Uma nova pesquisa lança luz sobre como diferentes espécies de bactérias podem construir nanoarpões complexos com diferentes blocos de construção de proteínas. As bactérias usam esses arpões chamados sistemas de secreção Tipo VI para injetar toxinas nas células próximas. Pesquisadores da Universidade de Sheffield descobriram que, embora as proteínas variassem, havia porções estruturalmente semelhantes que interagiam com o maquinário.

As bactérias produzem nanoarpões complexos em sua superfície celular. Uma de suas funções é arpoar e injetar toxinas nas células próximas. Produzir uma arma tão complexa requer muitos componentes móveis diferentes que os cientistas ainda estão tentando entender. Pesquisadores da Universidade de Sheffield têm usado algumas das linhas de luz de cristalografia de Diamond para entender uma peça particularmente enigmática desse pequeno quebra-cabeça. A equipe liderada por David Rice e Mark Thomas trabalhou em um componente de proteína do arpão chamado TssA, que eles já sabiam que era uma parte integrante do maquinário.

Contudo, ao contrário dos outros componentes do arpão, existem variantes distintas da proteína TssA que contêm sequências de aminoácidos radicalmente diferentes em uma extremidade da proteína. A equipe mostrou que as estruturas da região variável de duas subunidades TssA diferentes não estavam relacionadas e podiam se reunir em complexos de multissubunidades distintamente diferentes em termos de seu tamanho e geometria. Isso levantou a questão de como diferentes bactérias poderiam usar essa proteína com diferentes estruturas para produzir um arpão com a mesma função em todas as espécies. Eles descobriram que, apesar dessas diferenças, havia uma região conservada muito específica na outra extremidade da proteína. Eles levantam a hipótese de que a região conservada é a parte que faz o trabalho e ajuda o arpão a funcionar, enquanto a região variável atua como um andaime. Eles usaram I02, I03 e I24 em seu estudo e planejam fazer um trabalho de acompanhamento usando cristalografia de raios-X e Cryo-EM, como os do centro eBIC em Diamond. A pesquisa foi publicada em Nature Communications .

Nan arpões bacterianos e a enigmática proteína TssA

A guerra biológica em bactérias é relativamente bem conhecida. Um grupo de bactérias deseja anexar um recurso escasso para si, assim, eles produzem uma toxina à qual são imunes e matam qualquer invasor em potencial. Contudo, algumas bactérias adotam uma abordagem mais direcionada. Em vez de expelir toxinas para o meio extracelular, eles montam arpões em miniatura em sua superfície externa e nadam injetando toxinas diretamente nos agressores ou competidores em potencial. Isso não é um exagero ou uma metáfora, agora mesmo as bactérias estão nadando literalmente arpoando umas às outras até a morte. Esses arpões são chamados de sistemas de secreção do tipo VI (T6SSs) e, desde sua descoberta em 2005, pesquisadores em todo o mundo têm tentado entender esse feito em miniatura da engenharia.

A composição e complexidade dessas máquinas moleculares apresentam problemas perfeitos para a biologia estrutural e muitos dos componentes de proteínas dessas máquinas foram examinados usando cristalografia de raios-X ou microscopia crioeletrônica. A pesquisa mostrou que todo o sistema consiste em um complexo de proteínas que forma uma grande câmara que é ancorada na membrana. Ele contém um tubo afiado que é ejetado assim que uma bainha ao redor se contrai contra uma placa de base de proteína localizada na base da câmara, atirando o arpão em um vizinho desavisado.

Embora muito se saiba sobre os T6SSs, ainda existem alguns componentes críticos que permanecem enigmáticos, um deles é a proteína TssA.

Muitos estudos têm mostrado que esta proteína é parte integrante da maquinaria T6SS, mas pesquisas sobre o DNA que codifica esta proteína mostram que entre as espécies, há muita variação. A variação normalmente não é desejável em proteínas que têm uma função essencial, se você tem uma receita que funciona, não é uma boa ideia mudar repentinamente uma parte significativa dele. Isso levantou algumas questões, o que a proteína TssA faz e que efeito essas variações têm sobre a função?

