Assim como resgatar a água com um balde pode salvar um barco afundando, certas células têm sua própria tecnologia especial para expelir toxinas. Infelizmente, as "toxinas" podem incluir tratamentos com antibióticos.
Uma colaboração liderada por Cornell descobriu um mecanismo que permite que as bactérias sobrevivam à exposição a antibióticos: um mecanismo de transporte que ajuda um complexo de proteínas a bombear um amplo espectro de antibióticos junto com outros substratos fisiológicos da célula.
Agora que o mecanismo foi identificado, os pesquisadores estão usando manipulações químicas e mecânicas para interromper o processo, para que os antibióticos possam funcionar sem impedimentos.
A pesquisa, publicada em 12 de fevereiro na Cell Reports Physical Science, foi liderada por Peng Chen, professor de química Peter JW Debye na Faculdade de Artes e Ciências. Os co-autores principais são Wenyao Zhang, Ph.D. '23, e Christine Harper, Ph.D. '22.
Algumas bactérias são mais resistentes a antibióticos do que outras, com as chamadas bactérias gram-negativas sendo particularmente resistentes porque têm uma membrana extra para se proteger. Eles também têm um sofisticado sistema de encanamento na forma de um complexo de proteínas de três partes - MacAB-TolC - que abrange as membranas interna e externa da célula, bem como o periplasma que as conecta. Cada uma das três proteínas-chave ocupa um local diferente: TolC na membrana externa, MacB na membrana interna e MacA no periplasma, embora esteja ancorado na membrana interna.
Esse complexo proteico "tripartido", também conhecido como bomba de efluxo multidrogas, forma um conduto que drena não apenas antibióticos, mas também fatores de virulência - ou seja, moléculas que são produzidas pela própria célula bacteriana e podem infectar ou comprometer seu hospedeiro.
Para bombear toxinas, as três proteínas precisam se reunir em uma estequiometria específica, ou equilíbrio químico. Duas proteínas MacB se juntam a seis proteínas MacA e, em seguida, três proteínas TolC. Essa proporção foi bem compreendida, mas os pesquisadores se perguntaram, uma vez que a estrutura é montada, como as moléculas no periplasma entram no canal que atravessa o complexo e através de quais diferentes tipos de substratos elas são bombeadas.
A equipe de Chen usou imagens de molécula única em células bacterianas de E. coli para entender melhor as interações proteicas. Quando mediram a concentração de proteína dentro da célula, descobriram que a estequiometria estava realmente desequilibrada, com um excedente de MacBs flutuando (e ainda mais TolC, conhecido de estudos anteriores), muito mais do que o necessário para a configuração 2: 6: 3 do complexo. Além disso, os pesquisadores notaram que a proteína adaptadora MacA poderia se desmontar do conjunto MacAB-TolC.
"Você basicamente tem esses Bs extras que não têm parceiros A para montar. E, claro, a célula não faz isso sem motivo", disse Chen. "Descobrimos que uma boa razão é que, quando você tem esse B extra, porque não tem A associado a ele, naturalmente tem uma abertura para o substrato entrar. Então, uma vez que o substrato pode se ligar ao B extra, alguns dos A's que estão inicialmente associados ao B podem migrar para montar. E uma vez montado, eles podem bombear o substrato para fora.
Para testar se o mecanismo poderia ser interrompido, o grupo de Chen colaborou com uma equipe da Universidade da Califórnia, em San Francisco, liderada pelo ex-professor de Cornell Christopher Hernandez, que desenvolveu um dispositivo microfluídico que pode alterar a resistência a toxinas de uma bactéria individual aplicando estresse mecânico.
Os pesquisadores determinaram que espremer E. coli através do dispositivo deformou a célula o suficiente para romper o complexo montado e impedi-lo de resistir a antibióticos.
Depois de estabelecer a conexão entre a estequiometria de proteínas assimétricas e a função celular, Chen agora está curioso para explorar como essa relação se aplica a outros sistemas.
"Esse desequilíbrio da estequiometria de proteínas deve existir para muitos tipos de complexos de proteínas. Mas como uma célula utiliza esse desequilíbrio? Eu não acho que as pessoas percebam isso o suficiente", disse Chen. "Agora temos um exemplo que mostra que esse desequilíbrio específico pode ser, funcionalmente, muito relevante. Portanto, sempre que estudamos complexos de proteínas na célula, sempre queremos medir a quantidade relativa em toda a célula versus sua quantidade relativa em um determinado complexo. Eles realmente combinam?"
Os co-autores incluem Hernandez; pesquisador de pós-doutorado Junsung Lee, Ph.D. '24; o ex-pesquisador de pós-doutorado Bing Fu; e Malissa Ramsukh '21.
A pesquisa foi apoiada pelos Institutos Nacionais de Saúde, pelo Escritório de Pesquisa do Exército e pela Fundação Nacional de Ciências.
Fonte: Cornell University
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