BIRMINGHAM, Alabama. – La microscopía crioelectrónica realizada por investigadores de la Universidad de Alabama en Birmingham ha revelado la estructura de un virus bacteriano con un detalle sin precedentes. Esta es la primera estructura de un virus capaz de infectar a Staphylococcus epidermidis, y el conocimiento de alta resolución de la estructura es un vínculo clave entre la biología viral y el uso terapéutico potencial del virus para suprimir las infecciones bacterianas.

BIRMINGHAM, Alabama. – La microscopía crioelectrónica realizada por investigadores de la Universidad de Alabama en Birmingham ha revelado la estructura de un virus bacteriano con un detalle sin precedentes. Esta es la primera estructura de un virus capaz de infectar a Staphylococcus epidermidis, y el conocimiento de alta resolución de la estructura es un vínculo clave entre la biología viral y el uso terapéutico potencial del virus para suprimir las infecciones bacterianas.

Bacteriófago o «fagos» son los nombres de los virus que infectan a las bacterias. Los investigadores de la UAB, dirigidos por Terje Dokland, Ph.D., en colaboración con Asma Hatoum-Aslan, Ph.D., de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, han descrito modelos atómicos para la totalidad o parte de 11 proteínas estructurales diferentes en Phage Andhra. El estudio se publica en Science Advances.

Andhra es miembro del grupo Picovirus. Su gama de huéspedes está restringida a S. epidermidis. Esta bacteria de la piel es en su mayoría benigna, pero también es una de las principales causas de infección de los dispositivos médicos incrustados en la piel. «Los picovirus rara vez se encuentran en las colecciones de fagos y permanecen poco estudiados y subutilizados para aplicaciones terapéuticas», dijo Hatoum-Aslan, biólogo de fagos de la Universidad de Illinois.

Con la aparición de resistencia a los antibióticos en S. epidermidis y el patógeno relacionado Staphylococcus aureus, los investigadores han renovado el interés en el uso potencial de bacteriófagos para tratar infecciones bacterianas. Los picovirus siempre matan las células que infectan después de adherirse a la pared celular bacteriana, rompiendo enzimáticamente esa pared, penetrando la membrana celular e inyectando ADN viral en la célula. También tienen otras características que los hacen candidatos atractivos para uso terapéutico, incluido un genoma pequeño y la incapacidad de transferir genes bacterianos entre bacterias.

Conocer la estructura de la proteína en Andhra y comprender cómo estas estructuras permiten que el virus infecte una bacteria hará posible utilizar la manipulación genética para producir fagos personalizados para un propósito específico.

«La base estructural de la especificidad del huésped entre los fagos que infectan a S. aureus y S. epidermidis aún no se comprende bien», dijo Dokland, profesor de microbiología en la UAB y director del UAB Cryo-Electron Microscopy Core. “Con el presente estudio, hemos obtenido una mejor comprensión de las estructuras y funciones de los productos del gen Andhra y los determinantes de la especificidad del huésped, allanando el camino para un diseño más racional de fagos personalizados para aplicaciones terapéuticas. Nuestros resultados destacan características críticas para el ensamblaje de viriones, el reconocimiento del huésped y la penetración”.

Los fagos estafilocócicos suelen tener una gama estrecha de bacterias para infectar, dependiendo de los polímeros variables de ácido teicoico de pared en la superficie de diferentes cepas bacterianas. “Este estrecho rango de huéspedes es un arma de doble filo: por un lado, permite que el fago se dirija solo al patógeno específico; por otro lado, significa que, en cada caso individual, es posible que el fago deba adaptarse al paciente», dijo Dokland.

La estructura general de Andhra es una cabeza de cápside icosaédrica redondeada de 20 caras que contiene el genoma viral. La cápside está unida a una cola corta. La cola es la principal responsable de unirse a S. epidermidis y romper enzimáticamente la pared celular. El ADN viral se inyecta en la bacteria a través de la cola. Los segmentos de la cola incluyen el portal desde la cápside hasta la cola, así como el tallo, los apéndices, la protuberancia y la punta de la cola.

Las 11 proteínas diferentes que componen cada partícula de virus se encuentran en múltiples copias que se unen. Por ejemplo, la cápside consta de 235 copias de cada una de dos proteínas, y las otras nueve proteínas del virión tienen un número de copias de dos a 72. En total, el virión consta de 645 piezas de proteína, incluidas dos copias de una proteína 12, cuya estructura utilizando el programa de predicción de la estructura de proteínas AlphaFold.

Los modelos atómicos descritos por Dokland, Hatoum-Aslan y los coautores N’Toia C. Hawkins, Ph.D., y James L. Kizziah, Ph.D., Departamento de Microbiología de la UAB muestran las estructuras de cada proteína: cómo se describe en lenguaje molecular como hélice alfa, hélice beta, hebra beta, barril beta o prisma beta. Los investigadores han descrito cómo cada proteína se une a otras copias del mismo tipo de proteína para formar, por ejemplo, las caras hexámera y pentamérica de la cápside, y cómo cada proteína interactúa con los diferentes tipos de proteínas vecinas.

Los microscopios electrónicos utilizan un haz de electrones acelerados para iluminar un objeto y ofrecen una resolución mucho mayor que un microscopio óptico. La microscopía crioelectrónica agrega el elemento de temperaturas súper frías, lo que la hace particularmente útil para la resolución estructural casi atómica de proteínas más grandes, proteínas de membrana o muestras que contienen lípidos, como receptores unidos a la membrana y complejos compuestos por múltiples biomoléculas.

En los últimos ocho años, los nuevos detectores de electrones han supuesto un enorme salto en la resolución de la criomicroscopía electrónica en comparación con la microscopía electrónica normal. Los elementos clave de esta llamada «revolución de la resolución» para la microscopía crioelectrónica son:

  • Muestras acuosas de congelación instantánea en etano líquido enfriado a menos de -256 grados F. En lugar de que los cristales de hielo destruyan las muestras y dispersen el haz de electrones, el agua se congela en «hielo vidrioso» similar a una ventana.
  • La muestra se mantiene a temperaturas súper frías en el microscopio y se usa una dosis baja de electrones para evitar dañar las proteínas.
  • Los detectores de electrones directos extremadamente rápidos son capaces de contar átomos individuales a cientos de fotogramas por segundo, lo que permite la corrección del movimiento de la muestra sobre la marcha.
  • La computación avanzada une miles de imágenes para crear estructuras tridimensionales de alta resolución. Las GPU se utilizan para procesar terabytes de datos.
  • La platina del microscopio que sostiene la muestra también se puede inclinar durante la adquisición, lo que permite la creación de una imagen tomográfica tridimensional, similar a una tomografía computarizada de un hospital.

El análisis de la estructura del virión de Andhra por parte de los investigadores de la UAB comenzó con 230.714 imágenes de partículas. La reconstrucción molecular de la cápside, la cola, la cola distal y la punta de la cola comenzó con 186 542, 159 489, 159 489 y 159 489 imágenes, respectivamente. La resolución osciló entre 3,50 y 4,90 angstroms.

El apoyo para el estudio, Estructura y especificidad del hospedador del bacteriófago Staphylococcus epidermidis Andhra, provino de los Institutos Nacionales de Salud Phage Therapy Grant R21 AI156636.

El Departamento de Microbiología de la UAB forma parte de la Facultad de Medicina Marnix E. Heersink.


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