p Pesquisadores do California NanoSystems Institute da UCLA se tornaram os primeiros a produzir imagens das estruturas atômicas de três nanomáquinas biológicas específicas, cada um derivado de uma bactéria potencialmente mortal diferente - uma conquista que eles esperam que leve a antibióticos direcionados a patógenos específicos. p Os cientistas usaram uma tecnologia de ponta chamada microscopia crioeletrônica, ou cryoEM, para revelar a forma e função dessas estruturas importantes. Os artigos sobre suas descobertas foram publicados em três periódicos de primeira linha: Natureza , Célula , e Nature Structural and Molecular Biology .

p Duas das nanomáquinas são estruturas chamadas sistemas de ejeção contrátil, que suas bactérias usam para transferir moléculas tóxicas para células saudáveis ​​para usurpar-los para seus próprios fins, para atacar bactérias rivais, entregando toxinas nelas, e outras funções. Essas estruturas têm conjuntos de tubo bainha que criam aberturas nas membranas externas das células-alvo, por meio das quais podem inserir moléculas tóxicas.

p A terceira nanomáquina - diferente das outras duas - é uma estrutura de poro que entrega a toxina mortal do antraz às células dos mamíferos, uma vez que a bactéria do antraz está na corrente sanguínea. Esse mecanismo é como a bactéria do antraz ativa a doença em um animal ou pessoa infectada.

p Como as nanomáquinas funcionam foi mal compreendido, mas os pesquisadores da UCLA usaram um cryoEM equipado com uma câmera especial chamada detector direto de elétrons para produzir imagens altamente detalhadas. Os cientistas esperam que as novas informações sobre como eles funcionam os capacite a criar antibióticos que têm como alvo os patógenos bacterianos.

p O time, liderado por Hong Zhou, professor de microbiologia, imunologia e genética molecular, e de química e bioquímica, dirige o laboratório do Electron Imaging Center for Nanomáquinas, que é baseado no CNSI e abriga o microscópio eletrônico Titan Krios da UCLA - um crioEM altamente sofisticado e raro.

p "Como peça central do nosso laboratório central de microscopia eletrônica, o microscópio crioeletrônico está permitindo a exploração de um novo território na biologia molecular, "disse Jeff Miller, diretor do California NanoSystems Institute. "Essas imagens sem precedentes nos permitem entender o funcionamento real dessas estruturas notáveis."

p Toxina de antraz

p Em um artigo publicado online por Natureza , O professor Zhou e sua equipe relataram que foram os primeiros a determinar a estrutura atômica do poro da toxina do antraz, a principal molécula de doença do Bacillus anthracis, a bactéria que causa o antraz em humanos e animais. A estrutura atômica do poro da toxina do antraz tem a forma de um cogumelo com um portão dentro do "poço".

p A descoberta confirma como a doença afeta as células. Quando as células saudáveis ​​encontram objetos em nanoescala no corpo, eles presumem que os objetos são nutrientes e os absorvem. Como um cavalo de Tróia, o poro da toxina aparece para as células como algo benéfico - neste caso, um nutriente - e é absorvido pela célula. Mas uma vez dentro da célula, o poro sente a mudança para um ambiente mais ácido, que abre a porta do poro e libera a molécula da toxina do antraz na célula.

p "Este é um passo muito importante para a compreensão deste mecanismo, e é essencial para qualquer contramedida contra o antraz, "Disse Zhou." Também informa nossa compreensão dos mecanismos de outras toxinas que funcionam como o antraz, o que poderia levar a outros antibióticos direcionados. "

p Sistema de secreção de tularemia tipo VI

p Outra nanomáquina foi descrita pelo Dr. Marcus Horwitz, um professor de medicina e microbiologia da UCLA, imunologia e genética molecular, que trabalhou com a equipe de Zhou. Em um estudo publicado na revista Célula , os cientistas relataram o primeiro modelo de resolução atômica de qualquer sistema de secreção do tipo VI, ou T6SS, uma nanomáquina encontrada em cerca de 25% das bactérias gram-negativas.

p Bactérias Gram-negativas são responsáveis ​​por doenças como cólera, salmonelose, Doença do legionário e melioidose, e infecções graves, incluindo gastroenterite, pneumonia e meningite. Para o novo estudo, os cientistas examinaram Francisella tularensis, uma bactéria que causa tularemia e é de grande preocupação como um potencial agente de bioterrorismo.

