Manipulação Genética Mediada por Fagos da Espiroqueta da Doença de Lyme Borrelia burgdorferi

O desenvolvimento de ferramentas para a manipulação genética da bactéria espiroqueta Borrelia burgdorferi tem acrescentado um valor imensurável à compreensão da natureza da doença de Lyme 1,2,3,4. B. burgdorferi tem um genoma extraordinariamente complexo, composto por um pequeno cromossomo linear e plasmídeos lineares e circulares ^5,6. A perda espontânea de plasmídeos, o rearranjo intragênico (movimento de genes de um plasmídeo para outro dentro do mesmo organismo) e a transferência horizontal de genes (HGT, o movimento do DNA entre dois organismos) deram origem a uma quantidade estonteante de heterogeneidade genética entre B. burgdorferi (por exemplo, ver Schutzer et ^al.7). Os genótipos resultantes (ou “cepas”) são todos membros da mesma espécie, mas apresentam diferenças genéticas que influenciam sua capacidade de transmitir e infectar diferentes hospedeiros mamíferos 8,9,10,11. Neste relatório, o termo “estirpe” será utilizado para se referir a B. burgdorferi com um fundo genético derivado naturalmente particular; o termo “clone” será utilizado para se referir a uma estirpe que tenha sido geneticamente modificada para um fim específico ou em resultado de manipulação experimental.

A caixa de ferramentas moleculares disponível para uso em B. burgdorferi inclui marcadores selecionáveis, repórteres de genes, vetores de transporte, mutagênese de transposon, promotores induzíveis e marcadores contra-selecionáveis (para uma revisão, ver Drektrah e Samuels¹²). O uso efetivo dessas metodologias requer a introdução artificial de DNA heterólogo (estranho) em uma cepa de B. burgdorferi de interesse. Em B. burgdorferi, a introdução do DNA heterólogo é realizada quase que exclusivamente por eletroporação, método que utiliza um pulso de eletricidade para tornar uma membrana bacteriana transitoriamente permeável a pequenos pedaços de DNA introduzidos no meio¹. A maioria das células (estimada em ≥99,5%) é morta pelo pulso, mas as células restantes têm alta frequência de retenção do DNA heterólogo¹³. Embora considerado um dos métodos mais eficientes de introdução de DNA em bactérias, a frequência de eletroporação em B. burgdorferi é muito baixa (variando de 1 transformador em 5 × 10⁴ a 5 × 10⁶ células)¹³. As barreiras para alcançar frequências mais altas de transformação parecem ser técnicas e biológicas. As barreiras técnicas para o sucesso da eletroporação de B. burgdorferi incluem tanto a quantidade de DNA (>10 μg) que é necessária quanto a exigência de que as espiroquetas estejam exatamente na fase correta de crescimento (meio de bordo, entre 2 × 10 7 células·mL−1 e 7 × 10⁷ células·mL⁻¹) ao preparar células eletrocompetentes ^12,13. Essas barreiras técnicas, no entanto, podem ser mais fáceis de superar do que as barreiras biológicas.

