Les humains ne sont pas les seules cibles des virus. Comme nous, les bactéries sont infectées par de nombreux types de virus. En fait, à travers des milliards d’années, les bactéries et les virus se sont engagés dans une course aux armements évolutive incessante pour la survie qui comprend d’innombrables innovations et contre-adaptations.
Récemment, les scientifiques biomédicaux ont accru leur intérêt pour les virus connus sous le nom de bactériophages, ou phages, qui peuvent infecter et tuer des bactéries dangereuses. Les phages, les organismes les plus abondants sur la planète, sont désormais reconnus comme un outil prometteur pour lutter contre les infections bactériennes alors que la science cherche de nouvelles thérapies pour les vagues croissantes de résistance aux antibiotiques. Les scientifiques aimeraient percer les secrets des stratégies évolutives des phages dans leur conflit permanent avec les bactéries.
Un groupe de chercheurs de diverses spécialités sur le campus de l’Université de Californie à San Diego a maintenant mis à profit de nouvelles technologies pour offrir un aperçu des structures et des processus biologiques des phages jusque-là non reconnus. Publication dans la revue La natureils offrent un aperçu sans précédent d’une famille sous-étudiée connue sous le nom de « phages géants » et de leurs défenses remarquablement évoluées contre les bactéries.
Parmi leurs découvertes, les scientifiques des laboratoires d’Elizabeth Villa, Kevin Corbett et Joe Pogliano ont découvert que les cellules de phages géants construisent un compartiment blindé qui agit comme un noyau dans les cellules humaines et animales et protège le matériel génétique de base du virus, qui est nécessaire pour se répliquer. et se répandre. L’équipe de recherche a caractérisé pour la première fois la structure du compartiment de type noyau à l’aide de technologies de pointe, notamment la microscopie cryoélectronique et la tomographie à la plus haute résolution possible pour l’imagerie cellulaire.
« C’est un type de compartiment différent – contrairement à tout ce que nous avons jamais vu dans la nature », a déclaré Villa, professeur agrégé à l’UC San Diego School of Biological Sciences et chercheur à l’Institut médical Howard Hughes. « Nous avons pu caractériser ce compartiment – comment il s’assemble et fonctionne au niveau le plus élémentaire – de chaque atome à l’échelle de l’organisme entier. »
Département de chimie et de biochimie, la professeure Rommie Amaro et ses collègues ont ensuite appliqué des techniques informatiques de pointe pour simuler les fonctions et la flexibilité remarquable de la structure du phage. Les chercheurs ont découvert que le compartiment permet à certains composants clés de pénétrer à l’intérieur, tout en servant simultanément de mécanisme de défense contre les menaces bactériennes.
« Ces découvertes nous présentent une toute nouvelle ère de la biologie des phages », a déclaré Villa. « La coquille sert de bouclier de protection croissant, mais elle doit également importer et exporter certaines choses, et elle le fait avec une précision et une sélectivité exquises. C’est une biologie vraiment bizarre. »
Les chercheurs ont découvert que la coque en forme de noyau du phage s’assemble à partir d’une seule protéine. Compte tenu de son rôle dans la défense des phages, ils ont nommé la protéine chimalline d’après le bouclier porté par les anciens guerriers aztèques.
Le co-auteur de l’étude, Joe Pogliano, professeur au Département de biologie moléculaire, étudie ces phages depuis plus de 10 ans. Il pense que les phages formant des noyaux pourraient être meilleurs pour les thérapies par phages contre les infections bactériennes, car ils ont évolué pour être naturellement résistants à de nombreux types de systèmes de défense bactériens.
« Alors que nous nous dirigeons vers le développement de thérapies par les phages, nous devrons en savoir plus sur ce noyau de phage récemment découvert, car il semble les rendre plus efficaces pour attaquer les bactéries », a déclaré Pogliano. Des chercheurs, dont Pogliano et Villa, collaboreront avec des experts du Center for Innovative Phage Applications and Therapeutics de l’UC San Diego, le premier centre dédié à la phagothérapie en Amérique du Nord. « Maintenant que nous savons que certains phages ont un bouclier, nous pourrions le donner à d’autres phages et créer des » super phages « qui sont meilleurs pour la phagothérapie et pour surmonter les défenses bactériennes. La première étape de ce processus consiste à comprendre la structure de la protéine chimalline qui constitue le bouclier, ce qui est l’une des raisons pour lesquelles ce travail est si important. »
Le professeur Kevin Corbett, membre du Département de médecine cellulaire et moléculaire, a ajouté une expertise en biochimie et en biologie structurale à l’équipe de recherche. Il décrit les découvertes comme un exemple d’évolution convergente dans laquelle des organismes éloignés trouvent des moyens similaires de résoudre des problèmes.
« Le pore nucléaire chez les eucaryotes est une structure gigantesque et complexe avec des moyens très distinctifs d’empêcher la plupart des protéines d’entrer mais d’en importer spécifiquement d’autres. Ce que nous envisageons probablement avec le phage jumbo est une méthode considérablement plus simple pour résoudre le même problème », a déclaré Corbett. « C’est une solution incroyablement créative – similaire mais plus simple – pour protéger son génome du monde extérieur en construisant un mur pour le séparer des défenses bactériennes. »
Le co-premier auteur Thomas Laughlin, chercheur postdoctoral en sciences biologiques, a dirigé la visualisation du compartiment du phage jumbo. En utilisant des installations et des ressources technologiques uniques à l’UC San Diego, et en coordination avec le co-premier auteur Amar Deep et d’autres membres des laboratoires collaborateurs, ils ont aidé à caractériser le compartiment de l’échelle des microns aux atomes pour aider à déchiffrer ses fonctions.
Laughlin a déclaré qu’il était très surpris de constater que le compartiment est formé de plusieurs copies de la protéine chimalline disposées en réseau carré ou en configuration en forme de filet de pêche. Étant donné que les configurations en nid d’abeilles (hexagonales) sont beaucoup plus courantes dans la nature, Laughlin et les autres membres de l’équipe n’avaient pas prévu une structure aussi simple sous-jacente à la structure du compartiment.
Laughlin et les autres chercheurs affirment que leurs découvertes sur le phage jumbo et son compartiment soulèvent de nombreuses autres questions, notamment sur la façon dont certains composants sont traités à l’intérieur et à l’extérieur de la coquille.
« Nous connaissons maintenant la structure principale du compartiment d’un noyau de phage mature, mais nous aimerions savoir comment il s’assemble pour commencer », a déclaré Laughlin. « Qu’est-ce que la biogenèse (ou « prequel ») aux premiers stades de l’infection ? Comment tout cela commence-t-il une fois que le virus injecte son génome dans la bactérie hôte ? »
La La nature la liste complète des auteurs de l’article comprend Thomas Laughlin, Amar Deep, Amy Prichard (étudiant diplômé), Christian Seitz (étudiant diplômé), Yajie Gu, Eray Enustun (étudiant diplômé), Sergey Suslov, Kanika Khanna (récipiendaire récent d’un doctorat), Erica Birkholz (étudiant diplômé), Emily Armbruster (étudiant diplômé), J. Andrew McCammon, Rommie Amaro, Joe Pogliano, Kevin Corbett et Elizabeth Villa.
Thomas G. Laughlin et al, Architecture et auto-assemblage de la coquille nucléaire du bactériophage jumbo, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-05013-4