Estudo da USP desvenda mecanismo de inibição da divisão bacteriana

Resultados divulgados na PNAS podem inspirar o desenho de inibidores sintéticos e abrir caminho para nova classe de antibióticos

Karina Toledo

Agência FAPESP – Em um artigo divulgado segunda-feira (06/4) na revista Proceedings of the National Academy of Sciences, pesquisadores do Instituto de Química da Universidade de São Paulo (IQ-USP) descreveram em detalhes o mecanismo pelo qual uma proteína chamada MciZ inibe o processo de divisão bacteriana.

A investigação foi conduzida no âmbito do projeto “Smolbnet 2.0: combinando genética e RMN para dissecar interações proteína-proteína fundamentais para o funcionamento do complexo de divisão bacteriana”, coordenado por Frederico José Gueiros Filho e apoiado pela FAPESP.

“O estudo de proteínas que naturalmente inibem a divisão de bactérias, além de permitir que compreendamos como o processo de divisão é regulado pela célula, pode inspirar o desenvolvimento de inibidores sintéticos e abrir caminho para uma nova classe de antibióticos. As proteínas que compõem o aparato de divisão celular são um alvo terapêutico atraente que ainda não é atacado pelos antibióticos disponíveis comercialmente”, afirmou Gueiros à Agência FAPESP.

De acordo com o pesquisador, existem cerca de 20 proteínas especializadas em executar a divisão das bactérias, sendo a FtsZ a mais importante de todas. Para estudar a interação entre essas proteínas, o grupo do IQ-USP usa como modelo a espécie Bacillus subtilis, que costuma habitar o solo e não causa doença em humanos.

“É um organismo muito fácil de ser estudado e, portanto, serve de exemplo para outros. Como o mecanismo de divisão é semelhante em todas as bactérias – sempre dependente de FtsZ –, o que aprendemos com Bacillus subtilis é aplicável a muitas outras espécies, inclusive as patogênicas”, disse.

Quando tem início o processo de reprodução bacteriana, explicou o pesquisador, as moléculas de FtsZ se entrelaçam umas às outras formando filamentos. Esses filamentos se agrupam em uma espécie de anel contrátil, que marca o local onde ocorrerá a divisão.

Ao formar essa “cintura” na parte interna, a FtsZ atrai outras proteínas de divisão para o anel, que alteram a parede externa da bactéria. No momento da divisão, a parede bacteriana para de se expandir no comprimento e passa a crescer para dentro, formando um septo que separa a bactéria em duas células-filhas.

Mas para evitar que a divisão ocorra na hora ou local inadequados, existem no interior da célula proteínas que funcionam como inibidores naturais, capazes de impedir a formação do anel contrátil. Entre as mais importantes estão a MciZ e a MinC – alvos do projeto coordenado por Gueiros.

“Nós já sabíamos que a MciZ se ligava à FtsZ e isso de alguma maneira impedia a formação do anel contrátil. Mas para entender como isso ocorre em nível molecular recorremos a técnicas de biologia estrutural”, contou o pesquisador.

Por meio de um método conhecido como cristalografia de raios X, os pesquisadores desvendaram a estrutura tridimensional do complexo formado pelas proteínas FtsZ e MciZ. Já com a ajuda da ressonância magnética nuclear (RMN), os cientistas estudaram a estrutura tridimensional da MciZ isolada.

O trabalho contou com a colaboração das pesquisadoras Ana Carolina Zeri, do Laboratório Nacional de Biociências (LNBio), e Andrea Dessen, que atua no Instituto de Biologia Estrutural (IBS) em Grenoble, na França, e também no LNBio por meio do programa São Paulo Excellence Chair (SPEC), da FAPESP.

Alvo terapêutico

“Quando desvendamos a estrutura de complexos proteicos, podemos descobrir que porções de cada uma das proteínas estão se tocando e, dessa forma, deduzir o mecanismo pelo qual uma está inibindo a outra. O sítio onde ocorre a interação é um alvo para o desenvolvimento de fármacos”, disse Gueiros.

Uma série de experimentos bioquímicos in vitro foi realizada para complementar o entendimento da interação entre as duas proteínas. Os cientistas observaram que a molécula de MciZ se liga na ponta dos filamentos, exatamente onde deveria entrar uma outra molécula de FtsZ. Dessa forma, o filamento para de crescer.

“Na ausência de MciZ, o filamento composto de moléculas de FtsZ cresce até atingir cerca de 40 subunidades e então ocorre a formação do anel contrátil. Mas basta uma pequena quantidade de MciZ – algo na proporção de 1 para 20 – para reduzir o tamanho do filamento pela metade e tornar impossível a formação do anel e a divisão celular”, explicou Gueiros.

Segundo o pesquisador, trata-se de um mecanismo de inibição poderoso, pois não é necessário que a MciZ se ligue a cada uma das subunidades de FtsZ. “Isso deve ser levado em conta na hora de desenhar inibidores sintéticos, pois permite que o fármaco atue em concentrações mais baixas”, avaliou.

Em um trabalho anterior divulgado na revista PLoS One em 2013, o grupo investigou mutações na cadeia de aminoácidos que formam a proteína FtsZ e a impedem de se ligar à MinC, também inibidora da divisão.

“O mecanismo de atuação nesse caso é diferente, pois a MinC não se liga na ponta do filamento e sim na lateral da molécula de FtsZ. Ainda assim, ela impede a formação do anel contrátil”, contou Gueiros.

Apesar das potenciais implicações práticas dos resultados obtidos, a principal motivação do grupo de Gueiros é compreender os mecanismos celulares em seu nível mais fundamental.

“A boa pesquisa básica, além de avançar a nossa compreensão da natureza, tem sido a principal fonte das descobertas que alimentam a inovação e a tecnologia”, disse o pesquisador.

O artigo FtsZ filament capping by MciZ, a developmental regulator of bacterial division (doi: 10.1073/pnas.1414242112) pode ser lido em www.pnas.org/content/early/2015/04/02/1414242112.abstract" target=.