Estructura atómica de un bacteriófago estafilocócico mediante microscopía crioelectrónica

La microscopía crioelectrónica realizada por investigadores de la Universidad de Alabama en Birmingham ha expuesto 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 sofocar las infecciones bacterianas.

Bacteriófagos o «fagos» son los términos utilizados para los virus que infectan bacterias. Los investigadores de la UAB, liderados 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 fago Andhra. los se publica el estudio en Avances de la ciencia.

Andhra es miembro del grupo picovirus. Su gama de huéspedes se limita a S. epidermidis. Esta bacteria de la piel es en su mayoría benigna, pero también es una de las principales causas de infecciones de los dispositivos médicos permanentes. «Los picovirus rara vez se encuentran en las colecciones de fagos y siguen siendo poco estudiados e infrautilizados 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 unirse a la pared celular bacteriana, atravesar enzimáticamente esa pared, penetrar la membrana celular e inyectar 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.

El conocimiento de la estructura de la proteína en Andhra y la comprensión de cómo esas estructuras permiten que el virus infecte una bacteria permitirán producir fagos hechos a la medida para un propósito específico, utilizando la manipulación genética.

«La base estructural de la especificidad del huésped entre los fagos que infectan a S. aureus y S. epidermidis aún no se conoce 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 hallazgos aclaran características críticas para ensamblaje del virión, reconocimiento y penetración del huésped».

Los fagos estafilocócicos suelen tener una gama estrecha de bacterias que pueden infectar, según los polímeros variables del ácido teicoico de la pared en la superficie de las diferentes cepas bacterianas. «Esta estrecha gama de huéspedes es un arma de doble filo: por un lado, permite que los fagos se dirijan solo al patógeno específico que causa la enfermedad; por otro lado, significa que es posible que el fago deba adaptarse al paciente en cada caso específico», 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 en gran parte 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, y 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 ensamblan juntas. Por ejemplo, la cápside está formada por 235 copias de cada una de las dos proteínas, y las otras nueve proteínas del virión tienen un número de copias de dos a 72. En total, el virión está formado por 645 piezas de proteína que incluyen dos copias de una proteína número 12, cuya estructura se predijo utilizando el programa de predicción de 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. —como 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, como para formar las caras hexámeras y pentaméricas de la cápside, y cómo interactúa cada proteína con diferentes tipos de proteínas adyacentes.

Los microscopios electrónicos utilizan un haz de electrones acelerados para iluminar un objeto, proporcionando 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 de estructuras casi atómicas de proteínas más grandes, proteínas de membrana o muestras que contienen lípidos como receptores unidos a la membrana y complejos de varias biomoléculas juntas.

En los últimos ocho años, los nuevos detectores de electrones han creado un gran salto en la resolución de la microscopía electrónica criogénica con respecto a la microscopía electrónica normal. Los elementos clave de esta llamada «revolución de la resolución» para la microscopía crioelectrónica son:

• Muestras acuosas congeladas rápidamente en etano líquido enfriado a menos de -256 grados F. En lugar de cristales de hielo que interrumpen las muestras y dispersan el haz de electrones, el agua se congela en un «hielo vítreo» 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 pueden contar átomos individuales a cientos de fotogramas por segundo, lo que permite corregir el movimiento de la muestra sobre la marcha.
• La computación avanzada fusiona miles de imágenes para generar estructuras tridimensionales en alta resolución. Las unidades de procesamiento de gráficos se utilizan para procesar terabytes de datos.
• La platina del microscopio que contiene la muestra también se puede inclinar a medida que se toman las imágenes, lo que permite la construcción de una imagen tomográfica tridimensional, similar a una tomografía computarizada en el hospital.

El análisis de la estructura del virión de Andhra por parte de los investigadores de la UAB se inició 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.