Fronteras en Biociencias Moleculares

Las bacterias resistentes a los antibióticos son responsables de millones de infecciones difíciles de tratar cada año. Desde que los «fármacos milagrosos» antibióticos se introdujeron por primera vez en el uso clínico, la resistencia les ha seguido de cerca; más recientemente, este problema se ha agravado en gran medida por su amplio uso en la medicina y la agricultura, combinado con la notable capacidad de las poblaciones bacterianas para evolucionar rápidamente e intercambiar material genético. El aumento de la resistencia a múltiples fármacos (MDR), junto con la disminución de la disponibilidad de tratamientos recientemente aprobados o en desarrollo, amenaza con alterar fundamentalmente nuestra capacidad para tratar las infecciones. Que las predicciones más pesimistas sobre una futura «era post-antibiótica» se hagan realidad en las próximas décadas dependerá de las medidas que se tomen en el presente. Este Tema de Investigación reúne artículos que destacan las recientes contribuciones de la biología estructural y enfoques afines a nuestra comprensión de la resistencia a los antibióticos y las adaptaciones utilizadas por las bacterias contra los fármacos dirigidos a estructuras, complejos o vías celulares clave, así como los esfuerzos de desarrollo de fármacos para contrarrestar estos mecanismos de resistencia. Es probable que los nuevos conocimientos obtenidos a partir de estos enfoques sean fundamentales para desarrollar estrategias que permitan superar los mecanismos de resistencia existentes e identificar objetivos para el desarrollo de nuevos antibióticos.

Bombas de flujo y transportadores

Los conjuntos tripartitos construidos en torno a la familia de transportadores secundarios accionados por protones Resistance-Nodulation-Division (RND) desempeñan un papel destacado en la MDR de las bacterias Gram negativas. Aunque los ensamblajes RND han sido objeto de un reciente tema de investigación en las fronteras (Vargiu et al., 2016), su biología estructural es una de las direcciones que avanzan más rápidamente en el campo de la MDR y en esta colección se presentan dos importantes estudios experimentales.

En primer lugar, Zwama et al. utilizan la cristalografía de rayos X para diseccionar el papel del llamado bucle de elevación, situado en la frontera de la hélice transmembrana 8 y el subdominio PC2, en el miembro prototípico de la familia RND, AcrB. Este estudio demuestra cómo la transición de bobina aleatoria a hélice alfa de este bucle conduce a la apertura y el cierre de la entrada del canal del fármaco. De manera crucial, este trabajo aclara una de las últimas áreas problemáticas que quedan en relación con el ciclo funcional de la bomba RND, a saber, la transducción de energía y el acoplamiento conformacional entre regiones remotas de los transportadores RND.

Otra cuestión persistente en el campo de las RND es la base estructural de la aparente amplia especificidad de sustrato que proporcionan estas bombas. Ramaswamy et al. abordan esta cuestión mediante simulaciones de dinámica molecular de los transportadores de RND MexB y MexY de Pseudomonas aeruginosa. Este estudio caracteriza los posibles bolsillos de unión de estos transportadores y sus sustratos que, mediante el uso innovador del análisis de complementariedad electrostática, permite a los autores revelar diferencias clave entre estos transportadores. Es importante destacar que este primer estudio comparativo de los principales transportadores de P. aeruginosa sugiere que el bolsillo de unión profundo del conformador estrecho desempeña un papel central en la selectividad del sustrato.

Aunque el papel de los transportadores RND en el eflujo y los ensamblajes tripartitos se ha estudiado ampliamente, hasta hace poco, se sabía mucho menos sobre la organización estructural de los miembros de la familia de transportadores ABC que participan en los ensamblajes tripartitos. Una amplia revisión de Greene et al. sintetiza los recientes avances en la estructura y función de la familia MacB de transportadores ABC, que forman conjuntos tripartitos únicos con un papel en el flujo de macrólidos y la exportación de proteínas. Los autores proporcionan un nuevo y tentador modelo de mecanotransmisión funcional y discuten los vínculos con sistemas tripartitos homólogos de otras bacterias patógenas, que exportan de forma similar moléculas de señalización similares a las proteínas, factores de virulencia y sideróforos.

