Comunicação entre vírus

No texto de hoje vou falar sobre um trabalho publicado em janeiro de 2017 que tem como tema principal a interação de vírus (bacteriófagos) com seus hospedeiros (bactérias). O trabalho teve início quando os autores resolveram procurar por moléculas bacterianas que serviriam de alerta para presença dos vírus, já que a hipótese original era que bactérias infectadas poderiam liberar algum tipo de sinalizador no meio que serviria como aviso para bactérias não infectadas de que haveriam vírus por ali. Depois dos primeiros experimentos foi visto que estas supostas moléculas bacterianas não existiam neste contexto, mas algo ainda mais surpreendente foi encontrado! Resolvi escrever sobre isto por dois motivos: primeiro porque o trabalho é muito interessante e gera novas ideias para quem gosta de vírus e biologia em geral, e segundo porque ele não é tão diferente do que tenho feito ultimamente em um dos meus projetos (guardadas as proporções dos modelos utilizados e hipóteses).

Então antes de qualquer coisa: vocês devem ter reparado que mencionei acima a busca por moléculas bacterianas que serviriam para transmitir avisos entre elas. Em outras palavras, um sistema de comunicação química entre microrganismos. Comunicação pode ser definida como “… troca de informação por fala, escrita, ou uso de outro meio[1], então se uma bactéria envia sinais moleculares para avisar outra sobre alguma situação está havendo algum tipo de comunicação entre elas. Comunicação entre microrganismos pode até parecer um fenômeno difícil de acreditar, mas ocorre em vários grupos de bactérias e é chamado de quorum sensing. O quorum sensing bacteriano regula processos cooperativos diversos como produção de luz em simbiontes, migração de bactérias aquáticas, formação de biofilme, produção de fatores de virulência, secreção de enzimas e até mesmo proteção contra bacteriófagos [2,3]. De uma forma bem simplificada, o quorum sensing funciona assim: pequenas moléculas são produzidas e secretadas pelas bactérias, indo para meio ambiente e sendo difundidas, degradadas ou reabsorvidas por elas. Quanto mais bactérias presentes mais moléculas sinalizadoras são produzidas ao mesmo tempo, o que aumenta a chance delas serem reabsorvidas em grande quantidade. Quando estas moléculas atingem uma concentração crítica dentro das células elas passam a ativar (ou desativar) funções celulares que regulam os processos mencionados acima [2]. Então de uma forma geral o quorum sensing bacteriano permite que bactérias ajustem seu comportamento de acordo com a densidade populacional de suas comunidades, sincronizando respostas biológicas de acordo com o número de indivíduos presentes.

Voltando agora para o assunto do artigo mencionado no primeiro parágrafo: no trabalho foram utilizadas bactérias da espécie Bacillus subtilis e o bacteriófago phi3T (Figura 1), capaz de infectá-las. Estas bactérias são utilizadas em laboratórios (de modelo experimental para bactérias gram positivas a doadoras de genes para milho transgênico resistente à seca) e são encontradas na natureza como parte da microbiota do solo e do intestino humano [4]. Já estes vírus são conhecidos há muito tempo, possuem aquela estrutura complexa tradicional de muitos bacteriófagos (Figura 1) e quando infectam uma bactéria podem tomar dois caminhos distintos: lise ou lisogenia [5]. A lise é o resultado de uma infecção produtiva onde o vírus encontra seu alvo, injeta seu genoma na célula, passa por todas as etapas necessárias de replicação e termina destruindo a célula infectada para liberação de várias partículas virais. Já a lisogenia ocorre quando o vírus encontra seu alvo, injeta seu genoma na célula e, ao invés do genoma passar pelas etapas necessárias para produção de novos vírus, ele é inserido no genoma bacteriano e passa a fazer parte do material genético do hospedeiro. Quando a lisogenia ocorre a célula bacteriana não morre e novos vírus não são produzidos, então a bactéria pode continuar se multiplicando dando origem a novas bactérias que carregam o genoma do vírus. Após varias gerações ou certos estímulos, como stress ambiental ou falta de nutrientes, o DNA viral inserido no genoma bacteriano pode ser reativado para dar inicio a infecções líticas. A regulação destes processos (tanto lise/lisogenia quanto reativação de lisogênicos) não é completamente conhecida ainda, e decisões probabilísticas influenciadas pelo estado nutricional da célula e número de partículas são consideradas importantes [6].

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Figura 1: Imagens e representações esquemáticas do vírus phi3T (A e B) e da bactéria Bacillus subtilis (C a E). Em A uma representação esquemática da morfologia da partícula viral e em B uma imagem de microscopia eletrônica mostrando algumas partículas reais. Em C colônias de B. subtilis (cada uma com poucos milímetros de diâmetro). Em D B. subtilis corados pela coloração de gram (a barra de escala representa 0.00001 metros).  Em E uma imagem de microscopia eletrônica mostrando o corte de um B. subtilis (a barra de escala representa 0.0000002 metros).

