Structure atomique d’un bactériophage staphylococcique à l’aide de la cryo-microscopie électronique —

Les bactériophages ou “phages” sont les termes utilisés pour les virus qui infectent les bactéries. Les chercheurs de l’UAB, dirigés par Terje Dokland, Ph.D., en collaboration avec Asma Hatoum-Aslan, Ph.D., de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, ont décrit des modèles atomiques pour tout ou partie de 11 protéines structurelles différentes dans phage Andhra. L’étude est publiée dans Science Advances.

Andhra fait partie du groupe des picovirus. Sa gamme d’hôtes est limitée à S. epidermidis. Cette bactérie cutanée est pour la plupart bénigne, mais elle est également l’une des principales causes d’infections des dispositifs médicaux à demeure. “Les picovirus sont rarement trouvés dans les collections de phages et restent sous-étudiés et sous-utilisés pour des applications thérapeutiques”, a déclaré Hatoum-Aslan, biologiste des phages à l’Université de l’Illinois.

Avec l’émergence de la résistance aux antibiotiques chez S. epidermidis et le pathogène apparenté Staphylococcus aureus, les chercheurs ont renouvelé leur intérêt pour l’utilisation potentielle de bactériophages pour traiter les infections bactériennes. Les picovirus tuent toujours les cellules qu’ils infectent, après s’être liés à la paroi cellulaire bactérienne, traverser enzymatiquement cette paroi, pénétrer la membrane cellulaire et injecter de l’ADN viral dans la cellule. Ils ont également d’autres traits qui en font des candidats intéressants pour un usage thérapeutique, notamment un petit génome et une incapacité à transférer des gènes bactériens entre bactéries.

La connaissance de la structure des protéines dans l’Andhra et la compréhension de la façon dont ces structures permettent au virus d’infecter une bactérie permettront de produire des phages sur mesure adaptés à un objectif spécifique, en utilisant la manipulation génétique.

“La base structurelle de la spécificité de l’hôte entre les phages qui infectent S. aureus et S. epidermidis est encore mal comprise”, a déclaré Dokland, professeur de microbiologie à l’UAB et directeur de l’UAB Cryo-Electron Microscopy Core. “Avec la présente étude, nous avons acquis une meilleure compréhension des structures et des fonctions des produits du gène Andhra et des déterminants de la spécificité de l’hôte, ouvrant la voie à une conception plus rationnelle de phages personnalisés pour des applications thérapeutiques. Nos résultats élucident les caractéristiques essentielles pour assemblage du virion, reconnaissance de l’hôte et pénétration.”

Les phages staphylococciques ont généralement une gamme étroite de bactéries qu’ils peuvent infecter, en fonction des polymères variables d’acide teichoïque de paroi à la surface de différentes souches bactériennes. “Cette gamme d’hôtes étroite est une épée à double tranchant : d’une part, elle permet aux phages de cibler uniquement l’agent pathogène spécifique à l’origine de la maladie ; d’autre part, cela signifie que le phage peut devoir être adapté au patient dans chaque cas. cas spécifique », a déclaré Dokland.

La structure générale d’Andhra est une tête de capside icosaédrique arrondie à 20 faces qui contient le génome viral. La capside est attachée à une courte queue. La queue est en grande partie responsable de la liaison à S. epidermidis et de la rupture enzymatique de la paroi cellulaire. L’ADN viral est injecté dans la bactérie par la queue. Les segments de la queue comprennent le portail de la capside à la queue, ainsi que la tige, les appendices, le bouton et le bout de la queue.

Les 11 protéines différentes qui composent chaque particule virale se trouvent en plusieurs copies qui s’assemblent. Par exemple, la capside est composée de 235 copies de chacune de deux protéines, et les neuf autres protéines du virion ont un nombre de copies de deux à 72. Au total, le virion est composé de 645 morceaux de protéines qui incluent deux copies d’une 12ème protéine, dont la structure a été prédite à l’aide du programme de prédiction de la structure des protéines AlphaFold.

Les modèles atomiques décrits par Dokland, Hatoum-Aslan et les co-premiers auteurs N’Toia C. Hawkins, Ph.D., et James L. Kizziah, Ph.D., UAB Department of Microbiology, montrent les structures de chaque protéine – tel que décrit dans le langage moléculaire comme alpha-helix, beta-helix, beta-strand, beta-barrel ou beta-prism. Les chercheurs ont décrit comment chaque protéine se lie à d’autres copies de ce même type de protéine, par exemple pour constituer les faces hexamères et pentamères de la capside, ainsi que la manière dont chaque protéine interagit avec différents types de protéines adjacents.

Les microscopes électroniques utilisent un faisceau d’électrons accélérés pour éclairer un objet, offrant une résolution beaucoup plus élevée qu’un microscope optique. La microscopie cryoélectronique ajoute l’élément de températures super froides, ce qui la rend particulièrement utile pour la résolution de la structure quasi atomique de protéines plus grosses, de protéines membranaires ou d’échantillons contenant des lipides comme les récepteurs liés à la membrane et les complexes de plusieurs biomolécules ensemble.

Au cours des huit dernières années, de nouveaux détecteurs d’électrons ont créé un énorme bond en résolution pour la cryo-microscopie électronique par rapport à la microscopie électronique normale. Les éléments clés de cette soi-disant « révolution de la résolution » pour la microscopie cryoélectronique sont :

• Congélation instantanée des échantillons aqueux dans de l’éthane liquide refroidi à moins de -256 degrés F. Au lieu de cristaux de glace qui perturbent les échantillons et dispersent le faisceau d’électrons, l’eau gèle en une “glace vitreuse” en forme de fenêtre.
• L’échantillon est conservé à des températures super froides dans le microscope et une faible dose d’électrons est utilisée pour éviter d’endommager les protéines.
• Des détecteurs d’électrons directs extrêmement rapides sont capables de compter des atomes individuels à des centaines d’images par seconde, ce qui permet de corriger le mouvement de l’échantillon à la volée.
• L’informatique avancée fusionne des milliers d’images pour générer des structures tridimensionnelles à haute résolution. Les unités de traitement graphique sont utilisées pour traiter des téraoctets de données.
• La platine du microscope qui contient l’échantillon peut également être inclinée au fur et à mesure que les images sont prises, permettant la construction d’une image tomographique tridimensionnelle, similaire à une tomodensitométrie à l’hôpital.

L’analyse de la structure du virion d’Andhra par les chercheurs de l’UAB a commencé avec 230 714 images de particules. La reconstruction moléculaire de la capside, de la queue, de la queue distale et de l’extrémité de la queue a commencé avec 186 542, 159 489, 159 489 et 159 489 images, respectivement. La résolution variait de 3,50 à 4,90 angströms.