Arte e Ciência: pintando e conhecendo Coronavírus.

Série: CIÊNCIA, SAÚDE E CORONA VÍRUS

Livro infantil: coronavírus. Arte e Ciência: pintando e conhecendo coronavírus. Livro Vírus: Simulacro da Vida.

Fiocruz: notícias o Covid-19. Medo, Verdades e Mentiras sobre coronavírus. Manifesto da SBPC – COVID-19. Ciência Brasileira responde à crise de coronavírus. Nosso Mundo em Dados: COVID-19.

Imagem de capa: Imagem microscópica eletrônica de transmissão de CoVID-19. As partículas virais esféricas, de cor azul, contêm seções transversais no genoma viral, vistas como pontos pretos.  Contribuição do CDC, Hannah A Bullock; Azaibi Tamin.

Os coronavírus (CoVs) são uma grande família de vírus.  Eles fazem parte de um grupo da ordem Nidovirales, reunindo vírus que podem infectar três classes de vertebrados:

• mamíferos (coronavírus e torovírus),
• aves (coronavírus)
• e peixes (bafinivírus).

Família Coronaviridae. Subfamília Coronavirinae

Devido às características específicas dos vários vírus, a família foi organizada, até o momento, em 5 gêneros:

• Gênero Alphacoronavirus
• Gênero Betacoronavirus
• Gênero Gammacoronavirus. Subfamília Torovirinae
• Gênero Torovirus
• Gênero Bafinivirus

Os coronavírus humanos geralmente causam doenças leves, como o resfriado comum. Por razões ainda a serem explicadas, os vírus podem atravessar barreiras entre espécies, e alguns coronavírus animais podem sofrer mutações para infectar e se espalhar entre humanos, causando doenças graves, como a Síndrome Respiratória Aguda Grave (SARS) que surgiu em 2002, e a Síndrome Respiratória do Oriente Médio (MERS) que surgiu em 2012. Isto tornou esses CoVs causadores de surtos emergentes de doenças respiratórias.  

Curiosamente, os CoVs mais recentes provavelmente se originaram de coronavírus de morcegos e depois se mudaram para outros hospedeiros mamíferos. como:

• a civeta das palmeiras do Himalaia para o SARS-CoV
• e o camelo dromedário para MERS-CoV, antes de pularem para seres humanos. 

Vírus com Coroas Solares

Os vírus são muito pequenos, muito menores do que células ou bactérias, se aproximando das medidas de moléculas (grandes proteínas). Este Universo de proteínas e vírus são medidos em nanômetros. Você já deve ter ouvido falar em Nanotecnologias (tecnologias que manipulam objetos nanoscópicos).

Para comparar:

• Seres humanos são medidos em metros.
• Células e bactérias são medidos em micrômetros (1/1000 do milímetro).
• Vírus, proteínas e moléculas são medidos em nanômetros (1/1000 do micrômetro).

Os coronavírus são:

• envelopados, uma camada externa que os recobre.
• seu Genoma é de RNA de fita simples (+ ssRNA) de sentido positivo.
• Podem ter forma:
  • esférica, variando de 120 a 160 nm de diâmetro (Coronavirinae),
  • baciformes (tubulares), variando entre 170-200  x  75 a 88 nm (Bafinivirus)
  • ou encontrados como uma mistura de ambos, com partículas baciformes caracteristicamente dobradas em forma de lua crescente (Torovirus).

[wonderplugin_slider id=9]

Os virions de coronavírus da CoVid-19 são esféricos com diâmetros médios de aproximadamente 125 nm, conforme descrito em estudos recentes por tomografia criogênica e microscopia crioeletrônica.

[wonderplugin_slider id=8]

A característica mais proeminente dos coronavírus são as projeções (com cerca de 15 a 20 nm) de espigões em forma de pétalas que emanam e decoram a superfície do virião. Essas projeções dão a eles a aparência de uma coroa solar em micrografias de microscopia eletrônica, e isto deu origem ao nome do grupo. Essas projeções são conhecidas, em inglês, como “peplomers” ou “spikes”).

Dentro do envelope do virião está o nucleocapsídeo. Os coronavírus têm nucleocápsideos helicoidicamente simétricos, o que é incomum entre os vírus de RNA de sentido positivo, e muito mais comum para vírus de RNA de sentido negativo.

Uma boa forma de conhecer a estrutura de um vírus é colorindo todas as suas partes.

A imagem para colorir acima é da estrutura de um coronavírus baseada em pinturas moleculares de David S. Goodsell. A pintura e o desenho original para colorir estão disponíveis na Galeria CienciArte de Panoramas Moleculares (Molecular Landscapes SciArt Gallery).

Esta pintura mostra um coronavírus penetrando nos pulmões, cercado por muco secretado por células respiratórias, anticorpos secretados e várias proteínas do sistema imunológico.

Somos todos proteínas

As partículas do vírus coronavírus contêm quatro proteínas estruturais principais. Estas são as proteínas “spike” (S), de membrana (M), do envelope (E) e do nucleocapsídeo (N), todas codificadas no genoma viral. 

Este grupo de vírus é fechado por uma membrana que inclui os seguintes tipos de proteínas:

• a proteína S (spike) que media a ligação e entrada do vírus nas células. A ligação inicial do vírus à célula hospedeira é iniciada por interações entre a proteína S e um receptor da membrana celular.
• a proteína M (membrana) que envolve a nucleoproteína interna da célula.
• a proteína E (envelope), um canal de membrana envolvido na “brotação” do vírus e podem ser incorporados ao virião durante esse processo.