La regulación genética de las bombas de eflujo es un mecanismo clave de resistencia, con sus reguladores transcripcionales asociados emergiendo como prometedoras dianas terapéuticas, y sin embargo, ésta sigue siendo una de las áreas menos comprendidas en la MDR. Para colmar esta laguna, Issa et al. ofrecen una revisión exhaustiva de los recientes avances en la biología estructural de las familias de reguladores de P. aeruginosa, incluidos los reguladores del sistema de un componente de las familias TetR, LysR, MarR y AraC, y las familias de reguladores de dos componentes (TCS). En un trabajo relacionado, Milton et al. combinan el modelado molecular con estudios bioquímicos y celulares para proponer un posible mecanismo de interacción entre los reguladores de respuesta TCS y los compuestos de 2-aminoimidazol que pueden inhibir la formación de biofilms bacterianos, dispersar los biofilms preformados y resensibilizar las bacterias MDR a los antibióticos. Este estudio se centra en dos patógenos importantes, Acinetobacter baumannii y Francisella tularensis, y proporciona nuevos y prometedores conocimientos sobre esta nueva vía terapéutica potencial.

Alteraciones de la pared celular

El complejo papel que desempeña la estructura de la envoltura celular bacteriana, y en particular el componente lipídico A (endotoxina) de la capa de la membrana externa del lipopolisacárido (LPS), en la modulación de la susceptibilidad bacteriana a los antimicrobianos del huésped, como los péptidos antimicrobianos catiónicos, es objeto de una profunda revisión por parte de Kahler et al. El papel del LPS en la patogénesis bacteriana y la evasión inmunológica ha sido recientemente objeto de una mayor atención y este trabajo proporciona un resumen oportuno de los conocimientos sobre los efectos de la decoración con fosfoetanolamina del lípido A en las cepas patógenas de Neisseria y el potencial de dirigirse a la enzima EptA responsable con fines terapéuticos.

Otra forma en que las bacterias se protegen contra los agentes externos es alterando la pared celular del peptidoglicano (PG) y un ejemplo bien conocido es la sustitución de la fracción D-Ala del PG por D-lactato para conferir resistencia a la vancomicina en los enterococos. En su artículo de revisión, Yadav et al. explican cómo diversas modificaciones químicas del PG ayudan a defender a las bacterias contra los antimicrobianos generados por el huésped, como la lisozima y otras enzimas hidrolíticas, así como los antibióticos. Este conocimiento puede ayudar a guiar nuevos enfoques terapéuticos que debiliten la pared celular bacteriana y aumenten la susceptibilidad a los antibióticos existentes.

Antibióticos dirigidos a los ribosomas y mecanismos de resistencia

Los ribosomas son los complejos ARN-proteína esenciales responsables de la síntesis de proteínas en todas las células. Sin embargo, aspectos únicos del ribosoma bacteriano permiten que haya antibióticos específicos que interfieran con cada aspecto de la función del ribosoma. Estos fármacos químicamente diversos han sido un componente importante de nuestro arsenal clínico durante muchas décadas y tres artículos se centran aquí en su acción y en los mecanismos de resistencia asociados.

Polikanov et al. ofrecen una revisión detallada de los antibióticos peptídicos dirigidos al ribosoma, con énfasis específico en la interacción de cada fármaco con la subunidad pequeña (30S) o grande (50S) del ribosoma y el mecanismo de acción. La acumulación de información sobre estos antibióticos, incluidas las estructuras de alta resolución del ribosoma y el fármaco, ofrece oportunidades para desarrollar antibióticos mejorados de próxima generación con mayor actividad y, mediante la modificación de regiones prescindibles para la inactivación del ribosoma, mejoras en otras propiedades como la captación/retención o la reducción de la toxicidad.

