As descobertas aparecem na edição de 26 de fevereiro da Natureza. A pesquisa foi liderada por Yancheng Evelyn Li, estudante de pós-graduação no laboratório de Bil Clemons na Caltech. Clemons, Professor de Bioquímica do Memorial Arthur e Marian Hanisch, é o autor correspondente.

A necessidade urgente de novos antibióticos

As bactérias evoluem rapidamente e essa adaptabilidade está a alimentar uma crescente crise de saúde pública. Como explica Clemons: “A evolução é poderosa e, nas bactérias, a resistência aos antibióticos desenvolve-se rapidamente. Isto significa que agora lidamos 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 aos antibióticos, e esse número está a aumentar rapidamente. Precisamos de novos antibióticos para combater esta situação”.

Com os medicamentos existentes perdendo eficácia, os pesquisadores estão procurando pontos fracos bacterianos inteiramente novos.

Visando a parede celular bacteriana

Um foco de longa data tem sido o caminho que as bactérias usam para construir o peptidoglicano, o material rígido que forma sua parede celular. Este processo, denominado via de biossíntese do peptidoglicano, é especialmente atraente porque o peptidoglicano é encontrado em bactérias, mas não em células humanas. Como observa Clemons, “o peptidoglicano é uma característica única das bactérias e isso o torna um alvo atraente para antibióticos”.

Vários antibióticos já perturbam esta via. A penicilina, descoberta por Alexander Fleming em meados do século 20, bloqueia uma fase tardia 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 fora da barreira interna da membrana. Se algum deles falhar, o peptidoglicano não pode ser produzido e a bactéria morre, tornando-os alvos promissores para medicamentos.

Embora os investigadores entendam muito sobre como estas proteínas funcionam, Clemons salienta que importantes detalhes mecanísticos permanecem obscuros.

Actualmente, nenhum medicamento aprovado inibe directamente estas três proteínas. Ainda assim, Clemons diz que há potencial. “Sabemos que podemos encontrar pequenas moléculas, derivadas da natureza ou sintetizadas em bibliotecas químicas, que irão inibir estas proteínas. De forma emocionante, 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, replicar-se e depois escapar para infectar outras. Para sair, é necessário passar pela camada de peptidoglicano. Clemons explica: “Voltar significa que eles precisam passar pela camada de peptidoglicano. Como ela age como uma cota de malha, os fagos ficam presos se não conseguirem rompê-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 matar bactérias. Em 2023, a equipe relatou em Ciência em φX174, um fago com uma longa história de pesquisa na Caltech.

Proteínas virais que desativam MurJ

Pequenos fagos dependem de antibióticos proteicos especializados chamados proteínas de lise de gene único, ou Sgls (pronunciadas como “sigilos”), para matar bactérias. Li e Clemons se concentraram em Sgls que têm como alvo MurJ, uma das principais proteínas da parede celular.

MurJ atua como um flippase. Ele transporta precursores de peptidoglicano do interior da célula através da membrana para que possam ser incorporados à parede celular em crescimento. Trabalhos anteriores de 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 alternadamente a cada lado da membrana sem formar uma abertura permanente. Quando o MurJ liga sua carga dentro da célula, ele muda de forma para liberar a molécula do lado de fora.

Li descobriu que tanto o SglM quanto o SglPP7 se fixam a uma ranhura no MurJ, evitando a mudança estrutural necessária para o transporte.

“É claro que ambos os Sgls se ligam ao MurJ numa conformação voltada para fora, prendendo-o nesta posição”, diz Li. Os pesquisadores estão encorajados com isso porque a forma externa do MurJ está exposta ao ambiente circundante, o que poderia torná-lo mais acessível a futuros medicamentos do que uma conformação voltada para dentro.

Evolução convergente destaca um alvo promissor para medicamentos

Clemons diz que o resultado foi surpreendente por outro motivo. “Esses peptídeos, que não têm ligações evolutivas 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 muito mais fagos provavelmente carregam Sgls semelhantes. Os fagos são relativamente fáceis de isolar e o estudo dos seus genomas pode revelar informações biológicas adicionais e novos alvos antibióticos.

No Natureza estudo, os pesquisadores analisaram o genoma de outro fago com a ajuda de um colaborador. Eles identificaram um novo Sgl chamado SglCJ3 (de uma sequência do genoma que se prevê ser um fago e é chamado Changjiang3) e o examinaram usando microscopia crioeletrônica. Li determinou a estrutura do SglCJ3 ligado ao MurJ e descobriu que ele também bloqueia a proteína na mesma conformação voltada para fora.

“Este é um terceiro genoma que desenvolveu um peptídeo distinto para inibir o mesmo alvo de forma semelhante”, diz Clemons. “É a primeira forte evidência de que a evolução identifica o MurJ como um grande 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 definido na alavancagem da descoberta do Sgl, e esperamos continuar a ser apoiados 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 Li, os autores incluem Grace F. Baron, estudante de graduação da Caltech, 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 Centro de Tecnologia de Fagos da Texas A&M, patrocinado conjuntamente pela Texas A&M AgriLife.