Entrega de proteína programável com um sistema de injeção contrátil bacteriana

Nature volume 616, páginas 357–364 (2023) Citar este artigo

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As bactérias endossimbióticas desenvolveram sistemas de entrega intrincados que permitem que esses organismos interajam com a biologia do hospedeiro. Um exemplo, os sistemas de injeção contrátil extracelular (eCISs), são complexos macromoleculares semelhantes a seringas que injetam cargas úteis de proteínas em células eucarióticas, conduzindo um pico através da membrana celular. Recentemente, descobriu-se que os eCISs têm como alvo células de camundongos1,2,3, levantando a possibilidade de que esses sistemas possam ser aproveitados para a entrega de proteínas terapêuticas. No entanto, se os eCISs podem funcionar em células humanas permanece desconhecido, e o mecanismo pelo qual esses sistemas reconhecem as células-alvo é pouco compreendido. Aqui, mostramos que a seleção de alvo pelo cassete de virulência Photorhabdus (PVC) - um eCIS da bactéria entomopatogênica Photorhabdus asymbiotica - é mediada pelo reconhecimento específico de um receptor alvo por um elemento de ligação distal da fibra da cauda de PVC. Além disso, usando engenharia guiada por estrutura in silico da fibra da cauda, ​​mostramos que os PVCs podem ser reprogramados para atingir organismos não visados ​​nativamente por esses sistemas – incluindo células humanas e camundongos – com eficiências próximas de 100%. Por fim, mostramos que os PVCs podem carregar diversas cargas úteis de proteínas, incluindo Cas9, editores de base e toxinas, e podem entregá-los funcionalmente às células humanas. Nossos resultados demonstram que os PVCs são dispositivos programáveis ​​de entrega de proteínas com possíveis aplicações em terapia gênica, terapia de câncer e biocontrole.

Para bactérias endossimbióticas, muitas vezes é vantajoso secretar fatores que modulam a biologia do hospedeiro em favor da aptidão do simbionte4. No entanto, muitos desses fatores não podem passar facilmente pelas membranas celulares; isso levou ao desenvolvimento de sistemas intrincados que entregam ativamente proteínas de carga útil às células5. Um exemplo são os sistemas de injeção contrátil (CISs), uma classe de nanomáquinas semelhantes a seringas que se assemelham a caudas de bacteriófagos6,7.

CISs são complexos macromoleculares contendo uma estrutura tubular rígida alojada em uma bainha contrátil, que é ancorada a uma placa de base e afiada por uma proteína spike8,9,10,11,12,13,14. Acredita-se que as cargas úteis carreguem no lúmen do tubo interno atrás do espigão, formem proteínas de fusão com o tubo ou se associem ao próprio espigão, que - após o reconhecimento da célula-alvo - é forçado através da membrana por meio da contração da bainha2,3,15, 16,17. Essa estratégia provou ser notavelmente bem-sucedida em toda a biosfera, pois os CISs demonstraram atingir organismos de todos os três domínios da vida12,18,19. Os CISs podem ser ancorados à membrana bacteriana, resultando em um sistema de entrega dependente de contato conhecido como sistema de secreção tipo VI8,20 (T6SS), ou podem ser fixados à membrana tilacóide em cianobactérias (tCIS) para serem ativados durante um estresse celular resposta13; finalmente, eles podem ser produzidos como complexos livres (eCISs) e liberados extracelularmente para fornecer cargas independentes do produtor bacteriano21,22,23,24. Os eCISs são amplamente distribuídos por bactérias e archaea e demonstraram agrupar-se em pelo menos seis subfamílias, das quais apenas duas contêm exemplos caracterizados21,22,23. Demonstrou-se que as cargas úteis eCIS exibem uma variedade de funções naturais, incluindo modulação do citoesqueleto hospedeiro18,24, clivagem do DNA1, indução de metamorfose15,25 e toxicidade do hospedeiro22,24,26, indicando que esses sistemas foram adaptados para múltiplos nichos biológicos. Recentemente, descobriu-se que os eCISs têm como alvo células de camundongos1,2,3, levantando a possibilidade de que esses sistemas possam ser aproveitados como ferramentas de entrega de proteínas. No entanto, a atividade do eCIS ainda não foi demonstrada em células humanas, e o mecanismo pelo qual os eCISs reconhecem as células-alvo - uma necessidade se esses sistemas forem desenvolvidos em dispositivos de entrega direcionados - ainda precisa ser elucidado.

Para nossos estudos da atividade eCIS, focamos em um subtipo de eCISs: os PVCs. PVCs são eCISs produzidos por membros do gênero Photorhabdus, que existem como endossimbiontes dentro de nematóides entomopatogênicos24. PVCs consistem em um operon de aproximadamente 20 kb contendo 16 genes centrais (pvc1-16) que são necessários para a montagem de um sistema de injeção funcional (Fig. 1a). Imediatamente a jusante do pvc1-16 estão as cargas úteis Pdp1 e Pnf, que - como em todos os eCISs - entram nas células-alvo por meio da contração da bainha de PVC e subsequente desmontagem do complexo espigão-tubo (Fig. 1b).