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Dec 29, 2023

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 7241 (2022) Citar este artigo

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O miófago jumbo Klebsiella ϕKp24 exibe um arranjo incomumente complexo de fibras da cauda interagindo com uma célula hospedeira. Neste estudo, combinamos métodos de microscopia crioeletrônica, métodos de previsão de estrutura de proteínas, simulações moleculares, abordagens microbiológicas e de aprendizado de máquina para explorar o capsídeo, a cauda e as fibras da cauda de ϕKp24. Determinamos a estrutura do capsídeo e da cauda com resolução de 4,1 Å e 3,0 Å. Observamos que as fibras da cauda são ramificadas e rearranjadas dramaticamente após a fixação na superfície celular. Essa configuração complexa envolve quatorze fibras de cauda putativas com atividade de despolimerase que fornecem a ϕKp24 a capacidade de infectar um amplo painel de tipos de polissacarídeos capsulares (CPS) de Klebsiella pneumoniae. Nosso estudo fornece informações estruturais e funcionais sobre como ϕKp24 se adapta às superfícies variáveis ​​de patógenos bacterianos capsulados, o que é útil para o desenvolvimento de abordagens de terapia fágica contra cepas de K. pneumoniae resistentes a drogas.

Bactérias causadoras de doenças representam uma ameaça cada vez maior para a saúde humana. Embora muitas infecções bacterianas possam ser efetivamente curadas por antibióticos, a resistência antimicrobiana (RAM) está resultando cada vez mais em tratamentos ineficazes. Um estudo recente relatou 3,57 milhões de mortes associadas à RAM em seis dos principais patógenos em 20191. Entre eles está Klebsiella pneumoniae, um patógeno reconhecido pela Organização Mundial da Saúde como prioridade 1 (crítica) para o desenvolvimento de novos antibióticos2. K. pneumoniae pode causar pneumonia, infecção do trato urinário, bacteremia e outras doenças infecciosas em humanos, especialmente em indivíduos com imunidade comprometida3. A grande maioria dos isolados clínicos de K. pneumoniae expressa uma cápsula pronunciada que geralmente é considerada um importante fator de virulência mediando a proteção do sistema imunológico do hospedeiro4. Existem mais de cem tipos de locus capsulares geneticamente distintos, dos quais 77 estruturas químicas bem caracterizadas são utilizadas na sorotipagem (tipos K)5.

Embora a K. pneumoniae multirresistente seja insensível aos antibióticos padrão, ela permanece suscetível à infecção por bacteriófagos. Bacteriófagos, ou fagos para abreviar, são vírus que infectam bactérias. Fagos específicos de Klebsiella podem infectar e matar com sucesso seu hospedeiro natural; no entanto, a maioria desses fagos é tipicamente altamente específica da cepa devido aos polissacarídeos capsulares variáveis ​​(CPS) dessa espécie, que atuam como um receptor primário de fago. Os fagos de Klebsiella dependentes de cápsula, incluindo os fagos ΦK64-1 ou vB_KleM-RaK26,7, são equipados com fibras de cauda ou pontas de cauda servindo como proteínas de ligação ao receptor (RBPs) contendo domínios enzimáticos que degradam CPS (despolimerases de cápsula cunhadas) que permitem a adsorção bem-sucedida de fagos e infecção8. Para simplificar, usaremos doravante o termo "fibra de cauda".

Bacteriófagos com caudas com genomas de > 200 kbp de DNA são definidos como fagos gigantes9. As características estruturais mais notáveis ​​dos fagos jumbo são grandes capsídeos que encapsulam seu genoma10. O recentemente descrito miófago jumbo vB_KpM_FBKp24 (ϕKp24) codifica pelo menos nove fibras da cauda contendo diferentes domínios de despolimerase, o que sugere uma gama de hospedeiros expandida. A análise genômica revelou que ϕKp24 tem semelhança muito limitada com qualquer outro fago11 conhecido e, portanto, constitui uma nova família denominada Vanleeuwenhoekviridae (classificação ICTV em andamento). Além disso, a microscopia eletrônica de transmissão revelou uma estrutura complexa única de fibras de cauda na placa de base. No entanto, faltam informações mais detalhadas sobre a estrutura e a função desse conjunto exclusivo de fibras da cauda.

Para obter informações sobre a estrutura incomum de ϕKp24, analisamos seu capsídeo, cauda e fibras da cauda usando diferentes métodos estruturais. Geramos modelos atômicos para o capsídeo e a cauda altamente ordenados do fago usando microscopia crioeletrônica (cryo-EM) análise de partícula única (SPA) combinada com previsões de estrutura de proteína AlphaFold212 e simulações de dinâmica molecular (MD). Os dados revelaram características incomuns do capsídeo de ϕKp24, principalmente a composição de todo o capsídeo por um único MCP e a presença de um poro no centro dos hexágonos. Obtivemos informações sobre a estrutura das fibras da cauda flexível e desordenada usando tomografia crioeletrônica (crio-ET). Esta análise foi auxiliada por abordagens de aprendizado de máquina para treinar uma rede neural para rastrear automaticamente as fibras de cauda complexas para análise quantitativa dos dados de tomografia. Nossa análise revelou um pronunciado rearranjo das fibras da cauda durante o processo de infecção. Além disso, testamos a infecciosidade de ϕKp24 usando uma coleção de sorotipo K de cepas de K. pneumoniae, mostrando o painel incomumente amplo de tipos de CPS direcionados pelas fibras da cauda.