Esses vírus usam um alfabeto genético único, não encontrado em nenhum outro lugar do planeta.
O projeto de vida em nosso planeta é normalmente escrito por moléculas de DNA usando um alfabeto genético de quatro letras. Mas alguns vírus invasores de bactérias carregam DNA com uma letra diferente – Z – que pode ajudá-los a sobreviver. E novos estudos mostram que é muito mais difundido do que se pensava anteriormente.
Uma série de novos artigos descreve como essa estranha letra química entra no DNA viral, e os pesquisadores agora demonstraram que o “genoma Z” é muito mais difundido em vírus invasores de bactérias em todo o mundo – e pode até ter evoluído para ajudar os patógenos sobreviver às condições quentes e adversas de nosso planeta primitivo.
Os três estudos separados foram publicados na quinta-feira (29 de abril) na revista Science.
O DNA é quase sempre feito do mesmo alfabeto de quatro letras de compostos químicos conhecidos como nucleotídeos: Guanina (G), citosina (C), timina (T) e adenina (A). Uma molécula de DNA consiste em duas fitas dessas substâncias químicas que são ligadas em uma forma de dupla hélice. O alfabeto do DNA é o mesmo, quer esteja codificando sapos, humanos ou a planta perto da janela, mas as instruções são diferentes. A molécula de RNA usa quase o mesmo alfabeto, mas usa uracila (U) em vez de timina.
Em 1977, um grupo de cientistas na Rússia descobriu pela primeira vez que um cianófago, ou um vírus que invade um grupo de bactérias conhecido como cianobactérias, havia substituído todos os seus As pelo químico 2-aminoadenina (Z). Em outras palavras, um alfabeto genético que normalmente consiste em ATCG na maioria dos organismos em nosso planeta era ZTCG nesses vírus.
Por décadas, essa foi uma descoberta difícil – tão estranho quanto soletrar maçãs “zpples” – e pouco se sabia sobre como essa substituição de uma letra pode ter impactado o vírus. No final da década de 1980, os pesquisadores descobriram que este nucleotídeo Z realmente deu ao vírus algumas vantagens: era mais estável em temperaturas mais altas, ajudava uma fita de DNA a se ligar com mais precisão à segunda fita de DNA após a replicação (o DNA é de fita dupla) e o Z-DNA poderia resistir a certas proteínas presentes nas bactérias que normalmente destruiriam o DNA viral.
Agora, dois grupos de pesquisa na França e um na China descobriram outra peça do quebra-cabeça: como esse nucleotídeo Z acaba nos genomas dos bacteriófagos – vírus que invadem bactérias e usam seu maquinário para se replicar.
Fábrica Z
Todos os três grupos de pesquisa, usando uma variedade de técnicas genômicas, identificaram uma parte da via que leva ao genoma Z em bacteriófagos.
Os dois primeiros grupos encontraram duas proteínas principais conhecidas como PurZ e PurB que estão envolvidas na produção do nucleotídeo Z. Depois que o cianófago injeta seu DNA na bactéria para se replicar, uma série de transformações ocorre: essas duas proteínas formam uma molécula Z precursora e, em seguida, convertem a molécula precursora Z no nucleotídeo Z. Outras proteínas então o modificam para que ele possa ser incorporado ao DNA.
O terceiro grupo identificou a enzima responsável pela montagem de novas moléculas de DNA a partir da molécula de DNA original: uma DNA polimerase conhecida como DpoZ. Eles também descobriram que esta enzima exclui especificamente o nucleotídeo A e sempre adiciona o Z em seu lugar.
Por décadas, só se sabia da existência do genoma Z em uma espécie de cianobactéria. “As pessoas acreditavam que esse genoma Z era muito raro”, disse Suwen Zhao, professora assistente na escola de ciências da vida e tecnologia da Universidade ShanghaiTech e autora sênior de um dos estudos.
Zhao e sua equipe analisaram as sequências dos fagos com o genoma Z e os compararam a outros organismos. Eles descobriram que os genomas Z são, na verdade, muito mais difundidos do que se pensava. O genoma Z estava presente em mais de 200 tipos diferentes de bacteriófagos.
