Cada célula viva depende de proteínas para funcionar e o processo de síntese de proteínas – tradução – é fundamental para a sobrevivência. As bactérias não são exceção, sendo as máquinas moleculares envolvidas na tradução um dos alvos mais comuns dos antibióticos.
Agora, pela primeira vez, cientistas liderados pelo grupo de Julia Mahamid no EMBL Heidelberg visualizaram em detalhes atômicos como os antibióticos afetam o processo de produção de proteínas dentro das células bacterianas. Este estudo, publicado na Nature, também marca a primeira vez em que os cientistas observaram mudanças estruturais em nível atômico na maquinaria de tradução ativa diretamente dentro de uma célula, em vez de usar moléculas isoladas em um tubo de ensaio. É importante ressaltar que essa abordagem permitiu que eles identificassem mecanismos que essas máquinas usam para "conversar" entre si dentro das células.

O estudo foi realizado em colaboração com pesquisadores do Instituto Max-Planck de Química Biofísica de Göttingen, do Centro Wellcome de Biologia Celular da Universidade de Edimburgo e da Technische Universität Berlin. A pesquisa também envolveu contribuições dos grupos Zimmermann-Kogadeeva e Bork da EMBL Heidelberg, que ajudaram os pesquisadores a realizar análises de bioinformática para observar como é a diversidade de proteínas ribossômicas em mais de 4.000 bactérias representativas.

Bactérias minúsculas e máquinas moleculares

Mahamid e sua equipe são especialistas em estudar a bactéria Mycoplasma pneumoniae usando uma técnica chamada tomografia crioeletrônica (crio-ET). Essa minúscula bactéria, que causa pneumonia atípica em humanos, possui uma maquinaria de síntese de proteínas totalmente funcional, apesar de ter apenas cerca de dez milésimos de milímetro de tamanho.

"Escolhemos o Mycoplasma para nossos estudos porque eles estão entre as células vivas menores e mais mínimas, e têm sido amplamente utilizados como células modelo em estudos de biologia de sistemas e biologia sintética", disse Liang Xue, pós-doutorando no grupo Mahamid e primeiro autor de o estudo.

O Cryo-ET permite que os pesquisadores tirem imagens em série de amostras biológicas congeladas em flash usando um microscópio eletrônico e combinem as imagens resultantes para formar uma visão tridimensional de uma célula - um pouco como uma minimáquina de ressonância magnética. “Com dados crio-ET em grande escala de células preservadas, é possível capturar instantâneos de alta resolução de diferentes estados de uma máquina molecular em ação e combiná-los em um filme”, disse Mahamid.

Uma das estruturas mais proeminentes quando se olha para uma imagem crio-ET de uma célula de Mycoplasma são pequenas bolhas escuras – estes são os ribossomos. "O ribossomo é uma das máquinas macromoleculares mais antigas, que pode ter existido antes mesmo do surgimento das células", disse Xue. Os ribossomos são as principais máquinas moleculares envolvidas na tradução de proteínas e estão presentes em todas as células – de bactérias a humanos.

A abordagem do grupo Mahamid permitiu que eles não apenas localizassem e contassem os ribossomos dentro das bactérias, mas também vissem sua estrutura em resolução atômica. Ao estudar um grande número de ribossomos "congelados" em diferentes estágios de seu ciclo de atividade, os cientistas puderam decifrar como a estrutura do ribossomo muda à medida que avança no processo de síntese de proteínas. Não só isso, mas também localizar os ribossomos no espaço tridimensional dentro da célula, o que permitiu identificar como o processo de tradução é organizado espacialmente.

"Dentro das células vivas, os ribossomos funcionam como sistemas altamente interconectados, em vez de máquinas moleculares individuais", disse Xue. "Revelamos novos recursos nos ribossomos e os diversos caminhos de reação de tradução nas células".

Antibióticos em ação

Crucialmente, usando crio-ET, os pesquisadores puderam observar o que acontece quando os antibióticos entram na célula e se ligam aos ribossomos. Por exemplo, eles poderiam confirmar que os dois antibióticos de amplo espectro cloranfenicol e espectinomicina se ligam a diferentes locais no ribossomo e interrompem diferentes etapas do processo de síntese de proteínas. Isso foi previsto por estudos em ribossomos isolados, mas nunca antes observado em ação dentro de uma célula bacteriana real.

"Foi muito emocionante quando pudemos ver pela primeira vez a ligação da molécula da droga a um ribossomo dentro da célula", disse Xue. "Mas foi ainda mais emocionante quando descobrimos que as populações de ribossomos em células tratadas com antibióticos são fundamentalmente remodeladas - funcionalmente, estruturalmente e espacialmente".

Os pesquisadores observaram que as interações entre ribossomos e outros complexos na célula mudaram em resposta à droga, sugerindo que um antibiótico pode ter um efeito que vai muito além do complexo específico ao qual se liga. "Por um lado, isso pode ajudar a entender os efeitos fora do alvo dos antibióticos e também pode ajudar a projetar combinações de antibióticos para aumentar sua eficiência", disse Mahamid.

O grupo Mahamid continua a usar o poder do crio-ET para estudar processos biológicos fundamentais. "O que somos capazes de fazer para este sistema de modelo requintadamente simples é, em princípio, aplicável a modelos muito mais complexos", disse Mahamid. "Por exemplo, em nosso grupo estudamos a interação entre vírus e seu hospedeiro celular humano, a organização de células-tronco pluripotentes humanas e o funcionamento de seus ribossomos, e até mesmo grandes organoides multicelulares 3D que nossos colaboradores e nós cultivamos a partir de células retiradas diretamente de Pacientes com câncer." + Explorar mais

Pesquisadores identificam proteína bacteriana que detecta e resgata ribossomos 'parados'