Créditos das imagens:

A) http://viralzone.expasy.org/all_by_protein/790.html

B) https://www.unil.ch/dmf/en/home/menuinst/research-units/moreillon/former-collaborators/vladimir-lazarevic.html

C)https://en.wikipedia.org/wiki/Bacillus_subtilis#/media/File:Bacillus_subtilis_colonies.jpg

D) https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=49528

E) https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4487608

Para procurar por moléculas de comunicação entre bactérias os pesquisadores infectaram culturas de Bacillus subtilis com phi3T, esperaram algumas horas e depois filtraram as culturas. Fazendo isto eles removeram todas as bactérias e todos os vírus presentes, ficando apenas com o meio de cultura condicionado (contendo pequenas moléculas produzidas durante a interação do vírus com o hospedeiro). Este meio condicionado foi então adicionado a novas culturas de bactérias com vírus, e o que se viu foi que ele protegia as células bacterianas da infecção (havia mais células vivas nas culturas com meio condicionado do que nas culturas controle). Outros experimentos mostraram que o componente do meio condicionado responsável pela proteção das bactérias era um pequeno peptídeo (molécula proteica), e que as bactérias protegidas estavam passando por infecções lisogênicas no lugar de infecções líticas. Ou seja: de alguma forma bactérias infectadas liberam peptídeos que, ao serem absorvidos por bactérias não infectadas, as protegem de uma infecção lítica (e consequentemente da morte) por favorecer o acontecimento de infecções lisogênicas [7,8]. A princípio isto pode parecer exatamente o que se estava procurando (sinais de perigo emitidos por células infectadas), mas a grande surpresa foi a origem deste pequeno peptídeo que favorece as infecções lisogênicas. Ao se buscar pela origem do peptídeo descobriu-se que ele não era bacteriano, mas sim codificado pelo próprio vírus!

O fago phi3T já era conhecido há mais de 40 anos mas até então não havia sido completamente sequenciado (o que mostra o tão pouco que sabemos sobre vírus, mesmo dos que já conhecemos há muito tempo). Neste trabalho o genoma foi sequenciado, resultando em uma sequência de 128.000 bases (A-T-C-G, componentes do DNA) com um total de 201 genes preditos. Utilizando bioinformática, os pesquisadores descobriram que três destes 201 genes possuíam peptídeo-sinal (indicação que seus produtos são secretados ou localizados na membrana), e dentre estes três um era semelhante a um gene usado em quorum sensing de Bacillus. Este gene codifica uma proteína que quando processada resulta em um pequeno peptídeo com a sequência de aminoácidos SAIRGA (serina-alanina-isoleucina-arginina-glicina-alanina, componentes de proteínas). Análises de espectrometria de massa mostraram que o peptídeo SAIRGA é encontrado em grande quantidade em amostras infectadas, e quando ele foi sintetizado e adicionado a culturas de bactérias infectadas se mostrou que ele é o responsável por favorecer a lisogenia protegendo as bactérias de lise e morte de forma dose-dependente [8]. Resumindo: durante uma infecção de Bacillus por phi3T um pequeno peptídeo de sequencia SAIRGA codificado pelo genoma viral é produzido e se acumula no meio. Ao atingir doses elevadas, ele atua favorecendo o desenvolvimento de infecções lisogênicas, influenciando então na “decisão” viral entre lise ou lisogenia. De uma certa forma ele serve como um meio de comunicação entre gerações passadas com a geração atual de vírus, deixando claro que já houveram muitas infecções líticas e morte bacteriana no passado. Por causa desta influencia na decisão entre lise e lisogenia, o peptídeo foi chamado de arbitrum (palavra em latim que significa decisão).

Análises mais detalhadas do mecanismo por trás da comunicação por arbitrum mostraram que ele depende de três genes virais. Um que codifica o peptídeo arbitrum (aimP); outro que codifica uma proteína que se liga ao arbitrum e que também é  capaz de se ligar ao DNA viral (aimR) se não estiver com arbitrum por perto; e um terceiro gene (aimX) que é ativado quando aimR está ligado ao DNA. O que acontece em uma infecção então é: aimR é produzido e por não existir arbitrum no interior da célula ela se liga ao DNA viral e ativa o gene aimX (que tem como função inibir a lisogenia ou promover infecções líticas). O gene aimP também é produzido, secretado e no exterior das células o peptídeo arbitrum vai se acumulando. Então durante os primeiros ciclos de infecção arbitrum vai se acumulando e existe uma tendência para que ocorram infecções líticas por causa da atividade de aimX. Entretanto, com o passar do tempo a quantidade de arbitrum atinge níveis críticos que passam a se ligar a aimR o fazendo soltar do DNA viral, o que inibe a produção de aimX e consequentemente inibe a tendência em ocorrer infecções líticas [8]. A partir deste momento, quando muito arbitrum está presente no meio e muitas bactérias já morreram, a tendência passa a ser infecções lisogênicas, o que não mata mais bactérias e garante que a população de hospedeiros não seja extinta (nem a população do vírus, que permanece inserido no genoma bacteriano). Foi mostrado que o sistema descrito acima não é o único determinante para decisão entre lise e lisogenia, já que a taxa de lisogenia é de 18% sem arbitrum e passa a ser de 48% com ele. Portanto, o sistema serve para otimizar esta decisão de acordo com a quantidade de infecções passadas, mas ainda depende de fatores estocásticos (aleatórios) e outros ainda desconhecidos.

