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Descoberta de mecanismo de ação de bacteriófago estudado há 100 anos pode ajudar no desenvolvimento de novos antibióticos potentes

Fonte

Caltech | Instituto de Tecnologia da Califórnia

Data

domingo, 16 julho 2023 12:25

Áreas

Bacteriologia. Biologia. Bioquímica. Biotecnologia. Desenvolvimento de Fármacos. Doenças Infecciosas. Engenharia Biológica. Microbiologia. Saúde Pública.

Em tempos de COVID-19, a palavra ‘vírus’ desperta pensamentos de contágio, doença e até morte. Mas e se houvesse um vírus – um vírus muito pequeno capaz de se replicar centenas de vezes a cada meia hora – que pudesse curar uma infecção bacteriana grave resistente a todos os antibióticos conhecidos? É essa esperança que motiva o Dr. Bil Clemons, professor de Bioquímica do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) a pesquisar o vírus chamado φX174.

O φX174 é um bacteriófago ou, mais simplesmente, um fago: um vírus que tem como alvo as células bacterianas. Do ponto de vista humano, o φX174 leva uma vida simples: ele encontra sua bactéria hospedeira, estaciona em sua superfície, injeta um filamento de DNA na célula bacteriana, replica várias vezes seu DNA, força a célula a produzir proteínas virais, monta o DNA e proteína em novos vírions (cópias do fago) e, em seguida, rompe a parede celular da bactéria para que os vírions possam encontrar outros hospedeiros para infectar.

É esse mecanismo de ação que a equipe do Dr. Bil Clemons elucida em artigo recentemente publicado na revista Science. Baseando-se em imagens de criomicroscopia eletrônica de partícula única, os pesquisadores revelaram que a proteína E do φX174 se une às proteínas MraY e SlyD de seu hospedeiro bacteriano para formar um complexo estável – o complexo YES. Isso resulta em lise celular: o rompimento da parede celular bacteriana e a morte da bactéria.

O fago φX174 está no radar dos cientistas há cerca de 100 anos. No início do século 20, a existência de fagos foi apenas teorizada. Trabalhando de forma independente, o bacteriologista britânico Frederick Twort e o cientista Félix d’Herelle postularam a existência de fagos com base no comportamento de culturas bacterianas em seus laboratórios. Às vezes, quando as bactérias deveriam estar proliferando em suas placas de Petri, manchas brilhantes apareciam onde nenhuma bactéria crescia. Passar essas amostras por filtros capturou as bactérias enquanto permitia que seus minúsculos ‘assassinos invisíveis’ passassem. O que quer que tivesse passado com sucesso pelos filtros, era pequeno demais para ser visto em um microscópio.

D’Herelle, trabalhando em Paris em 1917, sugeriu que esses assassinos deveriam ser vírus comedores de bactérias e estava pronto para testar essa teoria. Segundo a lenda urbana, como relatou o Dr. Bil Clemons, d’Herelle filtrou a água do esgoto repetidamente e depois bebeu para ver se era seguro consumir. Ele sentiu que estava ileso, então ofereceu um gole a seu assistente de laboratório, que também permanecia inalterado. D’Herelle então deu a água filtrada do esgoto a um paciente, um menino com disenteria grave que estava à beira da morte. Com esse coquetel de fagos, que provavelmente incluía o φX174, a saúde do menino foi rapidamente restaurada.

Pesquisadores de toda a Europa foram então a Paris para trabalhar com d’Herelle. Um desses pesquisadores, o microbiologista croata Vladimir Sertič, passou uma década trabalhando no laboratório de d’Herelle. Foi Sertič e seu assistente, Nikolai Boulgakov, que criaram uma taxonomia para os fagos conhecidos. O nome exótico ‘φX174’, no esquema de classificação de Sertič, significava simplesmente “o 174º vírus na décima [numeral romano X] série de fagos que visam múltiplas bactérias”, da classe φ: fagos que agem contra múltiplas bactérias. A terapia fágica continuou a curar doenças bacterianas, mas também matou, provavelmente porque os pesquisadores ainda não sabiam como purificar os subprodutos da replicação do fago, como restos bacterianos, que podem ser tóxicos.

Embora os fagos tenham caído em desgraça com os médicos nos países ocidentais nas décadas após a Segunda Guerra Mundial, os cientistas ficaram fascinados por eles. O φX174, embora apenas um dos bilhões de diferentes tipos de fagos, passou para a linha de frente como uma ferramenta experimental útil para o campo em desenvolvimento da Biologia Molecular.

Robert L. Sinsheimer, professor de Biofísica do Caltech entre 1957 e 1977, foi fundamental no desenvolvimento do φX174 como um organismo modelo. Seu laboratório realizou o mapeamento do genoma do φX174 e descobriu muitas de suas características mais intrigantes.

No final da década de 1970, grande parte do ciclo de vida do φX174 era bem compreendida, mas as incertezas permaneciam. Supunha-se que o φX174 escapasse de seu hospedeiro bacteriano bloqueando a síntese da camada de peptidoglicano – uma barreira protetora chave na parede celular de todas as bactérias – assim como a penicilina e outros antibióticos farmacêuticos fazem.

Para a maioria dos fagos, os cientistas aprenderam como eles produzem enzimas especializadas, as endolisinas, que degradam o polímero açúcar-aminoácido que compõe a camada de peptidoglicano. Mas essas enzimas são muito grandes para serem contidas no DNA de um pequeno fago como o φX174.

“O genoma do φX174 é realmente pequeno”, explicou o Dr. Clemons. “Se você codificasse algo que alcança a lise celular da mesma forma que uma lisozima – uma enzima encontrada em nossas lágrimas e saliva que fornece proteção contra bactérias ao imitar endolisinas – não haveria espaço para outras proteínas no genoma do φX174. O φX174 é parte de um grupo desses vírus que são pequenos demais para ter uma maquinaria de lise complexa, então esses fagos tiveram que desenvolver maneiras muito simples de lisar células bacterianas”.

A descoberta do complexo YES está pronta para ajudar os pesquisadores a cumprir a promessa inicial dos bacteriófagos como antibióticos terapêuticos. Os antibióticos salvaram um número incontável de vidas ao longo do século passado, mas a invenção de novas classes de antibióticos não conseguiu acompanhar a capacidade das bactérias de desenvolver resistência a eles. As bactérias também sofrem mutações para resistir aos fagos, mas, ao contrário dos antibióticos farmacêuticos que exigem grande esforço humano para melhorar sua estrutura, os próprios fagos podem sofrer mutações, contrariando novas defesas bacterianas.

O ser humano vive com um número muito grande de fagos no corpo, muitas centenas de trilhões. A esperança do Dr. Clemons e de outros pesquisadores da área é que organizar os fagos certos no momento certo para lidar com infecções bacterianas possa criar um antibiótico novo e mais durável, que precisamos cada vez mais quando enfrentamos bactérias resistentes a antibióticos.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do Instituto de Tecnologia da Califórnia (em inglês).

Fonte: Cynthia Eller, Caltech. Imagem: A fuga do φX174 de seu hospedeiro bacteriano: na membrana está o complexo YES (enzima de E. coli MraY [em ciano], proteína E do fago [em amarelo] e a chaperona de E. coli SlyD [em roxo]), onde a proteína E interrompe a síntese de peptidoglicano inibindo a MraY e permitindo a violação da parede celular [bronzeado]. Fonte: Anna Karen Orta, Caltech.

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