Quando os patógenos invadem um hospedeiro humano, eles precisam da capacidade máxima de se mover pelo corpo enquanto navegam em ambientes adversos e causam infecção. Sua capacidade de perfurar-se através de ambientes semelhantes a gel é muitas vezes possibilitada pela rotação de uma máquina em forma de cauda conhecida como flagelo.
Como as bactérias se movem, sobrevivem e causam infecções no corpo tem fascinado os cientistas, mas os papéis de certos atores-chave envolvidos no mecanismo da motilidade ainda são pouco compreendidos. Agora, pela primeira vez, os pesquisadores de Yale visualizaram uma estrutura de anel única que estabiliza o motor do flagelo e aumenta o movimento bacteriano. Os pesquisadores publicaram suas descobertas em Proceedings of the National Academy of Sciences em 7 de março.

Os flagelos impulsionam as bactérias pelo corpo

"Os flagelos das bactérias precisam gerar alto torque para ajudá-los a se mover em seu ambiente", diz Jun Liu, Ph.D., professor do Departamento de Patogênese Microbiana e do Instituto de Ciências Microbianas e autor sênior do estudo. “Encontramos uma estrutura que é uma peça do quebra-cabeça, ajudando-nos a entender por que algumas bactérias podem nadar e se disseminar em diversos ambientes de hospedeiros para causar infecção”.

O flagelo tem três componentes - o motor, gancho e filamento. A rotação do filamento permite que as bactérias se movam em seu ambiente. O motor embutido na membrana da célula bacteriana gira – assim como o motor de um carro gira sob o capô do veículo – para conduzir o movimento do filamento para fora.

Este motor contém uma grande estrutura conhecida como C-ring, que requer a ajuda de estruturas menores e dinâmicas conhecidas como estatores para girar. Quando uma bactéria precisa se mover, ela recruta estatores para o anel C, onde eles sofrem uma mudança conformacional e se estendem. Então, a força do fluxo de íons de hidrogênio através dos canais do estator impulsiona a rotação do anel C, que por sua vez aciona o motor e o filamento para girar.

"Antes, não sabíamos o que os estatores fazem exatamente para girar o motor", diz Shuaiqi Guo, Ph.D., pesquisador associado e primeiro autor do estudo. Em 2020, a equipe descobriu que os estatores não apenas experimentam uma mudança conformacional, mas também giram, como engrenagens que acionam a correia de um motor. Essas estruturas esbeltas e flexíveis precisam girar muito rápido e, sem estabilização, essa rotação rápida introduziria instabilidade em todo o motor. Os membros do laboratório Liu queriam descobrir como os estatores permanecem no lugar enquanto giram e, em seus estudos mais recentes, descobriram que essa capacidade é possibilitada por uma proteína chamada FliL.

"Esta proteína tem sido muito misteriosa no campo por trinta anos", diz Guo. “É muito importante para a motilidade bacteriana em ambientes complexos, mas os cientistas vêm debatendo acaloradamente sua função e estrutura”.

Cryo-EM em Yale revela propulsão flagelar

Para entender melhor o papel do FliL na motilidade flagelar, a equipe usou uma técnica chamada tomografia crioeletrônica. A tecnologia forneceu uma visão de alta resolução e close-up dos flagelos do Borrelia burgdorferi causador da doença de Lyme e do Helicobacter pylori causador da úlcera estomacal. Eles descobriram que as proteínas FliL, que também são em forma de anel, são responsáveis ​​por manter os estatores no lugar. Anéis FliL individuais, a equipe descobriu, são importantes para a montagem e estabilização de cada um dos dezesseis estatores ao redor do C-ring. Eles também descobriram que a exclusão genética dessa proteína prejudica gravemente a capacidade das bactérias de se moverem. "FliL é uma parte importante da caixa de engrenagens do flagelo que permite que o motor gire", diz Guo. "Sem este componente, é como se a caixa de engrenagens estivesse sem um parafuso e o motor desmoronasse quando está girando rapidamente."

A motilidade é essencial para a capacidade das bactérias de causar doenças. Se as bactérias não podem se mover dentro do corpo, infecções perigosas são muito menos prováveis. Os pesquisadores esperam continuar construindo seu conhecimento sobre como as bactérias se movem e causam doenças, com o objetivo final de projetar terapias que inibam o movimento bacteriano. Maiores insights sobre a motilidade também podem ajudar os cientistas a desenvolver técnicas eficazes de entrega de medicamentos. "Se conhecermos todos os componentes da máquina que ajudam as bactérias a se moverem, podemos tentar projetá-los e usá-los para aplicações médicas", diz Guo.

"Fizemos um progresso incremental na compreensão desta máquina fascinante", diz Liu. "Esperamos continuar trabalhando nisso por décadas para resolver como os flagelos de diferentes bactérias evoluíram de forma única. Acabamos de tocar a ponta do iceberg para entender essa bela estrutura".