Los científicos han descubierto un nuevo sistema de defensa microbiano inexplorado en las bacterias. Los científicos predicen que en el futuro se descubrirán muchas más armas antivirales en el mundo microbiano.
Los investigadores descubrieron proteínas específicas en procariotas (bacterias y arqueas) que detectan virus de formas inesperadamente directas, reconociendo partes críticas de los virus y provocando que los organismos unicelulares se suiciden para detener la infección dentro de una comunidad microbiana, según un comunicado de prensa publicado .en el sitio web oficial del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) el jueves.
El descubrimiento fue realizado por un equipo de científicos dirigido por investigadores del Instituto Broad del MIT y Harvard y el Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro del MIT.
«Este trabajo demuestra una unidad notable en cómo se produce el reconocimiento de patrones en organismos muy diferentes», dijo Feng Zhang , autor principal y profesor de neurociencia James y Patricia Poitras en el MIT.
«Ha sido muy emocionante integrar enfoques de genética, bioinformática, bioquímica y biología estructural en un estudio para comprender este fascinante sistema molecular».
Las bacterias utilizan una variedad de estrategias de defensa para combatir las infecciones virales, y algunos de estos sistemas han dado lugar a tecnologías innovadoras, como la edición de genes basada en CRISPR.
El estudio es el primero en mostrar que los organismos en los tres dominios de la vida (bacterias, arqueas y eucariotas (que incluyen plantas y animales)) utilizan el reconocimiento de patrones de proteínas virales conservadas para defenderse de los patógenos.
Un patógeno es un organismo que causa una enfermedad.
Arsenal microbiano
En un estudio anterior, los investigadores escanearon datos sobre las secuencias de ADN de cientos de miles de bacterias y arqueas, descubriendo miles de genes con firmas de defensa microbiana.
En el nuevo estudio, se centraron en algunos de estos genes que codifican enzimas de la familia de proteínas STAND ATPase, que están involucradas en la respuesta inmune innata en eucariotas.
Las proteínas STAND ATPase en humanos y plantas combaten la infección al reconocer patrones en el patógeno o la respuesta de la célula a la infección.
Los investigadores querían saber si las proteínas de los procariotas funcionan de la misma manera para defenderse de las infecciones.
Seleccionaron algunos genes STAND ATPase del estudio anterior, los entregaron a células bacterianas y luego desafiaron esas células con virus bacteriófagos. Las células sobrevivieron tras una espectacular respuesta defensiva.
Luego, los científicos querían saber qué parte del bacteriófago causaba esa respuesta, por lo que entregaron genes virales a las bacterias uno a la vez.
Dos proteínas virales provocaron una respuesta inmune: el portal, un componente de la cubierta de la cápside del virus que contiene ADN viral, y la terminasa, un motor molecular que ayuda en el ensamblaje del virus al empujar el ADN viral hacia la cápside.
Cada una de estas proteínas virales activó una STAND ATPasa diferente para proteger la célula.
El descubrimiento fue sorprendente y sin precedentes. La mayoría de los sistemas de defensa bacterianos conocidos detectan el ADN viral, el ARN o el estrés celular causado por una infección. En cambio, estas proteínas bacterianas detectaban directamente componentes críticos del virus.
Luego, los investigadores demostraron que las proteínas STAND ATPasa bacterianas podían reconocer diferentes proteínas portales y terminasas de fagos.
«Es sorprendente que las bacterias tengan estos sensores tan versátiles que pueden reconocer todo tipo de amenazas de fagos diferentes que podrían encontrar», dijo el coautor Linyi Gao, miembro junior de la Harvard Society of Fellows.
Las proteínas también funcionan como enzimas endonucleasas de ADN, cortando el propio ADN de una bacteria y matando la célula, lo que limita la propagación del virus.
De manera similar, se sabe que las STAND ATPasas en humanos responden a infecciones bacterianas al inducir la muerte celular programada en las células infectadas.
«Es muy emocionante ver una conexión en los procariotas con un sistema que también está dentro de nosotros», dijo el coautor principal Jonathan Strecker, investigador postdoctoral en el laboratorio de Zhang.
Análisis estructural
Los investigadores utilizaron microscopía crioelectrónica para examinar la estructura molecular de las STAND ATPasas microbianas cuando se unen a las proteínas virales para comprender mejor cómo detectan las proteínas virales.
«Al analizar la estructura, pudimos responder con precisión muchas de las preguntas sobre cómo funcionan realmente estas cosas», dijo el coautor Max Wilkinson, investigador postdoctoral en el laboratorio de Zhang.
El equipo descubrió que la proteína terminal o portal del virus encaja en un bolsillo en la proteína STAND ATPase, y cada proteína STAND ATPase agarra una proteína viral.
Las proteínas STAND ATPasa luego forman tetrámeros, que reúnen componentes clave de las proteínas bacterianas conocidas como dominios efectores. Esto activa la función de endonucleasa de las proteínas, triturando el ADN celular y matando la célula.
Los tetrámeros se unieron a las proteínas virales de otros bacteriófagos con la misma fuerza, lo que indica que las STAND ATPasas detectan la forma tridimensional de las proteínas virales en lugar de su secuencia. Explica cómo una sola ATPasa STAND puede reconocer docenas de proteínas virales distintas.
STAND Las ATPasas en humanos y plantas también funcionan formando complejos de unidades múltiples que activan funciones celulares específicas.
Los científicos predicen que en el futuro se descubrirán muchas más armas antivirales en el mundo microbiano.
