam o potencial de transmissão sustentada.
Finalmente, devemos considerar que as bactérias geralmente adquirem virulência e resistência antimicrobiana através da atividade dos elementos genéticos móveis (MGES). Esses elementos (como plasmídeos, transposons e bacteriófagos) permitem que os genes se movam lateralmente através de cepas, espécies ou até gêneros através da transferência horizontal de genes. Em V. Choleraeos principais determinantes da virulência do biótipo El Tor, incluindo as Ilhas Patogenicidade VSP-I e VSP-II, bem como o Profage da toxina da cólera, foram adquiridas através da integração de MGES (8). Da mesma forma, os patógenos oportunistas Acinetobacter baumannii e Vibrio Harveyi ambos adquiriram resistência a medicamentos através do HGT (9Assim,10). Como troca world, viagens e mudanças ambientais antropogênicas (por exemplo, engenharia hidrológica ou a homogeneização da biodiversidade por meio de introdução intencional ou acidental de espécies) colocam cada vez mais linhagens bacterianas em contato, elas criam oportunidades sem precedentes para troca genética entre populações anteriormente isoladas. Deve -se esperar que essa mistura microbiana acelere o ritmo da inovação de patógenos.
O contexto ecológico e evolutivo da emergência de doenças infecciosas está mudando em um ritmo sem precedentes. Embora os pré -requisitos biológicos para a patogenicidade – a capacidade de infecção, fatores de virulência e suscetibilidade ao hospedeiro – sejam essenciais, estes se desenrolam dentro de uma paisagem que está cada vez mais sendo moldada pela mudança world. Dado que a população humana world deve atingir 10,3 × 109 Em 2.100, e usando uma taxa estimada de um patógeno duradouro por 1,4 bilhão de pessoas-ano, podemos antecipar que cerca de 504 patógenos bacterianos adicionais podem emergir até o closing do século. Esta pode ser uma estimativa conservadora. A expansão da conectividade world aumentará a faixa e a frequência das exposições microbianas, enquanto a mistura microbiana pode acelerar a inovação genômica através do HGT, os quais aumentam a taxa de emergência. Ao mesmo tempo, melhorias na saúde pública, infraestrutura biomédica e mudanças nos padrões de contato humano -animal, sem dúvida, contribuíram para uma taxa de aquisição de patógenos per capita. Embora as características identificadas por Casadevall (2) Continuando a definir a patogenicidade microbiana, as forças dominantes que moldam o surgimento no século XXI podem agora ser pressões externas ecológicas e evolutivas que estão sendo rapidamente reformuladas pela atividade humana.