Como funciona a proteína TssA?

A equipe de pesquisa começou fazendo uma análise da composição de aminoácidos de quatro proteínas TssA diferentes. Eles descobriram que se colocassem as sequências de proteínas em uma linha, o lado esquerdo ou terminal N sempre foi muito semelhante, e o lado direito ou terminal C variou muito. A equipe se perguntou se essas diferenças impediriam a proteína TssA de interagir como esperado com as outras proteínas necessárias para construir o arpão bacteriano. Eles realizaram testes de laboratório e descobriram que, de fato, a proteína TssA interagiu com quase todos os outros componentes do arpão exatamente como esperado. Para entender por que, eles fizeram várias viagens a Diamond para usar o I02, Linhas de luz I03 e I24 para cristalografia macromolecular. Ao analisar os dados das diferentes proteínas TssA, descobrimos que elas tinham estruturas muito diferentes. Isso não afetou apenas a aparência das proteínas individuais, mas também como elas interagiam umas com as outras para formar complexos de várias subunidades.

A equipe de pesquisa já sabia sobre uma estrutura publicada da proteína que se formou em um anel de 6 membros quando montada. Contudo, seus novos estudos revelaram que diferentes versões da proteína TssA podem formar anéis de 5 ou 16 membros. Apesar das diferenças, todas as proteínas TssA tinham uma porção estruturalmente conservada que sempre estava localizada do lado de fora dos complexos de montagem. Isso levou a equipe de pesquisa a levantar a hipótese de que era essa seção conservada que estava envolvida no funcionamento do arpão bacteriano. Eles raciocinaram que o resto da proteína que continha toda a variação estava agindo como uma estrutura para manter a unidade de trabalho do complexo proteico.

O que o futuro guarda?

Embora as evidências sejam convincentes, ainda há mais trabalho a ser feito. O professor David Rice disse que "o futuro deste trabalho é obter mais exemplos de diferentes espécies de bactérias e combinar dados de cristalografia com técnicas de Cryo-EM." Em última análise, a equipe gostaria de investigar a estrutura e função de todo o complexo T6SS de diferentes bactérias para verificar se sua hipótese está correta. Eles planejam usar cristalografia de raios-X em linhas de luz como I03, I24, bem como o VMXi recém-construído. Eles também planejam usar o Cryo-EM, que também está disponível no centro eBIC da Diamond. A combinação dessas técnicas complementares de biologia estrutural permitirá aos pesquisadores construir uma imagem mais completa de como essa complexa peça de nanomáquina é construída e como ela funciona.

As técnicas utilizadas também podem informar outros pesquisadores com questões semelhantes. Dados anteriores sugeriram que a proteína TssA era homóloga de uma proteína da placa de base encontrada no bacteriófago. Este estudo mostrou que não apenas este não era o caso, mas que as proteínas TssA eram muito diferentes umas das outras e levaram inicialmente os cientistas a atribuir erroneamente a função. Trabalho detalhado nas sequências de proteínas, estudos de interação e experimentos de biologia estrutural cuidadosos permitiram que a equipe de pesquisa de Sheffield descobrisse uma imagem mais precisa dessa importante arma microbiana.

A pesquisa também é de grande interesse para químicos e engenheiros que podem se inspirar nas bactérias para produzir suas próprias nanomáquinas. Existem aplicações potenciais no controle de infecções em que os arpões podem ser alvos de novos medicamentos para desativar as bactérias que os empregam ao causar infecções. Existem também aplicações na distribuição de drogas em que os arpões podem ser usados ​​para injetar drogas peptídicas e proteicas em células-alvo específicas. Em um nível mais fundamental, simplesmente entender como uma máquina móvel tão pequena e complexa pode ser construída e como ela funciona pode um dia nos ajudar a construir a nossa.