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

Dentro de cada célula viva, uma batalha constante e silenciosa trava-se pelo controle dos blocos de construção da vida. Para copiar seu código genético, uma célula precisa de um suprimento constante de partes químicas específicas, incluindo uma chamada dUTP. Se esta parte entrar no código genético por erro, ela causa falhas que podem quebrar as instruções da célula. Para evitar isso, as células usam uma ferramenta especializada, uma enzima, para decompor o dUTP em excesso antes que ele possa causar danos. Esta ferramenta é encontrada em quase todas as formas de vida, desde humanos até bactérias. No entanto, alguns vírus que infectam bactérias, conhecidos como fagos, roubaram ou inventaram suas próprias versões desta ferramenta. Essas ferramentas virais frequentemente têm um propósito duplo: elas ajudam o vírus a construir seu próprio material genético, mas também interrompem o suprimento da célula hospedeira dessas partes essenciais, efetivamente sequestrando a maquinaria celular para servir ao vírus em vez dela.

Uma equipe de pesquisadores na Dinamarca e na Bélgica voltou sua atenção recentemente para uma ferramenta viral específica encontrada em um fago chamado Mosigvirus AV110. Este vírus infecta um tipo de bactéria conhecida como Escherichia coli, especificamente linhagens que são resistentes a muitos antibióticos comuns. Os pesquisadores queriam entender exatamente o que acontece quando essa ferramenta viral, uma proteína chamada Gp135, está ativa dentro da célula bacteriana. Eles estavam particularmente interessados em como a presença desta única proteína altera a forma da bactéria, impede que elas se dividam e, finalmente, as mata. Ao estudar essa interação, os cientistas esperavam aprender mais sobre como os vírus manipulam seus hospedeiros e mapear a vasta e oculta diversidade dessas ferramentas pelo mundo viral.

Os pesquisadores começaram introduzindo o gene para a proteína Gp135 em várias linhagens diferentes das bactérias resistentes a antibióticos. Eles então observaram o que acontecia conforme as bactérias começavam a produzir a proteína. Os resultados foram imediatos e dramáticos. Na presença da proteína, as bactérias pararam de crescer. Quando os cientistas mediram a densidade da cultura bacteriana, viram que o número de células vivas caiu significativamente, com algumas linhagens mostrando uma redução de até quatro ordens de magnitude. Isso significava que, para cada dez mil bactérias que deveriam estar lá, apenas algumas poucas restavam. O efeito não se limitou a uma única linhagem; funcionou em uma ampla variedade das bactérias testadas, sugerindo que a proteína atinge um processo fundamental que todas essas células compartilham.

Para ver as mudanças físicas acontecendo dentro das células, a equipe usou microscópios poderosos para observar as bactérias ao longo do tempo. No início, as células pareciam normais. Mas, conforme a proteína continuava a ser produzida, as bactérias começaram a se esticar, tornando-se filamentos longos e finos em vez de sua forma usual de bastonete curto. Elas pararam de se dividir. Normalmente, uma bactéria cresce e depois se divide ao meio para criar duas novas células, mas essas células continuavam crescendo mais longas sem nunca se dividir. Os pesquisadores também coraram as células para observar suas estruturas internas. Eles descobriram que o DNA dentro das células não estava se replicando. Em bactérias saudáveis, o material genético se copia e se move para as extremidades opostas da célula antes da divisão. Aqui, o sinal do DNA era fraco e não se espalhava, indicando que o processo de cópia havia estagnado.

À medida que as horas passavam, o dano tornava-se mais severo. Os pesquisadores observaram bandas estranhas e brilhantes aparecendo ao longo do comprimento das células esticadas. Essas bandas não faziam parte da parede celular ou da membrana; eram espaços vazios, ou lacunas, onde o interior da célula havia se afastado das paredes. As células estavam, essencialmente, esvaziando-se. Eventualmente, as membranas celulares romperam-se e as bactérias morreram. Os cientistas notaram que este padrão de morte, onde as células param de se dividir, esticam-se e desenvolvem lacunas internas, é semelhante ao que acontece quando as bactérias são privadas de um nutriente específico necessário para construir o DNA. Neste caso, a proteína viral provavelmente estava causando uma escassez dos blocos de construção que as bactérias precisavam para copiar seu código genético, levando ao colapso da estrutura interna da célula.

A equipe então examinou a proteína de perto para entender como ela funciona. Eles descobriram que a proteína Gp135 é muito semelhante em forma e estrutura a uma ferramenta bem conhecida encontrada em outro vírus famoso, o fago T4. Esta ferramenta do T4 é conhecida por sua capacidade de decompor não apenas o dUTP, mas também uma molécula relacionada chamada dCTP. A análise dos pesquisadores sugeriu que a proteína Gp135 atua da mesma forma. Ao decompor esses blocos de construção essenciais, a proteína esgota o suprimento da célula, impedindo que a bactéria copie seu DNA. Sem novo DNA, a célula não pode se dividir. Os pesquisadores também descobriram que esta proteína ajuda o vírus a criar versões modificadas especiais de seu próprio material genético, que atuam como um escudo contra os sistemas de defesa naturais da bactéria.

Finalmente, os pesquisadores adotaram uma visão mais ampla para ver quão comum é este tipo de ferramenta viral. Eles reuniram sequências genéticas de centenas de vírus diferentes e construíram uma árvore genealógica para ver como eles estão relacionados. Eles descobriram que essas ferramentas não são todas iguais. Enquanto a maioria das ferramentas conhecidas forma uma estrutura de três partes, as encontradas no Mosigvirus e vírus semelhantes formam uma estrutura de duas partes. Mais interessante ainda, descobriram que essas ferramentas de duas partes caem em dois grupos distintos que não são intimamente relacionados entre si, sugerindo que evoluíram separadamente. Há também um quarto grupo misterioso de ferramentas que os cientistas ainda não estudaram, que parecem ser muito diversas e poderiam ter funções inteiramente diferentes.

O estudo conclui que a proteína Gp135 é uma arma poderosa no arsenal viral. Ao interromper o suprimento de blocos de construção genéticos, ela interrompe a capacidade de reprodução da célula hospedeira, levando à morte celular e permitindo que o vírus assuma o controle. Esta pesquisa destaca as formas complexas e variadas pelas quais os vírus evoluíram para manipular seus hospedeiros. Ela também revela que ainda há muito a aprender sobre os diferentes tipos de ferramentas que existem no mundo viral, com grupos inteiros delas esperando para serem compreendidos. As descobertas sugerem que a capacidade de sequestrar a química de uma célula é uma estratégia generalizada e bem-sucedida para os vírus, que depende de um conjunto diversificado e em evolução de ferramentas moleculares.