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Dec 29, 2023

Nature Communications volume 13, numero articolo: 7241 (2022) Citare questo articolo

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Il miofago jumbo di Klebsiella ϕKp24 mostra una disposizione insolitamente complessa di fibre della coda che interagiscono con una cellula ospite. In questo studio, combiniamo metodi di microscopia crioelettronica, metodi di previsione della struttura proteica, simulazioni molecolari, approcci microbiologici e di apprendimento automatico per esplorare il capside, la coda e le fibre della coda di ϕKp24. Determiniamo la struttura del capside e della coda con una risoluzione di 4,1 Å e 3,0 Å. Osserviamo che le fibre della coda sono ramificate e riorganizzate notevolmente dopo l'attaccamento alla superficie cellulare. Questa complessa configurazione coinvolge quattordici presunte fibre della coda con attività depolimerasica che forniscono a ϕKp24 la capacità di infettare un ampio pannello di tipi di polisaccaridi capsulari (CPS) di Klebsiella pneumoniae. Il nostro studio fornisce informazioni strutturali e funzionali su come ϕKp24 si adatta alle superfici variabili dei patogeni batterici capsulati, il che è utile per lo sviluppo di approcci di terapia fagica contro ceppi di K. pneumoniae resistenti ai farmaci.

I batteri patogeni rappresentano una minaccia sempre crescente per la salute umana. Mentre molte infezioni batteriche possono essere curate efficacemente con gli antibiotici, la resistenza antimicrobica (AMR) si traduce sempre più in trattamenti inefficaci. Uno studio recente ha riportato 3,57 milioni di decessi associati alla resistenza antimicrobica in sei principali patogeni nel 20191. Tra questi c'è la Klebsiella pneumoniae, un patogeno riconosciuto dall'Organizzazione mondiale della sanità come prioritario 1 (critico) per lo sviluppo di nuovi antibiotici2. K. pneumoniae può causare polmonite, infezioni del tratto urinario, batteriemia e altre malattie infettive negli esseri umani, soprattutto in soggetti con immunità compromessa3. La stragrande maggioranza degli isolati clinici di K. pneumoniae esprime una capsula pronunciata che è generalmente considerata un importante fattore di virulenza che media la protezione da parte del sistema immunitario dell'ospite4. Esistono oltre un centinaio di tipi di loci capsulari geneticamente distinti, di cui 77 strutture chimiche ben caratterizzate vengono utilizzate nella sierotipizzazione (tipi K)5.

Anche se le K. pneumoniae multiresistenti sono insensibili agli antibiotici standard, rimangono suscettibili alle infezioni da batteriofagi. I batteriofagi, o fagi in breve, sono virus che infettano i batteri. I fagi specifici della Klebsiella possono infettare e uccidere con successo il loro ospite naturale; tuttavia, la maggior parte di questi fagi sono tipicamente altamente ceppo-specifici a causa dei polisaccaridi capsulari variabili (CPS) di questa specie, che agiscono come recettori fagici primari. I fagi di Klebsiella dipendenti dalla capsula, inclusi i fagi ΦK64-1 o vB_KleM-RaK26,7, sono dotati di fibre di coda o punte di coda che fungono da proteine ​​leganti i recettori (RBP) contenenti domini enzimatici che degradano il CPS (depolimerasi della capsula coniata) che consentono il successo dell'adsorbimento dei fagi e infezione8. Per semplicità utilizzeremo d'ora in poi il termine "fibra di coda".

I batteriofagi muniti di coda con genomi di >200 kbp di DNA sono definiti come fagi jumbo9. Le caratteristiche strutturali più notevoli dei jumbofagi sono i grandi capsidi che incapsulano il loro genoma10. Il miofago jumbo vB_KpM_FBKp24 (ϕKp24) recentemente descritto codifica almeno nove fibre di coda contenenti diversi domini di depolimerasi, il che suggerisce una gamma di ospiti ampliata. L'analisi genomica ha rivelato che ϕKp24 ha una somiglianza molto limitata con qualsiasi altro fago11 conosciuto e costituisce quindi una nuova famiglia denominata Vanleeuwenhoekviridae (classificazione ICTV in corso). Inoltre, la microscopia elettronica a trasmissione ha rivelato una struttura complessa unica delle fibre della coda sulla piastra di base. Tuttavia, attualmente mancano informazioni più dettagliate sulla struttura e sulla funzione di questo insieme unico di fibre della coda.

Per comprendere meglio la struttura insolita di ϕKp24, abbiamo analizzato il capside, la coda e le fibre della coda utilizzando diversi metodi strutturali. Abbiamo generato modelli atomici per il capside e la coda del fago altamente ordinati utilizzando l'analisi di singola particella (SPA) al microscopio crioelettronico (crio-EM) combinata con previsioni della struttura della proteina AlphaFold212 e simulazioni di dinamica molecolare (MD). I dati hanno rivelato caratteristiche insolite del capside di ϕKp24, in particolare la composizione dell'intero capside da parte di un singolo MCP e la presenza di un poro al centro degli esagoni. Abbiamo ottenuto informazioni sulla struttura delle fibre della coda flessibili e disordinate utilizzando la tomografia crioelettronica (cryo-ET). Questa analisi è stata aiutata da approcci di apprendimento automatico per addestrare una rete neurale a tracciare automaticamente le complesse fibre della coda per l'analisi quantitativa dei dati tomografici. La nostra analisi ha rivelato un pronunciato riarrangiamento delle fibre della coda durante il processo di infezione. Inoltre, abbiamo testato l'infettività di ϕKp24 utilizzando una raccolta di sierotipi K di ceppi di K. pneumoniae, mostrando il pannello insolitamente ampio di tipi CPS presi di mira dalle fibre della coda.