A growth-inhibitory dUTPase from Mosigvirus AV110 disrupts cell division and host physiology in Escherichia coli

Dentro de cada célula viva, una batalla constante y silenciosa se libra por los bloques de construcción de la vida. Para copiar su código genético, una célula necesita un suministro constante de partes químicas específicas, incluyendo una llamada dUTP. Si esta parte se introduce en el código genético por error, provoca errores que pueden romper las instrucciones de la célula. Para prevenir esto, las células utilizan una herramienta especializada, una enzima, para descomponer el exceso de dUTP antes de que pueda causar daño. Esta herramienta se encuentra en casi todas las formas de vida, desde los humanos hasta las bacterias. Sin embargo, algunos virus que infectan bacterias, conocidos como fagos, han robado o inventado sus propias versiones de esta herramienta. Estas herramientas virales a menudo tienen un doble propósito: ayudan al virus a construir su propio material genético, pero también interrumpen el suministro de la célula huésped de estas partes esenciales, secuestrando eficazmente la maquinaria de la célula para servir al virus en su lugar.

Un equipo de investigadores en Dinamarca y Bélgica dirigió recientemente su atención a una herramienta viral específica que se encuentra en un fago llamado Mosigvirus AV110. Este virus infecta un tipo de bacteria conocida como Escherichia coli, específicamente cepas que son resistentes a muchos antibióticos comunes. Los investigadores querían comprender exactamente qué sucede cuando esta herramienta viral, una proteína llamada Gp135, está activa dentro de la célula bacteriana. Estaban particularmente interesados en cómo la presencia de esta única proteína cambia la forma de la bacteria, detiene su división y, finalmente, la mata. Al estudiar esta interacción, los científicos esperaban aprender más sobre cómo los virus manipulan a sus huéspedes y mapear la vasta y oculta diversidad de estas herramientas en todo el mundo viral.

Los investigadores comenzaron introduciendo el gen para la proteína Gp135 en varias cepas diferentes de la bacteria resistente a los antibióticos. Luego observaron qué sucedía a medida que las bacterias comenzaban a producir la proteína. Los resultados fueron inmediatos y dramáticos. En presencia de la proteína, las bacterias dejaron de crecer. Cuando los científicos midieron la densidad del cultivo bacteriano, vieron que el número de células vivas disminuyó significamente, con algunas cepas mostrando una reducción de hasta cuatro órdenes de magnitud. Esto significaba que por cada diez mil bacterias que deberían haber estado allí, solo quedaba un puñado. El efecto no se limitó a una sola cepa; funcionó en una amplia variedad de las bacterias probadas, lo que sugiere que la proteína ataca un proceso fundamental que todas estas células comparten.

Para ver los cambios físicos que ocurrían dentro de las células, el equipo utilizó potentes microscopios para observar las bacterias a lo largo del tiempo. Al principio, las células parecían normales. Pero a medida que la proteína continuaba produciéndose, las bacterias comenzaron a estirarse, convirtiéndose en filamentos largos y delgados en lugar de su forma habitual de bastoncillo corto. Dejaron de dividirse. Normalmente, una bacteria crece y luego se divide a la mitad para crear dos nuevas células, pero estas células seguían creciendo más largas sin dividirse nunca. Los investigadores también tiñeron las células para observar sus estructuras internas. Descubrieron que el ADN dentro de las células no se estaba replicando. En las bacterias sanas, el material genético se copia a sí mismo y se mueve hacia los extremos opuestos de la célula antes de la división. Aquí, la señal del ADN era débil y no se extendía, indicando que el proceso de copiado se había estancado.

A medida que pasaban las horas, el daño se volvía más severo. Los investigadores observaron extrañas bandas brillantes apareciendo a lo largo de las células estiradas. Estas bandas no eran parte de la pared celular o de la membrana; eran espacios vacíos, o huecos, donde el interior de la célula se había separado de las paredes. Las células se estaban vaciando esencialmente. Eventualmente, las membranas celulares se rompieron y las bacterias murieron. Los científicos notaron que este patrón de muerte, donde las células dejan de dividirse, se estiran y desarrollan huecos internos, es similar a lo que sucede cuando las bacterias son privadas de un nutriente específico necesario para construir el ADN. En este caso, la proteína viral probablemente estaba causando una escasez de los bloques de construcción que las bacterias necesitaban para copiar su código genético, provocando un colapso de la estructura interna de la célula.

El equipo luego examinó de cerca la proteína para entender cómo funcionaba. Descubrieron que la proteína Gp135 es muy similar en forma y estructura a una herramienta bien conocida que se encuentra en otro virus famoso, el fago T4. Esta herramienta de T4 es conocida por su capacidad para descomponer no solo el dUTP, sino también una molécula relacionada llamada dCTP. El análisis de los investigadores sugirió que la proteína Gp135 actúa de la misma manera. Al descomponer estos bloques de construcción esenciales, la proteína agota el suministro de la célula, impidiendo que la bacteria copie su ADN. Sin nuevo ADN, la célula no puede dividirse. Los investigadores también descubrieron que esta proteína ayuda al virus a crear versiones especiales y modificadas de su propio material genético, que actúan como un escudo contra los sistemas de defensa naturales de la bacteria.

Finalmente, los investigadores adoptaron una visión más amplia para ver qué tan común es este tipo de herramienta viral. Recopilaron secuencias genéticas de cientos de virus diferentes y construyeron un árbol genealógico para ver cómo están relacionados. Descubrieron que estas herramientas no son todas iguales. Mientras que la mayoría de las herramientas conocidas forman una estructura de tres partes, las que se encuentran en el Mosigvirus y virus similares forman una estructura de dos partes. Aún más interesante, descubrieron que estas herramientas de dos partes caen en dos grupos distintos que no están estrechamente relacionados entre sí, lo que sugiere que evolucionaron por separado. También hay un cuarto grupo misterioso de herramientas que los científicos aún no han estudiado, que parecen ser muy diversas y podrían tener funciones completamente diferentes.

El estudio concluye que la proteína Gp135 es un arma poderosa en el arsenal viral. Al interrumpir el suministro de los bloques de construcción genéticos, detiene la capacidad de la célula huésped para reproducirse, lo que conduce a la muerte celular y permite que el virus tome el control. Esta investigación resalta las formas complejas y variadas en que los virus han evolucionado para manipular a sus huéspedes. También revela que todavía hay mucho por aprender sobre los diferentes tipos de estas herramientas que existen en la naturaleza, con grupos enteros de ellas esperando ser comprendidos. Los hallazgos sugieren que la capacidad de secuestrar la química de una célula es una estrategia generalizada y exitosa para los virus, una que depende de un conjunto diverso y en evolución de herramientas moleculares.