Bacterias al desnudo

Juan Antonio Hermoso Domínguez (San Martín del Camino, 1964) le ha declarado la guerra a las bacterias. Junto a su equipo del Instituto de Química Física Rocasolano, del que es director, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) utiliza como artillería pesada la difracción de rayos X, la microscopía electrónica y recientemente la nanocristalografía. Estas técnicas permite obtener una imagen tridimensional de las proteínas responsables de que las bacterias sean resistentes a los antibióticos beta-láctámicos, los más utilizados hasta ahora para acabar con las infecciones bacterianas. Pero este arsenal terapéutico está dejando de ser eficaz. El equipo de Hermoso está más cerca de conocer el mecanismo químico de las proteínas implicadas en la resistencia, lo que ayudará al nacimiento de una nueva generación de antibióticos.

Desde su introducción en la medicina clínica, los antibióticos beta-lactámicos han salvado millones de vidas. Se encuentran entre los mejores antibióticos conocidos para combatir las infecciones bacterianas y representan más del 50% del arsenal contemporáneo disponible. Su mecanismo de acción único se dirige a la pared celular bacteriana.

«La resistencia antimicrobiana es una de las más serias amenazas a la salud hoy en día a nivel mundial. Las infecciones causadas por bacterias resistentes son hoy muy comunes y son especialmente graves en algunas bacterias capaces de resistir a múltiples clases de antibióticos. La falta de eficacia de los antibióticos incapacita nuestra manera de luchar contra las enfermedades infecciosas y las complicaciones comunes en pacientes sometidos a quimioterapia en tratamientos de cáncer, diálisis o en operaciones quirúrgicas, especialmente en aquellas de trasplante de órganos para las cuales la capacidad de tratar estas infecciones secundarias es vital». Hermoso coordina un grupo de científicos que pretende desentrañar cuales son las bases moleculares de los mecanismos de resistencia a los antibióticos en patógenos multirresistentes. «Queremos comprender en detalle qué hace a esas bacterias resistentes y cómo se han desarrollado, cómo han evolucionado, esos mecanismos de resistencia. Para ello utilizamos técnicas frontera de determinación estructural como la difracción de rayos X, la microscopía electrónica y ahora también la nanocristalografía, la técnica que ayuda a comprender el por qué de las cosas, un mapeo a nanoescala, del funcionamiento molecular.

El aumento de la resistencia de los patógenos bacterianos a los antibióticos beta-lactámicos y en particular a los carbapenémicos, constituye una importante amenaza para la salud pública. «Se sabe poco sobre los principios que rigen la evolución de la resistencia intrínseca a los beta-lactámicos en las cepas no patógenas, desde donde puede transmitirse a las bacterias patógenas susceptibles a través de elementos genéticos móviles. Una pregunta importante al respecto es: ¿Existe un reservorio de enzimas promiscuas en los genomas de las bacterias que puedan ser modificadas para convertirse en enzimas que eliminen antibióticos beta-lactámicos?». Un análisis y una pregunta compleja para el resto de los mortales, pero cuyo descubrimiento podría significar una nueva era post antibióticos.

El grupo acaba de recibir una financiación con un importante proyecto Sinergia de la Swiss National Science Foundation (SNSF) donde quieren responder a esta cuestión. El consorcio que ejecutará el trabajo incluye a Patrick Viollier de la Universidad de Ginebra, que llevará a cabo los estudios microbiológicos; Matteo Dal Peraro, de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (CH) (biofísico experto en modelización y simulaciones multiescala en sistemas bacterianos) y el grupo de Hermoso del CSIC de Madrid que llevará a cabo todos los estudios estructurales.

