Os cientistas revelaram como um vírus que infecta bactérias desativa a MurJ, uma proteína necessária para a construção da parede celular bacteriana. Notavelmente, diferentes vírus desenvolveram proteínas diferentes que bloqueiam o MurJ da mesma maneira, destacando-o como um novo e promissor alvo antibiótico.
Os resultados da pesquisa foram publicados na edição de 26 de fevereiro da natureza. A pesquisa foi liderada por Yan Cheng Evelyn Li, estudante de graduação no laboratório de Bil Clemons na Caltech. Clemons, professor de bioquímica do Memorial Arthur e Marianne Harnisch, é o autor correspondente.
Novos antibióticos necessários com urgência
As bactérias evoluem rapidamente e esta adaptabilidade está a exacerbar uma crescente crise de saúde pública. Como explica Clemons: “A evolução é poderosa e, nas bactérias, a resistência aos antibióticos pode desenvolver-se rapidamente. Isto significa que estamos agora a lidar com bactérias que são resistentes a todos os medicamentos que temos”. Ele acrescentou: “Só nos Estados Unidos, dezenas de milhares de pessoas morrem de infecções bacterianas resistentes a antibióticos todos os anos, e esse número está aumentando rapidamente. Precisamos de novos antibióticos para combater este problema”.
À medida que os medicamentos existentes perdem a sua eficácia, os investigadores procuram vulnerabilidades bacterianas inteiramente novas.
Parede celular bacteriana alvo
Um foco de longa data tem sido nas vias que as bactérias usam para construir o peptidoglicano, o material rígido que forma as paredes celulares. Este processo, conhecido como via biossintética do peptidoglicano, é particularmente atraente porque o peptidoglicano está presente nas bactérias, mas não nas células humanas. Como aponta Clemons, “o peptidoglicano é uma característica única das bactérias que as torna um alvo atraente para antibióticos”.
Vários antibióticos interromperam esse caminho. A penicilina, descoberta por Alexander Fleming em meados do século 20, bloqueia os estágios posteriores da produção de peptidoglicano. Medicamentos relacionados, como a amoxicilina, funcionam de maneira semelhante.
Proteínas-chave MraY, MurG e MurJ
Três proteínas essenciais impulsionam o movimento dos blocos de construção do peptidoglicano através da membrana interna bacteriana: MraY, MurG e MurJ. Essas proteínas ajudam a transportar os componentes necessários para montar a parede celular além da barreira interna da membrana. Se algum deles falhar, o peptidoglicano não poderá ser produzido e a bactéria morrerá, tornando-o um alvo promissor para medicamentos.
Embora os investigadores saibam muito sobre a função destas proteínas, Clemons observou que importantes detalhes mecanísticos permanecem obscuros.
Atualmente, não existem medicamentos aprovados que inibam diretamente essas três proteínas. Ainda assim, Clemons disse que há potencial. “Sabemos que podemos encontrar pequenas moléculas da natureza ou sintetizadas em bibliotecas químicas que inibem estas proteínas. Curiosamente, descobertas recentes sugerem que os fagos descobriram como atingir esta via.”
Como os fagos superam as defesas bacterianas
Fagos, ou bacteriófagos, são vírus que infectam bactérias. Para sobreviver, eles devem entrar nas células bacterianas, replicar-se e depois escapar e infectar outras bactérias. A descoberta requer passagem através da camada de peptidoglicano. Clemons explica: “Sair significa que eles precisam passar pela camada de peptidoglicano. Como ela age como uma cota de malha, se os fagos não conseguirem atravessá-la, eles ficarão presos.”
O laboratório de Clemons estuda pequenos bacteriófagos contendo fitas simples de DNA ou RNA. Esses vírus têm genomas compactos e dependem de estratégias simples para matar bactérias. Em 2023, a equipe relatou ciência φX174, um fago com uma longa história de pesquisa na Caltech.
