Durante milhares de milhões de anos, as bactérias travaram uma batalha interminável contra os vírus, desenvolvendo uma vasta gama de estratégias de sobrevivência. Agora, os cientistas dizem que estes antigos sistemas de defesa microbiana podem inspirar novas ferramentas antivirais para os humanos. O professor de engenharia química da Penn State, Thomas Wood, e sua equipe descobriram um mecanismo bacteriano há muito esquecido que ajuda a proteger contra infecções virais.
Os pesquisadores estudaram bactérias que abrigavam vírus extremamente antigos e inativos e descobriram que esses invasores adormecidos ainda exerciam um papel protetor. Suas descobertas foram publicadas em Pesquisa de ácido nucleicosugerindo que este sistema de defesa poderia, em última análise, ajudar a conceber métodos antivirais mais fortes para a medicina e a segurança alimentar.
“Nos últimos anos assistimos a uma série de descobertas relacionadas com sistemas antivirais bacterianos”, disse Wood, que lidera o projecto. “Os antibióticos estão a perder a sua eficácia e os substitutos mais prováveis são os próprios vírus. No entanto, antes de utilizar os vírus como alternativas aos antibióticos para tratar infecções humanas, temos de compreender como as bactérias se defendem contra o ataque viral”.
Como os vírus inativos ajudam as bactérias a reagir
Wood disse que os cientistas sabem há muito tempo que vírus antigos e inativos, chamados profagos misteriosos, podem inserir seu material genético no DNA bacteriano. Esses segmentos genéticos permitem que as bactérias usem enzimas e proteínas especializadas para impedir que novos vírus, chamados fagos, infectem as células.
No novo estudo, a equipa da Penn State descobriu que uma proteína chamada recombinase, uma enzima que corta e junta cadeias de ADN, pode modificar o ADN bacteriano em resposta a ameaças virais, mas apenas se o profago já estiver incorporado no genoma. Esta recombinase atua como um defensor de resposta rápida quando as células detectam perigo.
A recombinase específica identificada neste sistema é chamada PinQ. Quando um vírus se aproxima de uma célula bacteriana, o PinQ desencadeia a inversão do DNA, invertendo uma seção do código genético dentro de um cromossomo. Esta mudança produziu duas “proteínas quiméricas” compostas pelo próprio DNA do profago. Juntas, essas proteínas (conhecidas coletivamente como Stf) impedem que o vírus se fixe na superfície bacteriana e injete seu material genético.
“É importante notar que este processo realmente cria novas proteínas quiméricas, especialmente a partir do DNA reverso – na maioria das vezes, quando você altera o DNA, você apenas obtém mutações genéticas que fazem com que a proteína se torne inativa”, disse Wood. “Essas inversões e adaptações são uma evidência clara de que este é um sistema antivírus bem ajustado que evoluiu ao longo de milhões de anos”.
Impacto na resistência aos antibióticos e na pesquisa antiviral
Wood explicou que a ameaça de infecções resistentes aos antibióticos está a aumentar, em parte devido ao uso excessivo de antibióticos. Os vírus podem constituir uma alternativa mais segura porque têm como alvo estirpes específicas de bactérias sem prejudicar outras pessoas e evoluem juntamente com os seus hospedeiros. Compreender esta defesa bacteriana natural pode ajudar os investigadores a explorá-la para desenvolver tratamentos mais precisos e reduzir a dependência de antibióticos.
Embora as recombinases já tenham sido detectadas perto de áreas de defesa bacteriana, este é o primeiro estudo a mostrar que elas estão diretamente envolvidas na defesa viral.
“Não é que os investigadores não tenham percebido estas enzimas, é que as viram e ignoraram que eram simplesmente marcadores de genes virais”, disse Wood. “Para se defenderem contra vírus, as bactérias devem ter muitos sistemas de defesa diferentes, e este é apenas mais um exemplo de um desses sistemas”.
Testando sistemas de defesa antigos
Para explorar como funciona esse mecanismo, a equipe aumentou a produção da proteína Stf E. coli Bactérias e depois introduzem vírus na amostra. Depois de deixar a mistura durante a noite, mediram a sua turvação, ou turvação, para ver se o vírus tinha infectado a bactéria com sucesso. Quanto mais turva a solução, menos vírus ativos permanecem.
Eles também usaram modelos de computador para simular como o vírus se liga às superfícies bacterianas, um processo chamado adsorção, e confirmaram a precisão das simulações comparando-as com resultados de laboratório.
“Quando produzimos em excesso a proteína, evitamos, em primeiro lugar, que o vírus chegue à superfície celular”, disse Wood. “No entanto, após oito iterações da experiência, o vírus mudou a sua proteína de aterragem – a forma como reconhece e se liga às bactérias – e poderia ultrapassar esta defesa.”
Benefícios mais amplos para alimentação e saúde
Wood disse que a pesquisa melhora a compreensão da equipe sobre como funciona o sistema antiviral, o que poderia ajudá-los a cultivar bactérias usadas para fermentar alimentos como queijo e iogurte de forma mais eficiente e melhorar a forma como as infecções bacterianas são tratadas em ambientes de saúde. Olhando para o futuro, Wood disse que a equipe planeja continuar investigando aplicações antivirais para os oito profagos adicionais atualmente em laboratório.
“Esta é uma história sobre como os fósseis protegeram os seus hospedeiros de estranhos, e temos outras 10 histórias sobre fósseis que fornecem as suas próprias defesas à espera de serem testados”, disse Wood. “Uma melhor compreensão de como esses vírus interagem com as bactérias nos dará insights incríveis sobre como usar as bactérias de forma eficaz e segura na bioengenharia”.
Outros coautores incluem Joy Kirigo, que recentemente recebeu seu doutorado em engenharia química pela Penn State; Daniel Huelgas-Méndez, doutorando em engenharia química na UNAM que conduziu pesquisas na Penn State; Rodolfo García-Contreras, professor de microbiologia da UNAM e assessor de Huelgas-Méndez; María Tomás, coordenadora da Unidade de Diagnóstico Genómico do Hospital Universitário da Corunha; e Michael J Benedik, professor regente de biologia na Texas A&M University.
Esta pesquisa foi apoiada pela Fundação de Biotecnologia, pela Universidade Nacional Autônoma do México e pela Secretaria de Ciência, Humanidades, Tecnologia e Inovação.