«En este proyecto rastrearemos la evolución molecular de la resistencia a los beta-lactámicos conferida por las metalo-beta-lactamasas de amplio espectro, un tipo de enzimas capaces de inactivar los antibióticos beta-lactámicos, incluso los de último recurso como son los antibióticos carbapenémicos. En concreto, investigarán si las metalo-beta-lactamasas pueden evolucionar a partir de una familia común de enzimas (glioxalasas) presentes en todas las bacterias y que podrían ser los ancestros de las metalo-beta-lactamasas (MBL). También investigaremos cuál es o podría ser la función intrínseca de estas enzimas, razonando que probablemente escinden sustratos que se asemejan a los antibióticos beta-lactámicos. Dado que las beta-lactamasas están diseñados para inhibir las enzimas de biosíntesis de la pared celular bacteriana (peptidoglicano, PG) y, por tanto, son estructuralmente similares al precursor de PG, probaremos la idea de que las MBL cumplen una función basal en la bacteria, escindiendo productos de PG o sustratos similares». En concreto, este trabajo iluminará sobre la estructura y la función de las metalo-beta-lactamasas, los principios de la evolución de la enzima y las posibles formas de activar el sitio activo en las metalo-beta-lactamasas de tipo B3 de los patógenos y, posiblemente, en todos los tipos de metalo-beta-lactamasas». Todo un complejo lenguaje científico que, en definitiva busca conocer la estructura interna de las bacterias para saber por qué se vuelven resistentes a los antibióticos más utilizados para combartirlas, una cuestión que todavía no se ha resuelto en ningún laboratorio y cuyo conocimiento está a punto de quedar al descubierto por el trabajo y la metodología utilizada por el equipo de este leonés. «La pregunta de cómo han evolucionado las enzimas metalo-beta-lactamasas desde una función de mantenimiento intrínseca en la bacteria hasta llegar a escindir una amplia gama de antibióticos beta-lactámicos es sofisticada y todavía poco conocida a nivel atómico. Por lo tanto, es crucial resolver estos problemas científicos, especialmente en la era actual de descubrimiento limitado de antibióticos y de infecciones bacterianas amenazantes»

Instalación de la línea de nonocristalografía en el XFEL europeo.  DL

Apoyándose en un enfoque multidimensional que aprovecha la cristalografía de rayos X, el modelado y las simulaciones moleculares, y los datos funcionales procedentes de exhaustivos análisis genéticos y mutacionales, esperan dar grandes pasos hacia la comprensión de esta evolución y el origen de la resistencia en metalo-beta-lactamasas de clase B3. «Los miembros de esta clase de enzimas suelen estar codificados cromosómicamente en muchas bacterias ambientales, pero también en patógenos oportunistas, por lo que representan la forma ancestral de estas enzimas que han ido evolucionando hasta aquirir propiedades intrínsecas de resistencia hacia los antibióticos beta-lactámicos».

El equipo desentrañará los determinantes y el ritmo molecular de la resistencia a los antibióticos, especialmente contra los beta-lactámicos y, en particular, contra los carbapenémicos, uno de los antibióticos de primera línea para tratar las infecciones bacterianas multirresistentes. «Nuestro principal objetivo es investigar cómo la resistencia intrínseca a los antibióticos emerge desde un reservorio genómico de enzimas promiscuas que cumplen otras funciones generales (de mantenimiento de la bacteria) y que son reutilizadas como enzimas para proteger contra antibióticos letales. Uno de estos candidatos es la superfamilia GloB. que son ancestros filogenéticos (de la misma familia) de las metalo-be-lactamasas codificados cromosómicamente»

La caracterización estructural desentrañará por qué los antibióticos monobactámicos son, hasta ahora, los únicos beta-lactámicos que son poco escindidos por las metalo-beta-lactamasas B3. Dado que los monobactámicos, como el aztreonam, se utilizan a menudo como uno de los beta-lactámicos de último recurso, «nuestros esfuerzos sobre lo fácil o difícil que es evolucionar las metalo-beta-lactamasas hacia enzimas que escinden el aztreonam tendrán un importante impacto clínico».

