Os cientistas mostraram como os vírus que infectam bactérias desativam a MurJ, uma proteína necessária para construir a parede celular bacteriana. Notavelmente, diferentes vírus secretaram proteínas distintas que bloqueiam de forma semelhante o MurJ, destacando-o como um novo e promissor alvo antibiótico.
As descobertas são publicadas na edição de 26 de fevereiro Natureza. A pesquisa foi liderada por Yanchen Evelyn Li, estudante de pós-graduação no laboratório de Bill Clemons na Caltech. Clemons, professor de bioquímica do Memorial Arthur e Marianne Hanisch, é o autor correspondente.
Necessidade urgente de novos antibióticos
As bactérias estão a evoluir rapidamente e esta adaptabilidade está a causar uma crise crescente de saúde pública. Como explica Clemons, “a evolução é muito poderosa e as bactérias estão a desenvolver rapidamente resistência aos antibióticos. Isto significa que estamos agora a lidar com bactérias que são resistentes a todos os medicamentos que temos”. Ele acrescenta: “Só nos EUA, dezenas de milhares de pessoas morrem todos os anos devido a infecções bacterianas resistentes a antibióticos, e esse número está a aumentar rapidamente. Precisamos de novos antibióticos para combater esta situação.”
À medida que os medicamentos existentes perdem eficácia, os investigadores procuram vulnerabilidades bacterianas inteiramente novas.
Visando a parede celular bacteriana
Um foco de longa data é o caminho que as bactérias usam para construir o peptidoglicano, o material resistente que constitui a parede celular. Este processo, denominado via biossintética do peptidoglicano, é particularmente atraente porque o peptidoglicano é encontrado em bactérias, mas não em células humanas. Como aponta Clemons, “o peptidoglicano é uma característica única das bactérias e isso o torna um alvo atraente para antibióticos”.
Alguns antibióticos já perturbam esta via. A penicilina, descoberta por Alexander Fleming em meados do século 20, bloqueia a fase final da produção de peptidoglicano. Medicamentos semelhantes, como a amoxicilina, funcionam de maneira semelhante.
Proteínas-chave MraY, MurG e MurJ
Três proteínas principais dirigem o movimento dos blocos de construção do peptidoglicano através da membrana interna das bactérias: MraY, MurG e MurJ. Essas proteínas ajudam a transportar os componentes necessários para a montagem da parede celular através da barreira interna da membrana. Se algum deles funcionar mal, o peptidoglicano não pode ser produzido e a bactéria morre, tornando-os alvos promissores para medicamentos.
Embora os investigadores tenham uma boa compreensão de como estas proteínas funcionam, Clemons observa que detalhes mecanísticos importantes permanecem obscuros.
Atualmente não existem medicamentos aprovados que inibam diretamente essas três proteínas. Ainda assim, Clemons diz que o potencial existe. “Sabemos que podemos encontrar pequenas moléculas, derivadas da natureza ou sintetizadas em bibliotecas químicas, que irão inibir estas proteínas. O mais interessante é que descobertas recentes mostraram que os bacteriófagos descobriram como atingir esta via.”
Como os bacteriófagos rompem as defesas bacterianas
Bacteriófagos, ou fagos, são vírus que infectam bactérias. Para sobreviver, eles devem entrar numa célula bacteriana, reproduzir-se e depois escapar para infectar outras. Para romper, é necessário passar pela camada de peptidoglicano. Clemons explica: “A saída significa que eles precisam passar pela camada de peptidoglicano. Como ela age como uma cota de malha, os fagos ficam presos se não conseguirem atravessá-la.”
O laboratório Clemons estuda pequenos fagos que contêm DNA ou RNA de fita simples. Esses vírus têm genomas compactos e dependem de estratégias simples para destruir bactérias. Em 2023, a equipe reportou a Ciência em φX174, um fago com uma longa história de pesquisa na Caltech.
Proteínas virais que desativam MurJ
Pequenos fagos dependem de proteínas antibióticas especializadas chamadas proteínas de lise de gene único, ou Sgls (pronunciadas “sigilos”), para matar bactérias. Lee e Clemons se concentraram no Sgl, que tem como alvo o MurJ, uma das principais proteínas da parede celular.
MurJ atua como um flippase. Ele transporta precursores de peptidoglicano de dentro da célula através da membrana para que possam ser incorporados à 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 microscopia crioeletrônica no Centro de Recursos de Microscopia Eletrônica de Transmissão Biológica e Criogênica (Cryo-EM) do Instituto Beckman do Caltech. Flippases como MurJ movem moléculas, expondo-as em 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.
Lee descobriu que o SglM e o SglPP7 se fixam na ranhura do MurJ, evitando as mudanças estruturais necessárias para o transporte.
“Claramente, ambos os Sgls se ligam ao MurJ na conformação voltada para fora, prendendo-o nessa posição”, diz Lee. Isto é encorajador para os investigadores porque a forma externa do MurJ está exposta ao ambiente, o que pode torná-la mais acessível a futuros medicamentos do que a conformação interna.
A evolução convergente destaca um alvo promissor para medicamentos
Clemons diz que o resultado foi surpreendente 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, em que diferentes caminhos evolutivos chegam à mesma solução. Ficamos surpresos!”
Como os vírus evoluem rapidamente, a equipe acredita que é provável que muito mais fagos carreguem Sgls semelhantes. Os fagos são relativamente fáceis de isolar e o estudo de seus genomas pode revelar informações biológicas adicionais e novos alvos antibióticos.
Na aldeia Natureza estudo, os pesquisadores analisaram outro genoma de fago usando um colaborador. Eles identificaram um novo Sgl chamado SglCJ3 (a partir de uma sequência do genoma que se prevê ser um fago chamado Changjiang3) e o examinaram por microscopia crioeletrônica. Lee determinou a estrutura do SglCJ3 ligado ao MurJ e descobriu que também fixava a proteína na mesma conformação voltada para fora.
“Este é o terceiro genoma que produziu um único peptídeo para inibir o mesmo alvo de forma semelhante”, diz Clemons. “Esta é a primeira evidência convincente de que a evolução identificou o MurJ como um excelente alvo para matar bactérias, o que significa que devemos seguir o exemplo da evolução e desenvolver terapêuticas que visem o MurJ. Isto demonstra o poder da biologia básica para nos ajudar a resolver problemas na medicina. O nosso caminho está focado em aproveitar as descobertas do Sgl, e esperamos continuar a receber apoio para transformar estes conceitos em realidade.”
Autores e financiamento
O artigo é intitulado “Inibição convergente da flippase MurJ por proteínas de lise de fagos”. Além de Clemons e Lee, os autores incluem os estudantes de pós-graduação da Caltech Grace F. Baron e Francesco S. Antillon, Karthik Chamakura e Ra Young da Texas A&M University. A pesquisa foi apoiada pela Iniciativa Chan Zuckerberg, pelos Institutos Nacionais de Saúde, pela Fundação Harold G. e Leila Y. Mathers e pelo Phage Technology Center da Texas A&M, que é patrocinado conjuntamente pela Texas A&M AgriLife.