p Construído a partir de proteínas componentes, a nanomáquina T6SS tem uma estrutura atômica que se assemelha a um pistão. Quando F. tularensis é absorvido por um tipo de glóbulo branco chamado macrófago, ele é circundado por uma membrana semelhante a uma bolha, uma estrutura conhecida como fagossoma. A nanomáquina T6SS então se monta dentro da bactéria, onde mergulha um tubo através da parede bacteriana e da membrana do fagossoma no citoplasma, a substância dentro do macrófago. Isso permite que a bactéria escape do fagossoma para o citoplasma, onde pode completar seu ciclo de vida e se multiplicar. Breve, o macrófago se enche de bactérias e rupturas, libertando a bactéria para infectar outras células. Assim, o T6SS é um novo alvo para antibióticos contra esta bactéria, e contra outros que o usam para sobreviver dentro das células hospedeiras ou para combater bactérias rivais.

p "Já estamos identificando moléculas de drogas que têm como alvo o F. tularensis T6SS, "Horwitz disse." Saber como essa estrutura funciona nos orienta na seleção de moléculas de drogas que bloqueiam sua montagem ou função. O objetivo geral é encontrar novos antibióticos que visem diretamente este agente de bioterrorismo de primeira linha e outras bactérias gram-negativas com um T6SS, como Vibrio cholerae, Pseudomonas aeruginosa, Burkholderia pseudomallei, e Escherichia coli patogênica. "

p Horwitz e sua equipe também podem desenvolver drogas de espectro mais amplo que funcionam em muitos patógenos gram-negativos diferentes que têm em comum um T6SS.

p Pseudomonas aeruginosa

p Em humanos e animais, uma bactéria chamada Pseudomonas aeruginosa causa doenças infecciosas que levam à inflamação generalizada e sepse, uma infecção perigosa do sangue. Uma equipe liderada por Zhou e Miller descobriu as estruturas atômicas das piocinas do tipo R, sistemas de ejeção contrátil de Pseudomonas aeruginosa. Suas descobertas foram publicadas online por Nature Structural and Molecular Biology .

p As piocinas do tipo R são usadas pela bactéria para inserir rapidamente seus nanotubos, como aríetes, nas membranas celulares de bactérias concorrentes para matar os concorrentes, dando a Pseudomonas aeruginosa acesso mais fácil aos nutrientes. Essas piocinas parecem criar um canal no envelope externo da bactéria alvo, que atua essencialmente para enfraquecê-lo e matá-lo. Essa capacidade tornou as piocinas do tipo R o foco da pesquisa em possíveis aplicações antimicrobianas e de bioengenharia, e os cientistas acreditam que eles podem ser projetados para dar aos medicamentos um poderoso componente antibacteriano.

p "A piocina R2 é uma máquina molecular extraordinária que usa energia de sua própria bateria biológica para funcionar, "disse Miller, que também é professor de microbiologia, imunologia e genética molecular. "É ideal para a engenharia de antibióticos direcionados que matam as bactérias nocivas sem interromper as bactérias intestinais protetoras do paciente."

p A escassez de tecnologia e os conhecimentos necessários para usá-lo tornam o CNSI uma das poucas instalações do mundo capaz de criar imagens de estruturas atômicas como essas nanomáquinas em resolução de nível atômico, é por isso que pesquisadores de todo o mundo vêm à UCLA para usar o Electron Imaging Center for Nanomáquinas, um laboratório pago por serviço aberto a qualquer cientista na academia ou indústria.

p Outros pesquisadores da UCLA que contribuíram para os três artigos foram Daniel Clemens, professor adjunto de medicina; Xuekui Yu, professor assistente adjunto de microbiologia, imunologia e genética molecular; Peng Ge, um associado de pesquisa; Bai-Yu Lee, um pesquisador associado; e Jiansen Jiang, um pós-doutorado. Bradley Pentelute do Massachusetts Institute of Technology, R. John Collier, da Harvard University Medical School, Dean Scholl, da AvidBiotics, e Petr Leiman, do Instituto de Física de Sistemas Biológicos da Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, foram os outros co-autores.