Hermoso destaca que la mayoría de las grandes empresas farmacéuticas ya no invierten en la investigación de antibióticos e inhibidores, debido al alto coste y bajo rendimiento de la concesión de licencias de estos medicamentos y a su largo desarrollo, por lo que insta a las instituciones públicas a mantener y aumentar los esfuerzos de investigación sobre la resistencia a los beta-lactámicos para llegar a nuevos conceptos que permitan parar la resistencia, su propagación y evolución. «Los conocimientos proporcionados por este proyecto serán la base de las campañas de diseño de fármacos basados en la estructura que pueden proporcionar nuevos compuestos potenciales para el futuro desarrollo antimicrobiano».

En resumen, el impacto de la investigación tiene tres niveles principales. Por un lado, la disección molecular de metalo-beta-lactamasas B3 poco estudiados para entender la (in) actividad sobre carbapenémicos y monobactámicos. También se quiere desentrañar los principios y el ritmo de la evolución de las proteínas y la adquisición de actividad especializada de una enzima, permitiendo en última instancia la predicción de metalo-beta-lactamasas. Por último, la investigación establecerá la función original de las metalo-beta-lactamasas y cómo explotarla como talón de Aquiles para combatir las bacterianos mediante el uso de nuevas moléculas especialmente dirigidas contra ellas.

Nanocristalografía

Uno de los patógenos más serios asociado a los hospitales es la bacteria Staphylococcus aureus (SARM), que actualmente representa un gran problema mundial tanto en el ámbito clínico como en el comunitario. Existen varias cepas resistentes a una amplia gama de antibióticos beta-lactámicos, conocidas como S. aureus resistente a la meticilina. Los antibióticos beta-lactámicos bloquean enzimas de la síntesis de la pared celular bacteriana y producen la muerte de la bacteria. Sin embargo, SARM tiene una proteína especial para la síntesis de la pared, llamada PBP2a, que es inmune a los beta-lactámicos. «En los últimos años hemos publicado la estructura cristalina de PBP2a en complejo con ceftarolina, uno de los pocos antibióticos disponibles para el tratamiento de infecciones por SARM. Hemos identificado un sitio de unión alostérico es decir, un sitio muy lejano al sitio activo de la enzima pero capaz de controlar su activación. Una vez ocupado el sitio alostérico por ciertas moléculas, se dispara un cambio que culmina en la apertura del sitio activo para permitir la entrada del sustrato. En una serie de diferentes investigaciones, hemos caracterizado este mecanismo alostérico, sus implicaciones en la clínica y el desarrollo de una nueva familia de antibióticos contra el SARM.

Hasta el momento hemos podido caracterizar el estado inicial y final de este mecanismo alostérico pero ahora pretendemos ir más lejos y caracterizar, en tiempo real, todos los cambios estructurales en PBP2a cuando se dispara el mecanismo alostérico». Para ello harán uso de los llamados láseres de electrones libres de rayos X (XFEL: X-ray Free Electron Laser). Los XFEL son grandes aceleradores lineales (unos pocos kilómetros de longitud) capaces de generar pulsos de luz de rayos X muy potentes (millones de veces mas potentes que los sincrotrones convencionales) y de una duración que es mil millones de veces más rápida que el parpadeo del ojo humano. «La aparición de los XFEL ha permitido el surgimiento de un apasionante avance científico técnico: la cristalografía en serie de femtosegundo de resolución temporal. Una de las grandes ventajas de esta técnica es la posibilidad de estudiar procesos biológicos en tiempo real, a partir de nano cristales, mediante lo que se conoce como ‘películas moleculares’, para resolver problemas acuciantes de la biotecnología y la biomedicina actual tales como la resistencia a antibióticos». El equipo aplicará esta técnica para desentrañar el mecanismo de regulación alostérica de la PBP2a mediante la determinación estructural de los intermedios de reacción involucrados en el proceso de inhibición de esta encima con sus sustratos e inhibidores. El objetivo es usar la información estructural para avanzar en el diseño y desarrollo de nuevos antibióticos.