Durante milhares de milhões de anos, as bactérias travaram uma guerra constante contra os vírus, desenvolvendo elaboradas estratégias de sobrevivência. Agora, os cientistas dizem que esta antiga defesa microbiana pode inspirar novas ferramentas antivirais para os seres humanos. Thomas Wood, professor de engenharia química na Penn State, e sua equipe descobriram um mecanismo bacteriano há muito esquecido que ajuda a proteger contra infecções virais.
Os pesquisadores estudaram bactérias que carregam vírus muito antigos e inativos e descobriram que esses invasores latentes ainda desempenham um papel protetor. Suas descobertas, publicadas Pesquisa de ácido nucleicosugere que este mecanismo de defesa pode, em última análise, ajudar a conceber abordagens antivirais potentes para utilização na medicina e na segurança alimentar.
“Houve muitas descobertas nos últimos anos relacionadas ao sistema antivírus de bactérias”, disse Wood, que liderou o projeto. “Os antibióticos estão a falhar, e a alternativa mais provável é o próprio vírus. Antes de utilizarmos os vírus como substitutos de antibióticos para tratar infecções humanas, no entanto, temos de compreender como as bactérias se defendem contra o ataque viral.”
Como os vírus latentes ajudam as bactérias a reagir
De acordo com Wood, os cientistas sabem há muito tempo que vírus antigos e inativos, conhecidos como profagos enigmáticos, podem inserir seu material genético no DNA bacteriano. Esses fragmentos genéticos permitem que as bactérias usem enzimas e proteínas especiais para evitar que novos vírus, chamados fagos, infectem a célula.
Neste 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 uma ameaça viral, mas apenas se um profago já estiver incorporado no genoma. Esta recombinase atua como uma defesa de resposta rápida quando a célula detecta perigo.
A recombinase específica identificada neste sistema é conhecida como PINQ. Quando um vírus se aproxima de uma célula bacteriana, o PINQ desencadeia a inversão do DNA, invertendo uma seção do código genético dentro do cromossomo. Esta mudança cria duas “proteínas quiméricas” feitas de DNA do próprio profago. Juntas, essas proteínas – chamadas coletivamente de 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 de DNA invertido – na maioria das vezes, quando você altera o DNA, você apenas obtém mutações genéticas que levam a proteínas inativas”, disse Wood. “Essas interrupções e adaptações são uma evidência clara de que este é um sistema antivírus bem ajustado que evoluiu ao longo de milhões de anos”.
Implicações para a resistência aos antibióticos e pesquisa antiviral
A crescente ameaça de infecções resistentes a antibióticos deve-se em parte ao uso excessivo de antibióticos, explicou Wood. Os vírus podem oferecer uma alternativa mais segura porque têm como alvo cepas bacterianas específicas sem prejudicar outras pessoas e coevoluem com seu hospedeiro. Compreender esta defesa bacteriana natural pode ajudar os investigadores a desenvolver tratamentos mais específicos e a utilizá-los para reduzir a dependência de antibióticos.
Embora as enzimas recombinases tenham sido previamente identificadas perto de locais de defesa bacteriana, este é o primeiro estudo a mostrar que elas participam diretamente na defesa do vírus.
“Não é que os investigadores não tenham percebido estas enzimas, é que as viram e as ignoraram como marcadores de genes de vírus”, disse Wood. “Para se protegerem contra vírus, as bactérias devem ter muitos sistemas de defesa diferentes, e este é outro exemplo de um desses sistemas”.
Defesas antigas estão sendo testadas
Para explorar como funciona esse processo, a equipe aumentou a produção da proteína Stf E. coli bactérias e depois introduzir o vírus na amostra. Depois de deixar a mistura durante a noite, eles mediram sua turbidez, ou nebulosidade, para ver se os vírus infectaram as bactérias com sucesso. Quanto mais turva a solução, menos vírus ativos existem.
Eles usaram modelos de computador para simular como os vírus se ligam às superfícies bacterianas, um processo conhecido como adsorção, confirmando a precisão de suas simulações comparando-as com resultados de laboratório.
“Quando produzimos em excesso a proteína, inicialmente impedimos que o vírus chegue à superfície celular”, disse Wood. “Após oito iterações experimentais, no entanto, o vírus muda suas proteínas de aterrissagem – como ele reconhece e se liga às bactérias – e pode passar por essas defesas”.
Ampla gama de benefícios para alimentação e saúde
A pesquisa melhorou a compreensão da equipe sobre como funcionam os sistemas antivírus, disse Wood, o que poderia ajudá-los a cultivar de forma mais eficaz as bactérias usadas para fermentar alimentos como queijo e iogurte, bem como melhorar a forma como as infecções bacterianas são gerenciadas em ambientes de saúde. Olhando para o futuro, Wood disse que a equipe atualmente planeja continuar pesquisando oito aplicativos antivírus profago adicionais em seu laboratório.
“Esta é uma história sobre como um fóssil protege o seu hospedeiro de estranhos, e temos outras 10 histórias relacionadas com fósseis que podem fornecer as suas próprias defesas à espera de serem testadas”, disse Wood. “Uma maior compreensão de como esses vírus interagem com as bactérias nos dará uma visão incrível sobre como usar bactérias de forma eficaz e segura na bioengenharia”.
Outros coautores incluem Joy Kirigo, que recentemente recebeu doutorado em engenharia química pela Penn State; Daniel Huelgas-Méndez, doutorando em engenharia química pela Universidade Nacional Autônoma do México (UNAM), com residência de pesquisa na Penn State; Rodolfo García-Contreras, professor de microbiologia da UNAM e assessor de Huelgas-Méndez; Maria Thomas, Coordenadora da Unidade de Diagnóstico Genómico do Hospital Universitário da Corunha; e Michael J. Benedick, professor regente de biologia na Texas A&M University.
Esta pesquisa foi apoiada pelo Fundo de Biotecnologia, pela Universidade Nacional Autônoma do México e pela Secretaria de Ciência, Humanidades, Tecnologia e Inovação.