Markley y Wencewicz describen los mecanismos conocidos de resistencia a las tetraciclinas, fármacos de uso clínico desde hace más de 60 años. La resistencia a través del eflujo, la modificación de los ribosomas y la acción de las proteínas de protección de los ribosomas están bien establecidas, pero sus efectos se han contrarrestado con éxito mediante el diseño de generaciones más recientes de tetraciclinas, como la tigeciclina. Sin embargo, estos fármacos también se ven ahora amenazados por la aparición de las enzimas inactivadoras de las tetraciclinas, que son el objetivo principal de esta revisión. Asimismo, Golkar et al. describen las estructuras químicas, los mecanismos de acción y la resistencia de una segunda clase importante de fármacos, los macrólidos, que se unen en el túnel de salida del péptido. Al igual que las tetraciclinas, los macrólidos están sujetos a la resistencia a través del eflujo, la modificación o mutación del ribosoma y las proteínas de protección. Además, su eficacia también se ve amenazada por las enzimas fosfotransferasas y esterasas modificadoras de los macrólidos, cuyas estructuras y actividades son el principal objetivo de esta amplia revisión.

Sulfonamidas y β-lactamasas: Resistencia y fronteras en el desarrollo de fármacos

Las sulfamidas se introdujeron por primera vez en la década de 1930 y tienen una larga historia de eficacia contra las enfermedades bacterianas. Estos fármacos inhiben la dihidropteroato sintasa bacteriana (DHPS) imitando uno de sus sustratos, el ácido paraaminobenzoico (PABA). Las mutaciones en la DHPS causan resistencia a las sulfonamidas, pero su mecanismo suele ser desconocido. Griffith et al. identifican cinco mutaciones de la DHPS asociadas a la resistencia a las sulfonamidas en Staphylococcus aureus e investigan su impacto en la susceptibilidad y la aptitud de las cepas, así como en la cinética de la enzima. Tres de las mutaciones contribuyen a la resistencia al bloquear estéricamente la fracción de anillo exterior de las sulfonamidas, mientras que las otras dos aumentan la aptitud de la cepa. El trabajo revela una debilidad crítica de las sulfonamidas con implicaciones para el diseño de fármacos: las mutaciones de resistencia se dirigen a la parte del antimicrobiano que es más importante para su eficacia.

El debate sobre la resistencia a los antimicrobianos no estaría completo sin mencionar las β-lactamasas, un mecanismo común de resistencia en las bacterias, incluidos los patógenos ESKAPE. Estas enzimas hidrolizan los antibióticos β-lactámicos antes de que lleguen a sus objetivos moleculares, las llamadas proteínas de unión a la penicilina. En su revisión, Palzkill explica la base molecular de las diferentes especificidades de tres importantes grupos de β-lactamasas de clase A (las enzimas TEM, CTX-M y KPC) para las oxiamino-cefalosporinas. Destaca las mutaciones que aumentan la heterogeneidad conformacional dentro de los sitios activos de estas enzimas para acomodar las cefalosporinas y la existencia de mutaciones supresoras globales en otras partes de la proteína para compensar la pérdida de estabilidad. Por último, en su revisión, van den Akker y Bonomo describen los amplios esfuerzos realizados por varios grupos para desarrollar inhibidores de β-lactamasas, entre ellos cinco aprobados para uso clínico. Destacan el éxito de las estrategias que explotan aspectos específicos del mecanismo enzimático en el diseño de estos agentes antimicrobianos críticos.

Contribuciones de los autores

Todos los autores enumerados han realizado una contribución sustancial, directa e intelectual al trabajo, y lo han aprobado para su publicación.

Financiación

La investigación relacionada en los laboratorios de los autores cuenta con el apoyo de las subvenciones R01-GM066861 (a CD) y R01-AI088025 (a GC) de los Institutos Nacionales de Salud, y la subvención BB/N002776/1 del BBSRC y la subvención 108372/A/15/Z del Wellcome Trust (a VB).

Declaración de conflicto de intereses

Los autores declaran que la investigación se llevó a cabo en ausencia de cualquier relación comercial o financiera que pudiera interpretarse como un potencial conflicto de intereses.

Agradecimientos

Deseamos transmitir nuestro agradecimiento a todos los autores que participaron en este Tema de Investigación, así como a los numerosos revisores por sus perspicaces comentarios.