Pesquisadores descobrem funções-chave de vírus jumbo terapeuticamente promissores
O vírus jumbo phikzvirus, ou phiKZ, é conhecido por infectar bactérias Pseudomonas. Crédito:Pogliano Labs, UC San Diego Os medicamentos antibióticos tornaram-se um tratamento popular para infecções bacterianas no início do século XX e emergiram como uma ferramenta transformadora na saúde humana. Em meados do século, novos antibióticos foram desenvolvidos regularmente na era de ouro da medicação.
Mas então as bactérias evoluíram. Eles encontraram novas maneiras de escapar dos tratamentos com antibióticos, tornando muitos deles inúteis. À medida que as novas fontes de antibióticos secaram, as infecções bacterianas transformaram-se na atual crise sanitária global de resistência aos antibióticos.
Os cientistas recorrem agora a um aliado invulgar, os vírus, para ajudar a combater esta ameaça crescente. Recentemente, os investigadores concentraram-se em vírus conhecidos como bacteriófagos como uma nova ferramenta para tratar e desarmar bactérias resistentes a antibióticos. Foi dada especial atenção aos fagos "jumbo" - vírus recentemente descobertos com genomas extremamente grandes - que poderiam ser aproveitados como agentes de entrega especiais que podem não apenas matar bactérias, mas também podem ser projetados para entregar antibióticos diretamente à fonte de infecção.
Mas, para fornecer novas terapêuticas através dos fagos, os cientistas devem primeiro compreender a extraordinária composição biológica e os mecanismos dentro destes vírus misteriosos.
Pesquisadores da Escola de Ciências Biológicas da Universidade da Califórnia em San Diego e seus colegas do Innovative Genomics Institute da UC Berkeley e da Universidade Chulalongkorn em Bangkok deram um passo substancial na decifração de várias funções-chave dentro dos fagos jumbo.
Uma imagem gráfica do PicA, um componente-chave do fago jumbo que coordena o tráfego de proteínas através da camada protetora do núcleo do fago. Crédito:Pogliano Labs, UC San Diego
“Esses fagos gigantes têm genomas grandes que, em teoria, poderiam ser manipulados para transportar cargas úteis que matam bactérias de maneira mais eficaz”, disse Joe Pogliano, professor da Escola de Ciências Biológicas da UC San Diego e autor sênior de um novo artigo publicado no Anais da Academia Nacional de Ciências . "O problema é que o seu genoma está fechado, por isso não é de fácil acesso. Mas agora descobrimos alguns dos seus elementos-chave."
Conforme descrito no artigo, a pesquisa liderada pelo estudante de pós-graduação da Escola de Ciências Biológicas Chase Morgan concentrou-se em fagos enormes de Chimalliviridae que se replicaram dentro de bactérias, formando um compartimento que se assemelha ao núcleo dentro das células de humanos e outros organismos vivos. O compartimento semelhante ao núcleo do Chimalliviridae separa e importa seletivamente certas proteínas que permitem sua replicação dentro da bactéria hospedeira. Mas a forma como esse processo se desenrola tem sido uma parte intrigante do processo.
Usando novas ferramentas genéticas e de biologia celular, Morgan e seus colegas identificaram uma proteína-chave, que chamaram de "importador de proteína do Chimallivírus A", ou PicA, que atua como uma espécie de segurança de boate, traficando proteínas seletivamente, garantindo a entrada dentro do núcleo para alguns, mas negando acesso a outros. Eles descobriram que o PicA coordena o tráfego de proteínas de carga através da camada protetora do núcleo do fago.
“Só o facto de este vírus ser capaz de estabelecer esta estrutura e sistema de transporte incrivelmente complexos é realmente incrível e nunca vimos antes”, disse Morgan. “O que consideramos biologia complexa é geralmente reservado para formas de vida superiores, como os humanos e nossas dezenas de milhares de genes, mas aqui estamos vendo processos funcionalmente análogos em um genoma viral comparativamente pequeno de apenas aproximadamente 300 genes. sistema de transporte que conhecemos."
Usando CRISPRi-ART, uma ferramenta de RNA programável para estudar genomas, os pesquisadores conseguiram demonstrar que PicA é um componente essencial do processo de desenvolvimento e replicação do núcleo de Chimalliviridae.
Alunos de pós-graduação da Escola de Ciências Biológicas Chase Morgan e Emily Armbruster, co-autores do PNAS papel. Crédito:Pogliano Labs, UC San Diego
"Sem a simplicidade e versatilidade das tecnologias CRISPR direcionadas ao RNA, perguntar e responder diretamente a essas perguntas seria quase impossível. Estamos realmente entusiasmados em ver como essas ferramentas desvendam os mistérios codificados pelos genomas dos fagos", disse o co-autor Ben Adler, um bolsista de pós-doutorado trabalhando com Jennifer Doudna, pioneira do CRISPR ganhadora do Prêmio Nobel.
As bactérias e os vírus têm-se envolvido numa espécie de corrida armamentista durante milhares de milhões de anos, cada um evoluindo para contrariar as adaptações do outro. Os pesquisadores dizem que o sofisticado sistema de transporte PicA é resultado dessa intensa e contínua competição evolutiva. O sistema evoluiu para ser altamente flexível e altamente seletivo, permitindo apenas os principais elementos benéficos dentro do núcleo. Sem o sistema PicA, as proteínas defensivas da bactéria entrariam e sabotariam o processo de replicação do vírus.
Essas informações são vitais à medida que os cientistas da Iniciativa de Patógenos Emergentes e do Centro de Aplicações Inovadoras e Terapêuticas de Fagos da UC San Diego se esforçam para estabelecer as bases para eventualmente programar geneticamente fagos para tratar uma variedade de doenças mortais.
“Nós realmente não tínhamos qualquer compreensão de como funcionava o sistema de importação de proteínas ou quais proteínas estavam envolvidas anteriormente, então esta pesquisa é o primeiro passo para a compreensão de um processo chave que é crítico para que esses fagos se repliquem com sucesso”, disse a Escola de Ciências Biológicas. a estudante de pós-graduação Emily Armbruster, coautora do artigo. "Quanto mais compreendermos estes sistemas essenciais, melhor seremos capazes de projetar fagos para uso terapêutico."
Os alvos futuros para esses vírus geneticamente programados incluem a bactéria Pseudomonas aeruginosa, que é conhecida por causar infecções potencialmente fatais e por representar riscos para pacientes em hospitais. Outros alvos promissores incluem E. coli e Klebsiella, que podem causar infecções crónicas e recorrentes e, em alguns casos, entrar na corrente sanguínea, o que pode ser fatal.