Os fagos que carregam esse genoma Z “podem ser considerados como uma forma de vida diferente”, disse Pierre Alexandre Kaminski, pesquisador do Institut Pasteur na França, autor sênior de outro dos estudos e coautor do terceiro. Mas “é difícil saber a origem exata”, e é necessário explorar a extensão em que esta proteína PurZ existe entre bacteriófagos – e talvez até organismos, disse ele ao Live Science.
Kaminski e seu grupo analisaram a história evolutiva da proteína PurZ e descobriram que ela está relacionada a uma proteína chamada PurA encontrada nas arquéias que sintetiza o nucleotídeo A. Essa conexão evolucionária “distante” levanta a questão de saber se as proteínas envolvidas na produção do nucleotídeo Z surgiram primeiro em bactérias e foram eventualmente adaptadas por vírus, ou se ocorreram com mais frequência em formas de vida preliminares no planeta, talvez até mesmo dentro das células, Michael Grome e Farren Isaacs da Universidade de Yale, que não fizeram parte dos estudos, escreveram em um artigo de perspectiva relacionado também publicado na revista Science em 29 de abril.
PurZ e DpoZ são frequentemente herdados juntos, o que sugere que os genomas Z existiram ao lado do DNA normal desde os primeiros dias da vida em nosso planeta, antes de 3,5 bilhões de anos atrás, eles escreveram. Além do mais, uma análise conduzida em 2011 de um meteorito que caiu na Antártica em 1969 descobriu o nucleotídeo Z ao lado de alguns nucleotídeos padrão e não-padrão provavelmente de origem extraterrestre, “levantando um papel potencial para Z nas primeiras formas de vida”, escreveram eles.
Futuro Z
É possível que este genoma Z, se existisse tão cedo na história do nosso planeta, pudesse ter conferido uma vantagem às primeiras formas de vida. “Acho que é mais adequado para os organismos do genoma Z sobreviver no ambiente quente e hostil” do planeta primitivo, disse Zhao.
O genoma Z é muito estável. Quando duas fitas de DNA normal se unem para formar uma dupla hélice, duas ligações de hidrogênio ligam A a T e três ligações de hidrogênio ligam G a C. Mas quando A é substituído por Z, três ligações de hidrogênio os unem, tornando a ligação mais forte . Este é o único DNA não normal que modifica a ligação de hidrogênio, disse Kaminski.
Mas não é surpresa que o genoma Z não esteja disseminado entre as espécies hoje. O genoma Z cria um DNA muito estável, mas não flexível, disse Zhao. Para muitos eventos biológicos, como a replicação do DNA, precisamos descompactar a fita dupla, e a ligação de hidrogênio extra torna a descompactação mais difícil, disse ela. “Acho que é mais adequado para ambientes quentes e hostis, mas não neste ambiente mais confortável agora”, disse Zhao.
Ainda assim, a estabilidade do genoma Z o torna um candidato ideal para certas tecnologias. Agora que os pesquisadores sabem quais proteínas o vírus usa para fazer esses genomas Z, os cientistas podem fazê-los eles próprios. “Agora podemos produzir o genoma Z em grande escala”, disse Zhao.
Por exemplo, o genoma Z pode ajudar a melhorar a terapia de fagos, que é um método de tratamento de infecções bacterianas que usa bacteriófagos, normalmente quando as bactérias desenvolvem resistência aos antibióticos, disse ela. Ou poderia ser usado para melhorar a longevidade e a capacidade de direcionamento das fitas de DNA usadas na terapia gênica, de acordo com o artigo em perspectiva. Além disso, os pesquisadores poderiam estudar o que poderia acontecer se eles incorporassem o genoma Z às células para melhorar o funcionamento das células, de acordo com o artigo em perspectiva.
Mas ainda há muitas perguntas sem resposta sobre o genoma Z, disse Zhao. Por exemplo, ela espera entender se sua estrutura 3D tem alguma diferença do que a do DNA normal, enquanto Kaminski espera explorar ainda mais as vantagens que esse genoma Z dá ao bacteriófago além de ajudá-lo a escapar das proteínas de defesa da bactéria.
Não se sabe se o genoma Z também pode formar fitas do RNA relativo do DNA, de acordo com o artigo em perspectiva. Nem mesmo está claro se esse genoma Z pode se incorporar aos genes do hospedeiro bacteriano de um vírus. O que fica claro a partir desses estudos é que o genoma Z é mais difundido do que pensávamos – e provavelmente tem uma história evolutiva muito interessante.
Publicado em 01/05/2021 12h23
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