Proteínas virais que desativam MurJ
Pequenos fagos dependem de antibióticos proteicos especiais chamados proteínas líticas de gene único, ou Sgls (pronunciadas como “sigilos”) para matar bactérias. Li e Clemons se concentraram em Sgls visando MurJ, uma das principais proteínas da parede celular.
MurJ atua como um flippase. Ele transporta precursores de peptidoglicano através das membranas do interior da célula para que possam ser integrados na parede celular em crescimento. Trabalhos anteriores dos colaboradores mostraram que dois Sgls não relacionados, SglM e SglPP7, matam bactérias bloqueando MurJ.
Para entender como isso acontece, Li usou a microscopia crioeletrônica no Centro de Recursos de Microscopia Eletrônica de Transmissão Crio e Biológica do Instituto Beckman da Caltech (Cryo-EM). Flippases como MurJ movem moléculas expondo-as alternadamente a cada lado da membrana sem formar uma abertura permanente. Quando MurJ liga sua carga dentro da célula, ele muda de forma para liberar a molécula para fora.
Li descobriu que tanto o SglM quanto o SglPP7 se fixam na ranhura do MurJ, evitando as transições estruturais necessárias para o transporte.
“Obviamente, esses dois Sgls se ligam ao MurJ em uma conformação voltada para fora, prendendo-o nesta posição”, disse Li. Os pesquisadores estão encorajados com isso porque a forma externa do MurJ está exposta ao ambiente circundante, o que pode tornar mais fácil a exploração com futuros medicamentos do que a conformação voltada para dentro.
A evolução convergente destaca um alvo promissor para medicamentos
Clemons disse que os resultados foram surpreendentes por outro motivo. “Esses peptídeos, que não estão evolutivamente relacionados entre si, descobriram como atingir o MurJ de uma forma muito semelhante. Estes são dois exemplos de evolução convergente, onde diferentes caminhos evolutivos levam à mesma solução. Ficamos surpresos!”
Como os vírus evoluem rapidamente, a equipe de pesquisa acredita que mais fagos podem carregar Sgl. Os fagos são relativamente fáceis de isolar e o estudo de seus genomas pode revelar informações biológicas adicionais e novos alvos antibióticos.
existir natureza No estudo, os pesquisadores analisaram o genoma de outro fago com a ajuda de colaboradores. Eles identificaram um novo Sgl chamado SglCJ3 (da sequência do genoma de um bacteriófago previsto chamado Changjian3) e o examinaram usando microscopia crioeletrônica. Li determinou a estrutura do SglCJ3 ligado ao MurJ e descobriu que também bloqueava a proteína na mesma conformação voltada para fora.
“Este é o terceiro genoma que desenvolveu um peptídeo único que inibe o mesmo alvo de forma semelhante”, disse Clemons. “Este é o terceiro genoma que desenvolveu um peptídeo único que inibe o mesmo alvo de maneira semelhante”. “Esta é a primeira forte evidência de que a evolução transformou o MurJ num peptídeo único que inibe o mesmo alvo de forma semelhante”. Ser identificado como um alvo importante para matar bactérias significa que devemos seguir o exemplo da evolução no desenvolvimento de terapias direcionadas ao MurJ, demonstrando o poder da biologia básica para nos ajudar a resolver problemas médicos.
Autores e financiamento
O título do artigo é “Inibição da flippase MurJ convergente por proteínas líticas de fagos”. Além de Clemons e Lee, os autores incluem os estudantes de pós-graduação da Caltech Grace F. Baron e Francesca S. Antillon, Karthik Chamakura e Ry Young da Texas A&M University. A pesquisa foi apoiada pela Iniciativa Chan Zuckerberg, pelos Institutos Nacionais de Saúde, pela Fundação G. Harold e Leila Y. Mathers e pelo Texas A&M Phage Technology Center, e foi co-patrocinada pela Texas A&M AgriLife.
