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Jul 17, 2023

Desenho do bacteriófago T4

Volume de comunicações da natureza

Nature Communications volume 14, Número do artigo: 2928 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Projetar vetores virais artificiais (AVVs) programados com biomoléculas que podem entrar em células humanas e realizar reparos moleculares terá amplas aplicações. Aqui, descrevemos uma abordagem de linha de montagem para construir AVVs projetando os componentes estruturais bem caracterizados do bacteriófago T4. Começando com um capsídeo de 120 × 86 nm que pode acomodar DNA de 171 Kbp e milhares de cópias de proteínas, várias combinações de biomoléculas, incluindo DNAs, proteínas, RNAs e ribonucleoproteínas, são incorporadas externamente e internamente. As nanopartículas são então revestidas com lipídios catiônicos para permitir a entrada eficiente nas células humanas. Como prova de conceito, montamos uma série de AVVs projetados para fornecer o gene da distrofina completo ou realizar várias operações moleculares para remodelar o genoma humano, incluindo edição do genoma, recombinação de genes, substituição de genes, expressão de genes e silenciamento de genes. Esses AVVs baseados em fagos de grande capacidade, personalizáveis, multiplexados e multifuncionais representam uma categoria adicional de nanomaterial que poderia potencialmente transformar terapias genéticas e medicina personalizada.

Os vírus são os organismos mais abundantes e difundidos na Terra. Eles também são algumas das máquinas biológicas mais eficientes1,2. Apesar de seu tamanho pequeno e composição genética simples, os vírus podem causar infecções mortais e pandemias globais, como AIDS, gripe e COVID-19. Isso ocorre porque os vírus desenvolveram mecanismos eficientes para replicar e montar a progênie em escalas de tempo rápidas, da ordem de minutos no caso dos vírus bacterianos (bacteriófagos ou simplesmente fagos)3,4. Se alguns dos mecanismos virais eficientes pudessem ser aproveitados pela construção de vetores virais artificiais (AVVs), programados com moléculas terapêuticas, esses vírus, em vez de se replicarem no hospedeiro, poderiam realizar reparos benéficos para restaurar a saúde humana. Esses AVVs poderiam potencialmente substituir genes defeituosos, produzir moléculas terapêuticas, matar células cancerígenas e assim por diante5,6,7,8,9,10. Apesar de muitas tentativas ao longo dos anos6,11, o desenvolvimento de AVVs permaneceu em um estágio inicial.

Vírus humanos naturais, vírus adeno-associados (AAVs) com genoma de DNA de fita simples de tamanho ~ 5 Kbp e lentivírus com genoma de RNA de fita simples de tamanho ~ 10 Kbp, foram projetados para fornecer DNA ou RNA terapêutico como parte de seu genoma12,13 ,14. No entanto, esses vetores virais têm limitações. Eles podem, na melhor das hipóteses, fornecer um ou dois genes terapêuticos e apresentam dificuldades para incorporar moléculas terapêuticas adicionais essenciais para reparos complexos. Preocupações de segurança, como ampla infecciosidade para células humanas, imunidade pré-existente e potencial integração no genoma do hospedeiro, são questões sérias adicionais14,15.

Aqui, descrevemos uma plataforma AVV usando fago T4. O T4 pertence à família Straboviridae e infecta a bactéria Escherichia coli16,17. Com uma eficiência de infecção próxima de 100%18 e replicando a uma taxa de aproximadamente 20 a 30 minutos por ciclo19, o T4 é um dos vírus mais eficientes conhecidos. Ele contém um grande capsídeo icosaédrico prolato de 120 × 86 nm (cabeça) montado com 930 moléculas ou 155 capsômeros hexaméricos da principal proteína do capsídeo gp23* (* representa a forma madura clivada), 55 cópias ou 11 pentâmeros de gp24* em onze da doze vértices e 12 cópias da proteína portal gp20 no décimo segundo vértice único (Fig. 1a–c)20,21,22. O vértice portal é uma estrutura em anel com um canal central de ~35 Å através do qual o genoma viral é transportado para o capsídeo por um motor molecular pentamérico alimentado por ATP ligado a ele (Fig. 1c)23,24,25. Depois que uma cabeça cheia de genoma, equivalente a ~171 Kbp dsDNA linear, é empacotada26,27, o motor se dissocia e as proteínas do pescoço se montam seguidas pela montagem da cauda e da fibra da cauda para gerar um virion infeccioso28,29,30,31.

a Modelo estrutural da cabeça do fago T4 (capsídeo)44. Os vértices pentaméricos gp24 são mostrados em vermelho. b O capsômero ampliado mostra o arranjo hexamérico da principal proteína do capsídeo gp23 (verde escuro), trímeros Soc (verde claro) e fibra Hoc (ciano)44. c Modelo estrutural ampliado da máquina de empacotamento de DNA composto por dodecâmero de portal gp20 (PDB 3JA7) (marrom) e motor de empacotamento de DNA pentamérico gp17 (PDB 3CPE) (amarelo)24,44. d Oitocentos e setenta moléculas Soc montadas nos eixos quase triplos formam uma gaiola molecular em torno do capsídeo T421 (PDB 5VF3). e Cento e cinquenta e cinco fibras Hoc emanam dos centros dos capsômeros34 (PDB 3SHS). f, g Superfícies moleculares de tipo selvagem (WT) T4 capsid22 (3,4 Å, PDB 7VS5) (f) e super-ácido 9DE-T4 capsid (3,9 Å) (g) são coloridas de acordo com o potencial eletrostático. A cor varia do vermelho, correspondente a um potencial de −5 kT/e−, ao azul, correspondente a um potencial de +5 kT/e−. O capsídeo WT-T4 tem 6.829 cargas negativas líquidas e o capsídeo 9DE-T4 tem 15.199 cargas negativas líquidas. h Esquema da cabeça empacotada com proteínas estranhas e DNAs em seu espaço interior.