Vírus antigos escondidos dentro de bactérias podem ajudar a derrotar infecções modernas

Os pesquisadores estudaram bactérias que carregam vírus extremamente antigos e inativos e descobriram que esses invasores adormecidos ainda desempenham um papel protetor. Suas descobertas, publicadas em Pesquisa de ácidos nucléicossugerem que este sistema de defesa poderia eventualmente ajudar a conceber métodos antivirais mais fortes para utilização na medicina e na segurança alimentar.

“Tem havido uma enxurrada de descobertas nos últimos anos relacionadas a sistemas antivírus em bactérias”, disse Wood, que liderou o projeto. “Os antibióticos estão a falhar e o substituto mais provável são os próprios vírus. Antes de utilizarmos os vírus como substitutos de antibióticos para tratar infecções humanas, no entanto, temos de compreender como a bactéria se defende do ataque viral.”

Como os vírus inativos 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 utilizem enzimas e proteínas especializadas para impedir 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 reconecta cadeias de ADN) pode modificar o ADN bacteriano em resposta a ameaças virais, mas apenas se um profago já estiver incorporado no genoma. Esta recombinase atua como um defensor de resposta rápida quando a célula detecta perigo.

A recombinase específica identificada neste sistema é conhecida como PinQ. Quando um vírus se aproxima da célula bacteriana, o PinQ desencadeia uma inversão do DNA, invertendo uma seção do código genético dentro do cromossomo. Esta mudança cria duas “proteínas quiméricas” compostas 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 notável que este processo realmente produza novas proteínas quiméricas, especificamente a partir do DNA invertido – na maioria das vezes, quando você altera o DNA, você apenas obtém mutações genéticas que levam a proteínas inativas”, 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”.

Implicações para a resistência aos antibióticos e a pesquisa antiviral

A crescente ameaça de infecções resistentes aos antibióticos deve-se em parte ao uso excessivo de antibióticos, explicou Wood. Os vírus poderiam oferecer uma alternativa mais segura porque têm como alvo cepas bacterianas específicas sem prejudicar outras pessoas e evoluem junto com seus hospedeiros. Compreender esta defesa bacteriana natural pode ajudar os investigadores a aproveitá-la para desenvolver tratamentos mais precisos e reduzir a dependência de antibióticos.

Embora as enzimas recombinases tenham sido previamente detectadas perto de regiões 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 meros marcadores de genes de vírus”, 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 o Antigo Sistema de Defesa

Para explorar como funciona esse mecanismo, a equipe aumentou a produção de proteínas Stf em E. coli bactérias e depois introduziu vírus na amostra. Depois de deixar a mistura durante a noite, eles mediram sua turbidez, ou nebulosidade, para ver se os vírus haviam infectado as bactérias com sucesso. Quanto mais turva a solução, menos vírus ativos permaneceram.

Eles também 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 identifica e se liga à bactéria – e pode passar por essa defesa”.

Benefícios mais amplos para alimentação e saúde

Esta pesquisa melhorou a compreensão da equipe sobre como funcionam os sistemas antivírus, disse Wood, o que pode 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 planeja continuar pesquisando as aplicações antivírus de oito profagos adicionais atualmente em seu laboratório.

“Esta é uma história sobre como um fóssil protege o seu hospedeiro do exterior, e temos 10 outras histórias relacionadas com fósseis que poderiam oferecer as suas próprias defesas à espera de serem testadas”, disse Wood. “Ter uma maior compreensão de como esses vírus interagem com as bactérias nos dará uma visão incrível sobre como aproveitar as bactérias de forma eficaz e segura na bioengenharia”.

Outros co-autores incluem Joy Kirigo, que recentemente recebeu seu doutorado em engenharia química pela Penn State; Daniel Huelgas-Méndez, doutorando em engenharia química pela Universidade Nacional Autônoma do México (UNAM), que conduziu uma estadia de pesquisa na Penn State; Rodolfo García‐Contreras, professor de microbiologia da UNAM e conselheiro 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 pelo Fundo de Biotecnologia, pela Universidade Nacional Autônoma do México e pela Secretaria de Ciência, Humanidades, Tecnologia e Inovação.