Os pesquisadores analisaram bactérias que possuem vírus inativos extremamente antigos e descobriram que esses invasores dormentes ainda desempenham um papel protetor. Os achados, publicados no periódico Nucleic Acids Research, sugerem que esse sistema de defesa pode, eventualmente, auxiliar no desenvolvimento de métodos antivirais mais eficazes para aplicações médicas e na segurança alimentar.

“Nos últimos anos, houve uma série de descobertas relacionadas aos sistemas antivirais em bactérias”, disse Wood, que liderou o projeto. “Os antibióticos estão falhando, e a alternativa mais promissora são os próprios vírus. No entanto, antes de utilizarmos vírus como substitutos dos antibióticos para tratar infecções humanas, precisamos compreender como as bactérias se defendem dos ataques virais.”

O Papel dos Vírus Dormentes na Defesa Bacteriana

De acordo com Wood, os cientistas já sabiam há muito tempo que vírus antigos e inativos, conhecidos como profagos crípticos, podem inserir seu material genético no DNA bacteriano. Esses fragmentos genéticos permitem que as bactérias utilizem enzimas e proteínas especializadas para impedir que novos vírus, chamados fagos, infectem a célula.

Neste novo estudo, a equipe da Penn State descobriu que uma proteína chamada recombinase (uma enzima que corta e reconecta cadeias de DNA) pode modificar o DNA bacteriano em resposta a ameaças virais, mas somente se um profago já estiver incorporado no genoma. Essa recombinase atua como um defensor de resposta rápida quando a célula detecta perigo.

A recombinase específica identificada nesse sistema é conhecida como PinQ. Quando um vírus se aproxima da célula bacteriana, o PinQ ativa uma inversão de DNA, girando uma seção do código genético dentro do cromossomo. Essa alteração gera duas “proteínas quiméricas” compostas pelo DNA do próprio profago. Juntas, essas proteínas — coletivamente chamadas de Stf — impedem que o vírus se fixe à superfície da bactéria e injete seu material genético.

“É impressionante que esse processo realmente produza novas proteínas quiméricas, especificamente a partir do DNA invertido — na maioria das vezes, quando se altera o DNA, obtemos apenas mutações genéticas que levam a proteínas inativas,” comentou Wood. “Essas inversões e adaptações são evidências claras de que este é um sistema antiviral altamente especializado que evoluiu ao longo de milhões de anos.”

Implicações para a Resistência a Antibióticos e Pesquisa Antiviral

A crescente ameaça de infecções resistentes a antibióticos é, em parte, resultado do uso excessivo desses medicamentos, explicou Wood. Os vírus poderiam oferecer uma alternativa mais segura, pois visam cepas bacterianas específicas sem prejudicar outras e evoluem junto com seus hospedeiros. Compreender essa defesa bacteriana natural pode ajudar os pesquisadores a aproveitá-la para desenvolver tratamentos mais precisos e reduzir a dependência de antibióticos.

Embora enzimas recombinases já tenham sido identificadas nas regiões de defesa bacteriana, este é o primeiro estudo a mostrar que elas participam diretamente na defesa contra vírus.

“Não é que os pesquisadores tenham ignorado essas enzimas, mas sim que as viram e as consideraram apenas como marcadores de genes virais”, disse Wood. “Para se defender contra vírus, as bactérias devem possuir muitos sistemas de defesa diferentes, e este é apenas mais um exemplo de um desses sistemas.”

Testando o Antigo Sistema de Defesa

Para investigar como esse mecanismo funciona, a equipe aumentou a produção de proteínas Stf em bactérias de E. coli e, então, introduziu vírus na amostra. Após deixar a mistura por uma noite, mediram sua turbidez, ou turvação, para verificar se os vírus haviam conseguido infectar as bactérias. Quanto mais turva a solução, menos vírus ativos permaneciam.

Eles também utilizaram modelos computacionais para simular como os vírus se fixam às superfícies bacterianas, um processo conhecido como adsorção, confirmando a precisão de suas simulações ao compará-las com os resultados de laboratório.

“Quando aumentamos a produção da proteína, inicialmente conseguimos impedir que o vírus pousasse na superfície da célula,” disse Wood. “Após oito iterações experimentais, no entanto, o vírus altera suas proteínas de adesão — como identifica e se liga às bactérias — e consegue superar essa defesa.”

Benefícios Amplos para Alimentação e Saúde

Essa pesquisa aprimorou a compreensão da equipe sobre como os sistemas antivirais operam, explicou Wood, o que pode ajudá-los a cultivar de forma mais eficaz as bactérias utilizadas em fermentações de alimentos como queijo e iogurte, além de melhorar a gestão de infecções bacterianas em ambientes de saúde. Olhando para o futuro, Wood afirmou que a equipe pretende continuar investigando as aplicações antivirais de outros oito profagos que estão atualmente em seu laboratório.

“Esta é uma história sobre como um fóssil protege seu hospedeiro do invasor, e temos outras 10 histórias relacionadas a fósseis que podem oferecer suas próprias defesas aguardando para serem testadas,” disse Wood. “Ter uma compreensão maior de como esses vírus interagem com as bactérias nos proporcionará insights incríveis sobre como aproveitar bacterias de forma segura e eficaz na bioengenharia.”

Outros co-autores incluem Joy Kirigo, que recentemente obteve seu doutorado em engenharia química pela Penn State; Daniel Huelgas-Méndez, um candidato a doutorado em engenharia química da Universidade Nacional Autônoma do México (UNAM) que realizou um estágio de pesquisa na Penn State; Rodolfo García‐Contreras, professor de microbiologia na UNAM e orientador de Huelgas-Méndez; María Tomás, coordenadora da Unidade de Diagnóstico Genômico no Hospital Universitário de A Coruña; e Michael J Benedik, professor de biologia na Texas A&M University.

Esta pesquisa foi apoiada pela Biotechnological Endowment, a Universidade Nacional Autônoma do México e a Secretaria de Ciência, Humanidades, Tecnologia e Inovação.