Imagem Maximilian Zinke
As bactérias adquirem seus nutrientes do ambiente e do hospedeiro. A organização de dupla membrana (membrana externa e membrana interna) das bactérias ditas Gram-negativas, constitui uma barreira contra a entrada de moléculas, sejam nutrientes necessários à sua sobrevivência ou antibióticos. Para superar essa barreira, as bactérias desenvolveram sistemas de transporte especializados, como o sistema Ton, que garante a importação de nutrientes vitais como ferro, níquel, vitamina B12 e certos açúcares.
Motores moleculares atuando como moinhos
O sistema Ton é composto por um transportador específico localizado na superfície das bactérias e um motor molecular na membrana interna. Uma vez que o nutriente é reconhecido e ligado pelo transportador, sua entrada requer a abertura de um canal através deste último. Um processo que tem sua fonte de energia nos motores moleculares atuando como moinhos. Esses moinhos convertem energia química (do gradiente de próton) em energia mecânica, permitindo assim a entrada do nutriente. Além disso, outros moinhos, com a mesma estrutura e organização, intervêm em outros processos mecânicos na superfície das bactérias, como a motilidade e a manutenção da integridade do envelope.
Apesar do papel essencial do sistema Ton para a sobrevivência das bactérias de dupla membrana, bem como seu potencial como alvo antimicrobiano, aspectos cruciais de seu mecanismo ainda são mal compreendidos, principalmente devido à falta de dados estruturais. Essa lacuna deve-se não só à complexa arquitetura do sistema que atravessa o envelope bacteriano, mas também à dinâmica dos elementos e suas interações.
A ressonância magnética nuclear, uma ferramenta essencial para a compreensão de certos mecanismos biológicos
Recentemente, a criomicroscopia eletrônica permitiu determinar parcialmente a estrutura de vários motores moleculares Ton. No entanto, partes dessas estruturas permanecem desconhecidas, particularmente o domínio central, essencial para distribuir energia até o transportador de nutrientes na superfície das bactérias por um mecanismo até então não elucidado.
Neste estudo publicado na revista Nature Communications, os cientistas determinaram a estrutura atômica deste domínio através da técnica de ressonância magnética nuclear (RMN). Eles descobriram assim a existência deste domínio em dois estados, fechado ou aberto, em uma escala de tempo que vai de microssegundos a milissegundos. A RMN é uma técnica de espectroscopia de ponta baseada nas propriedades magnéticas dos núcleos dos átomos submetidos a um campo magnético muito forte (aqui mais de 400.000 vezes o campo terrestre). Sua contribuição reside em sua capacidade única de fornecer informações estruturais e dinâmicas em escala atômica em condições fisiológicas. Sua combinação com outras tecnologias dedicadas à biologia estrutural, como a criomicroscopia eletrônica e a cristalografia de raios X, é indispensável para a compreensão das maquinarias dinâmicas e complexas como o sistema Ton.
Nesta animação mostrando o envelope de uma bactéria, podemos observar os nutrientes (dourados/marrons) fora da membrana bacteriana, e o receptor de membrana (verde) atuando como porta de entrada na membrana. A proteína chave (rosa), parte do motor ou moinho molecular, fornece a energia para a entrada desses nutrientes. A proteína turquesa é o elo entre o motor molecular e o receptor. A mecha rígida (branca) da parede celular, entre as duas membranas, também desempenha um papel essencial de catalisador.
Um mecanismo que parece ser universal para a concepção de novas estratégias antibióticas
Com esta nova tecnologia, os cientistas mostraram que apenas o estado aberto é ativo e capaz de interagir com outros componentes do sistema, envolvidos na internalização do nutriente. Outras experiências revelaram que a transição entre os dois estados é indispensável para a importação de nutrientes e a sobrevivência das bactérias. Além disso, o estudo mostra pela primeira vez o papel catalisador da malha rígida da parede bacteriana que torna a transferência de energia eficiente.
O mecanismo descoberto neste estudo parece ser universal, como evidenciado por sua demonstração em dois sistemas Ton distintos: um dedicado a um transportador específico de ferro, o outro generalista e capaz de interagir com vários transportadores de nutrientes. Além disso, as regiões das proteínas envolvidas na transição entre os dois estados são altamente conservadas nas bactérias, sugerindo um mecanismo geral dos moinhos moleculares bacterianos. Todos os resultados apresentados neste estudo oferecem uma nova compreensão dos mecanismos energéticos dos moinhos moleculares e da transferência de energia para a superfície das bactérias. Essas descobertas fornecem uma base sólida para a concepção de novas estratégias antibióticas.
Referência:
Zinke, M., Lejeune, M., Mechaly, A. et al.
Mudança conformacional do motor Ton e papel do peptidoglicano na captação de nutrientes bacterianos.
Nat Commun - DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-44606-z