E a nucleoproteína interna inclui muitas cópias da proteína N (nucleocapsídeo) ligadas ao RNA genômico

Um Vírus Mutante e um Hospedeiro Viajante

Nos últimos 50 anos, surgiram muitos coronavírus diferentes que causam uma grande variedade de doenças humanas e veterinárias. É provável que esses vírus continuem surgindo e evoluindo e causando surtos humanos e veterinários, devido à sua capacidade de recombinar, mutar e infectar várias espécies e tipos de células.

Nesse mundo de viagens rápidas e fáceis, os vírus emergentes estão se tornando cada vez mais um grande perigo para a saúde mundial. E os coronavírus são um exemplo vivo disso. Formas particularmente virulentas emergiram de seus hospedeiros animais naturais e passaram a representar uma ameaça à saúde das comunidades humanas. 

Em 2003, o vírus Sars-CoV causador da SARS (Síndrome Respiratória Aguda Grave) surgiu na China a partir de populações de morcegos, passando para civetas e finalmente para humanos. 

Dez anos depois, o vírus Mers-CoV causador da MERS (Síndrome Respiratória do Oriente Médio) também emergiu de morcegos, transferindo-se no Oriente Médio para camelos e dromedários e depois para humanos. 

Recentemente, outro Coronavírus surgiu na China por meio de animais em um mercado vivo. A biologia estrutural está nos ajudando a entender esses vírus e nos ajudará a desenvolver novas maneiras de combatê-los.

Abaixo um infográfico, mostrando alguns dos surtos registrados de Coronavírus que passaram ao ser humano ao longo da história.

O Genoma dos Coronavírus

Os coronavírus contêm um genoma composto por uma longa cadeia de RNA – um dos maiores de todos os vírus de RNA positivo, variando de 26.000 a 32.000 bases (uma média de 30.000 bases). É nesse genoma que se encontra a “receita” para a célula infectada produzir todas as proteínas que compõem o vírus e, assim, replicar cópias do vírus.

Esse genoma age como um RNA mensageiro quando infecta uma célula e direciona a síntese de duas longas poliproteínas que incluem o mecanismo de que o vírus precisa para replicar novos vírus. Essas proteínas incluem um complexo de replicação / transcrição que produz mais RNA, várias proteínas estruturais que constroem novos virions e duas proteases. As proteases desempenham papéis essenciais no corte das poliproteínas em todas essas peças funcionais.

Proteases (proteínas enzimáticas) dos Coronavírus

Alguns vírus dependem de proteases no seu ciclo de replicação, pois algumas proteínas virais são codificadas em uma longa cadeia peptídica, sendo libertadas pelas proteases, só então assumindo sua conformação ideal e função. Assim, inibidores de protease podem ser desenvolvidos como meios antivirais – o que torna as proteases do coronavírus atraentes para o desenvolvimento de medicamentos antivirais.

Os pesquisadores estão usando ativamente essas estruturas para procurar compostos que bloqueiem a ação das proteases, para uso como drogas antivirais. Mas, a diversidade dos coronavírus representa um grande desafio com esse esforço. Os coronavírus foram classificados em cinco gêneros separados, e estudos estruturais e de sequências demonstraram que as proteases desses vírus podem ser muito diferentes, e portanto, medicamentos projetados para combater uma protease podem não ser eficazes contra as outras. 

Uma maneira possível de enfrentar esse desafio é tentar projetar um inibidor de amplo espectro direcionado contra o coronavírus progenitor do morcego, que pode fornecer um avanço para a descoberta de inibidores contra vírus emergentes recentemente. 

Referências

A pintura é baseada em informações sobre o coronavírus da Síndrome Respiratória Aguda Grave (SARS), que surgiu na China em 2002, principalmente das seguintes publicações:

• Masters PS (2019) Coronavirus genomic RNA packaging. Virology 537, 198-207.
• Surya W, Li Y, Torres J (2018) Structural model of the SARS coronavirus E channel in LMPG micelles. BBA Biomembranes 1860, 1309-1317.
• Li F (2016) Structure, function, and evolution of coronavirus spike proteins. Annu. Rev. Virol. 3, 237-261.
• Chang CK, Hou MH, Chang CF, Hsiao CD, Huang TH (2014) The SARS coronavirus nucleocapsid protein – forms and functions. Antiviral Res. 103, 39-50.
• Neuman BW, Adair BD, Yoshioka C, Quispe JD, Orca G, Kuhn P, Milligan RA, Yeager M, Buchneier MJ (2006) Supramolecular architecture of severe acute respiratory syndrome coronavirus revealed by electron cryomicroscopy. J. Virol. 80, 7918-7928.
• Cui, J., Li, F., Shi, Z.L. (2019) Origin and evolution of pathogenic coronaviruses. Nat. Rev. Microbiol. 17, 181-192.
• 4yoi: St John, S.E., Tomar, S., Stauffer, S.R., Mesecar, A.D. (2015) Targeting zoonotic viruses: Structure-based inhibition of the 3C-like protease from bat coronavirus HKU4-The likely reservoir host to the human coronavirus that causes Middle East Respiratory Syndrome (MERS). Bioorg.Med.Chem. 23: 6036-6048
• 4ow0: Baez-Santos, Y.M., Barraza, S.J., Wilson, M.W., Agius, M.P., Mielech, A.M., Davis, N.M., Baker, S.C., Larsen, S.D., Mesecar, A.D. (2014) X-ray Structural and Biological Evaluation of a Series of Potent and Highly Selective Inhibitors of Human Coronavirus Papain-like Proteases. J.Med.Chem. 57: 2393-2412
• Hilgenfeld, R. (2014) From SARS to MERS: crystallographic studies on coronaviral proteases enable antiviral drug design. FEBS J. 281,4085-4096
• 1q2w: Pollack, A. (2003) Company says it mapped part of SARS virus. New York Times, July 30, section C, page 2.

Agradecimentos