Este é o primeiro sistema de comunicação entre vírus descrito. Não é difícil imaginar as pressões seletivas que o fizeram surgir evolutivamente. Primeiramente os genes envolvidos se assemelham a sistemas de comunicação entre os hospedeiros do vírus, então existe a chance de terem sido adquiridos por transmissão gênica horizontal e modificados (apesar de poderem ter aparecido independentemente também, o que não é raro, como no caso de sistemas mais complexos como olhos em animais [9]). Quando uma população susceptível de hospedeiros é encontrada, um vírus se beneficia ao infectar e matar estes hospedeiros eficientemente, deixando uma grande quantidade de progênie. Entretanto, se todos os hospedeiros forem mortos, existe a chance do vírus também se extinguir caso não existam outras populações susceptíveis por perto. Sinais que mostrem para o vírus que já houve muita morte de hospedeiros por perto e que ao mesmo tempo limitem a destruição causada pelas infecções podem ajudar a manter os hospedeiros (e consequentemente os vírus) vivos. No caso do sistema arbitrum o que acontece é que uma população viral com tendência a infecções líticas passa a ter tendências lisogênicas quando já houve muita morte de hospedeiros no passado, tornando o vírus dormente e deixando a população de hospedeiros se recuperar antes dos próximos eventos líticos.

Análises de bioinformática encontraram sistemas similares ao sistema arbitrum em 112 outros vírus, todos também relacionados a bactérias do gênero Bacillus, cada um com sua sequencia peptídica única. Ou seja: cada vírus tem seu próprio peptídeo para comunicação o que torna os sinais específicos, como se cada um estivesse transmitindo em frequências diferentes e só captando o que foi emitido por seus similares. O fato deste sistema não ter sido encontrado em outros vírus não significa que eles não possuam formas de comunicação. Significa apenas que os sistemas podem ser diferentes e portanto precisam ser procurados com mais cuidado. Moléculas pequenas como o arbitrum são normalmente perdidas nos métodos tradicionais de análises biológicas, e os vírus possuem uma quantidade enorme de material genético com função ainda desconhecida [10]. Então é muito provável que novos sistemas de comunicação serão encontrados no futuro no meio de toda esta matéria negra viral (sequências com função desconhecida). Sistemas estes que regulem os processos de lise ou lisogenia e também muitos outros processos não relacionados a eles, em vírus ambientais, bacteriófagos e até mesmo em vírus que causam doenças em humanos.

As possíveis aplicações para o conhecimento de sistemas de comunicação viral são muitas. No caso de bacteriófagos existe a possibilidade de se modular a frequência de lise ou lisogenia, e isto pode ser explorado em processos biotecnológicos que usem fagos e até mesmo para saúde. Por exemplo: este tipo de comunicação pode ser utilizado para se otimizar ou controlar processos de fagoterapia (uso de fagos para tratamento de doenças bacterianas, seja em pacientes ou em produtos). Vírus mutantes com aplicação biotecnológica podem ser produzidos com sistemas de comunicação modificados ou deletados, resultando em vírus com atividades biológicas alteradas.  Existe também a possibilidade de doenças virais humanas serem controladas por mecanismos similares, como em casos onde a quantidade de células mortas por ciclos anteriores possa ser “sentida” através mediadores químicos virais, regulando a forma em como o vírus vai se comportar nos próximos ciclos de infecção. Ou até mesmo a regulação de processos que envolvam decisão entre infecções produtivas e a integração de HIV (quando o vírus insere seu genoma em células humanas, de forma parecida com a lisogenia de fagos) ou a latência de Herpesvirus (quando o vírus fica presente nas células humanas sem se replicar, podendo reaparecer anos depois). Caso existam sistemas de comunicação viral envolvidos nestes processos o potencial biotecnológico e clínico é enorme, e seu estudo resultaria em melhor entendimento das doenças e em novos métodos para tratamento. Afinal sistemas de comunicação quando conhecidos podem ser explorados, e problemas de comunicação quando gerados trazem complicações para quem está se comunicando [11].

O que acharam do texto? Dúvidas, críticas ou sugestões? Comentem abaixo que responderemos!

Referências:

[1] https://www.google.fi/webhp?sourceid=chrome-instant&ion=1&espv=2&ie=UTF-8#q=communication

[2] https://academic.oup.com/femsre/article-lookup/doi/10.1093/femsre/fuw038

[3] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3624510/

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Bacillus_subtilis

[5] http://viralzone.expasy.org/all_by_protein/790.html

[6] http://www.nature.com/nrmicro/journal/v13/n10/full/nrmicro3527.html

[7] http://www.nature.com/news/do-you-speak-virus-phages-caught-sending-chemical-messages-1.21313

[8] http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature21049.html

[9] https://www.amazon.co.uk/Climbing-Mount-Improbable-Richard-Dawkins/dp/0141026170

[10] https://elifesciences.org/content/4/e08490

[11] https://en.wikipedia.org/wiki/Communication_Breakdown

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