Como os antibióticos convencionais continuam a perder eficácia contra patógenos em evolução, os cientistas estão ansiosos para empregar as técnicas de eliminação de bactérias aperfeiçoadas pelos bacteriófagos, os vírus que infectam as bactérias.
Um grande desafio em seu caminho é a dificuldade de estudar proteínas individuais de bacteriófagos (fagos) e determinar com precisão como o vírus usa essas ferramentas para matar suas bactérias hospedeiras. Novas pesquisas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) podem ajudar a acelerar as coisas.
“Desenvolvemos uma abordagem de triagem genética de alto rendimento que pode identificar a parte da célula bacteriana visada por um tipo potente de arma de fago chamada ‘proteínas de lise de gene único'”, disse Vivek Mutalik, cientista da equipe da Área de Biociências do Berkeley Lab e co-autor de um novo estudo que descreve o trabalho em Natureza Química Biologia. “Com o aumento da resistência aos antibióticos, precisamos urgentemente de alternativas antibióticas. Alguns dos menores fagos que conhecemos codificam proteínas de lise de gene único (Sgls), também conhecidas como ‘antibióticos de proteína’, para inibir os principais componentes da produção da parede celular bacteriana que , quando interrompidos, consistentemente matam a célula.”
Parece haver pelo menos um tipo de fago para cada cepa conhecida de bactéria, e eles são considerados as entidades biológicas mais abundantes na Terra. De fato, estima-se que existam 1031 partículas de fagos no planeta agora, ou o equivalente a um trilhão de fagos para cada grão de areia. Cada um desses fagos evolui ao lado de sua cepa hospedeira escolhida, permitindo-lhes combater os traços de resistência bacteriana, à medida que surgem, com armas biológicas aprimoradas.
Essa enorme abundância, especificidade e eficácia significa que há muito para estudar e que, teoricamente, deveríamos ser capazes de usar fagos para controlar qualquer micróbio prejudicial. Os fagos também são inofensivos para células não bacterianas, outra razão pela qual são tão atraentes como medicamentos e ferramentas de biocontrole.
O problema surge ao tentar isolar um único fago do ambiente e determinar qual micróbio ele atinge e como. Os cientistas muitas vezes são incapazes de avaliar as batalhas fago-bactérias com base apenas na sequência genômica ou estudá-las em ação porque muitas bactérias não podem ser cultivadas em um laboratório – e mesmo que pudessem, há um problema inerente de precisar saber com antecedência de tempo quais bactérias cultivar para estudar os fagos que as infectam e as matam.
Para contornar esses obstáculos e identificar os alvos celulares dos Sgls, Mutalik e seus colegas usaram uma tecnologia que a equipe inventou anteriormente chamada Dual-Barcoded Shotgun Expression Library Sequencing (Dub-seq). Dub-seq permite aos cientistas empregar uma biblioteca codificada de fragmentos de DNA para investigar como genes desconhecidos funcionam e pode ser aplicado a amostras ambientais complicadas que contêm o DNA de muitos organismos – sem necessidade de cultura. Neste estudo, os autores usaram seis Sgls de seis fagos que infectam diferentes bactérias e identificaram a parte da parede celular bacteriana ou moléculas de suporte que cada Sgl ataca. Em colaboração com cientistas da Texas A&M University, eles conduziram uma caracterização detalhada da função de um Sgl.
Este trabalho mostrou que as proteínas Sgl visam caminhos para a construção da parede celular que surgiram muito cedo na história evolutiva das bactérias e ainda são usados por quase todas as bactérias (incluindo bactérias patogênicas). Como as proteínas Sgl atacam esses alvos fundamentais e onipresentes, elas podem matar outras bactérias além da cepa alvo do fago – confirmando que elas têm grande potencial como antibióticos.
“Os fagos são inovadores extraordinários quando se trata de destruir bactérias. Estamos realmente empolgados em descobrir novos mecanismos de direcionamento de patógenos bacterianos que podem ser aproveitados em terapias”, disse o primeiro autor Benjamin Adler, pós-doutorado no laboratório de Jennifer Doudna na UC Berkeley.
Agora que a equipe avaliou a abordagem Dub-seq para lidar com essa questão, eles podem aplicá-la aos milhares de fagos produtores de lise de um único gene que aguardam caracterização em amostras ambientais que a equipe coletou do oceano, solos e até mesmo do corpo humano. intestino. A inspiração para o próximo medicamento inovador pode estar lá, esperando.