Pesquisadores da doença de Lyme reconhecem que os clones de B. burgdorferi podem ser divididos em duas grandes categorias no que diz respeito à sua capacidade de serem manipulados geneticamente^13,14. Isolados de alta passagem, adaptados ao laboratório, são frequentemente facilmente transformados, mas geralmente perdem os plasmídeos essenciais para a infectividade, comportam-se de maneira fisiologicamente aberrante e não são capazes de infectar um hospedeiro mamífero ou persistir dentro de um vetor de carrapato^12,13. Embora esses clones tenham sido úteis para dissecar a biologia molecular da espiroqueta dentro do laboratório, eles são de pouco valor para estudar a espiroqueta dentro do contexto biológico do ciclo enzoótico. Isolados infecciosos de baixa passagem, por outro lado, comportam-se de maneira fisiológica reflexiva de um estado infeccioso e podem completar o ciclo infeccioso, mas geralmente são recalcitrantes à introdução de DNA heterólogo e, portanto, de difícil manipulação para estudo^12,13. A dificuldade em transformar isolados de baixa passagem está relacionada a pelo menos dois fatores diferentes: (i) isolados de baixa passagem muitas vezes se aglutinam firmemente, particularmente sob as condições de alta densidade necessárias para a eletroporação, bloqueando assim muitas células da aplicação completa da carga elétrica ou do acesso ao DNA no meio^13,15; e (ii) B. burgdorferi codifica pelo menos dois diferentes sistemas de restrição e modificação (R-M) transmitidos por plasmídeos que podem ser perdidos em isolados de alta passagem^14,16. Os sistemas R-M evoluíram para permitir que as bactérias reconheçam e eliminem o DNA estranho¹⁷. De fato, vários estudos em B. burgdorferi demonstraram que as eficiências de transformação aumentam quando a fonte do DNA é B. burgdorferi e não Escherichia coli^13,16. Infelizmente, adquirir a alta concentração necessária de DNA para eletroporação de B. burgdorferi é uma perspectiva cara e demorada. Outra preocupação potencial ao eletroporar e selecionar isolados de baixa passagem é que o processo parece favorecer transformadores que perderam o plasmídeo crítico associado à virulência, lp25^14,18,19; assim, o próprio ato de manipular geneticamente isolados de B. burgdorferi de baixa passagem via eletroporação pode selecionar clones que não são adequados para análise biologicamente relevante dentro do ciclo enzoótico²⁰. Dadas essas questões, um sistema no qual o DNA heterólogo poderia ser eletrotransformado em clones de B. burgdorferi de alta passagem e, em seguida, transferido para isolados infecciosos de baixa passagem por um método diferente da eletroporação poderia ser uma adição bem-vinda à crescente coleção de ferramentas moleculares disponíveis para uso na espiroqueta da doença de Lyme.

Além da transformação (a absorção de DNA nu), existem dois outros mecanismos pelos quais as bactérias absorvem regularmente o DNA heterólogo: a conjugação, que é a troca de DNA entre bactérias em contato físico direto entre si, e a transdução, que é a troca de DNA mediada por um bacteriófago²¹. De fato, a capacidade do bacteriófago de mediar a HGT tem sido utilizada como ferramenta experimental para dissecar os processos moleculares dentro de vários sistemas bacterianos^22,23,24. B. burgdorferi não é naturalmente competente para a absorção de DNA nu, e há pouca evidência de que B. burgdorferi codifica o aparato necessário para promover a conjugação bem-sucedida. Relatos prévios descreveram, no entanto, a identificação e caracterização preliminar do φBB-1, um bacteriófago temperado de B. burgdorferi^25,26,27,28. φBB-1 empacota uma família de plasmídeos de 30 kb encontrados em B. burgdorferi²⁵; os membros desta família foram designados cp32s. Consistente com um papel para φBB-1 na participação em HGT entre cepas de B. burgdorferi, Stevenson et al. relataram uma cp32 idêntica encontrada em duas cepas com cp32s de outra forma díspares, sugerindo um compartilhamento recente dessa cp32 entre essas duas cepas, provavelmente via transdução²⁹. Há também evidências de recombinação significativa via HGT entre os cp32s em um genoma relativamente estável^30,31,32,33. Finalmente, a capacidade do φBB-1 de transduzir tanto cp32s quanto DNA vetorial heterólogo entre células da mesma cepa e entre células de duas cepas diferentes foi demonstrada anteriormente^27,28. Diante desses achados, o φBB-1 tem sido proposto como outra ferramenta a ser desenvolvida para a dissecação da biologia molecular de B. burgdorferi.

O objetivo deste relato é detalhar um método para induzir e purificar o fago φBB-1 de B. burgdorferi, bem como fornecer um protocolo para a realização de um ensaio de transdução entre clones de B. burgdorferi e seleção e triagem de potenciais transdutores.