Frontiers in Molecular Biosciences

I batteri resistenti agli antibiotici sono responsabili di milioni di infezioni difficili da trattare ogni anno. Da quando gli antibiotici “farmaci miracolosi” sono stati introdotti per la prima volta nell’uso clinico, la resistenza li ha seguiti da vicino; più recentemente, questo problema è stato notevolmente esacerbato dal loro ampio uso in medicina e in agricoltura, combinato con la notevole capacità delle popolazioni batteriche di evolversi rapidamente e scambiare materiale genetico. L’aumento della resistenza multi-farmaco (MDR), insieme al declino della disponibilità di trattamenti appena approvati o in via di sviluppo, minaccia di alterare fondamentalmente la nostra capacità di trattare le infezioni. Se le previsioni più pessimistiche di una futura “era post-antibiotica” diventeranno realtà nei prossimi decenni dipenderà dalle azioni intraprese nel presente. Questo argomento di ricerca raccoglie insieme articoli che evidenziano i recenti contributi della biologia strutturale e approcci correlati alla nostra comprensione della resistenza agli antibiotici e adattamenti utilizzati dai batteri contro i farmaci che mirano a strutture cellulari chiave, complessi o percorsi, così come gli sforzi di sviluppo di farmaci per contrastare questi meccanismi di resistenza. Le nuove intuizioni di tali approcci saranno probabilmente critiche negli sforzi futuri per sviluppare strategie per superare i meccanismi di resistenza esistenti e per identificare gli obiettivi per lo sviluppo di nuovi antibiotici.

Pompe e trasportatori di efflusso

Le assemblee tripartite costruite intorno alla famiglia Resistance-Nodulation-Division (RND) di trasportatori secondari alimentati da protoni svolgono un ruolo prominente MDR nei batteri Gram-negativi. Mentre i gruppi RND sono stati al centro di un recente argomento di ricerca Frontiers dedicato (Vargiu et al., 2016), la loro biologia strutturale è una delle direzioni che avanzano più rapidamente all’interno del campo MDR e due importanti studi sperimentali sono riportati all’interno di questa raccolta.

In primo luogo, Zwama et al. usano la cristallografia a raggi X per dissezionare il ruolo del cosiddetto loop di sollevamento, situato al confine dell’elica transmembrana 8 e il sottodominio PC2, nel membro prototipico della famiglia RND AcrB. Questo studio dimostra come la transizione random coil-to-α-helix di questo loop porta all’apertura e alla chiusura dell’ingresso del canale di droga. Fondamentalmente, questo lavoro chiarisce una delle ultime aree problematiche rimaste per quanto riguarda il ciclo RND-pompa funzionale, vale a dire la trasduzione di energia e l’accoppiamento conformazionale tra regioni remote dei RND-trasportatori.

Un’altra domanda persistente nel campo RND è la base strutturale per l’apparente ampia specificità del substrato fornita da queste pompe. Ramaswamy et al. affrontano questo problema utilizzando simulazioni di dinamica molecolare dei RND-trasportatori MexB e MexY di Pseudomonas aeruginosa. Questo studio caratterizza le potenziali tasche di legame di questi trasportatori e dei loro substrati che, grazie all’uso innovativo dell’analisi di complementarità elettrostatica, permette agli autori di rivelare le differenze chiave tra questi trasportatori. Questo primo studio comparativo dei principali trasportatori di P. aeruginosa suggerisce che la profonda tasca di legame del conformatore stretto gioca un ruolo centrale nella selettività del substrato.

Mentre il ruolo dei trasportatori RND nell’efflusso e negli assemblaggi tripartiti è stato ampiamente studiato, fino a poco tempo fa, si sapeva molto meno sull’organizzazione strutturale dei membri della famiglia ABC-trasportatori che partecipano agli assemblaggi tripartiti. Un’ampia rassegna di Greene et al. sintetizza i recenti progressi nella struttura e nella funzione della famiglia MacB dei trasportatori ABC, che formano gruppi tripartiti unici con un ruolo nell’efflusso dei macrolidi e nell’esportazione delle proteine. Gli autori forniscono un nuovo modello allettante di meccanotrasmissione funzionale e discutono i collegamenti ai sistemi omologhi tripartiti di altri batteri patogeni, che similmente esportano molecole di segnalazione simili alle proteine, fattori di virulenza e siderofori.

La regolazione genetica delle pompe di efflusso è un meccanismo chiave di resistenza, con i loro regolatori trascrizionali associati che emergono come promettenti obiettivi terapeutici, e tuttavia, questo rimane uno dei settori meno ben compresi in MDR. Colmare questa lacuna, Issa et al., forniscono una revisione completa dei recenti progressi nella biologia strutturale delle famiglie di regolatori in P. aeruginosa, compresi i regolatori del sistema a una componente delle famiglie TetR, LysR, MarR, AraC, e due componenti sistemi (TCS) famiglie di regolatori. In un lavoro correlato, Milton et al. combinano la modellazione molecolare con studi biochimici e cellulari per proporre un potenziale meccanismo di interazione tra i regolatori di risposta TCS e i composti 2-aminoimidazoli che possono inibire la formazione di biofilm batterici, disperdere i biofilm preformati e risensibilizzare i batteri MDR agli antibiotici. Questo studio si concentra su due importanti patogeni, Acinetobacter baumannii e Francisella tularensis, e fornisce nuove intuizioni promettenti su questa potenziale nuova strada terapeutica.

Alterazioni della parete cellulare

Il complesso ruolo svolto dalla struttura dell’involucro cellulare batterico, e in particolare il componente lipidico A (endotossina) dello strato di membrana esterna del lipopolisaccaride (LPS), nel modulare la suscettibilità batterica agli antimicrobici dell’ospite come i peptidi antimicrobici cationici, è oggetto di una revisione approfondita da Kahler et al. Il ruolo dell’LPS nella patogenesi batterica e nell’evasione immunologica è stato recentemente al centro di una crescente attenzione e questo lavoro fornisce una sintesi puntuale delle conoscenze sugli effetti della decorazione fosfoetanolaminica del lipide A nei ceppi patogeni di Neisseria e sul potenziale di targeting dell’enzima EptA responsabile a fini terapeutici.

Un altro modo in cui i batteri si proteggono dagli agenti esterni è alterando il peptidoglicano (PG) della parete cellulare e un esempio ben noto è la sostituzione della parte D-Ala del PG con il D-lattato per conferire resistenza alla vancomicina negli enterococchi. Nel loro articolo di revisione, Yadav et al. spiegano come varie modifiche chimiche alla PG aiutano a difendere i batteri contro gli antimicrobici generati dall’ospite, come il lisozima e altri enzimi idrolitici, così come gli antibiotici. Tale conoscenza può aiutare a guidare nuovi approcci terapeutici che indeboliscono la parete cellulare batterica e aumentano la suscettibilità agli antibiotici esistenti.

Antibiotici mirati al ribosoma e meccanismi di resistenza

I ribosomi sono i complessi RNA-proteici essenziali responsabili della sintesi delle proteine in tutte le cellule. Tuttavia, aspetti unici del ribosoma batterico permettono l’uso di antibiotici specifici che interferiscono con ogni aspetto della funzione del ribosoma. Questi farmaci chimicamente diversi sono stati una componente importante del nostro arsenale clinico per molti decenni e tre articoli qui si concentrano sulla loro azione e sui meccanismi di resistenza associati.

Polikanov et al. forniscono una revisione dettagliata degli antibiotici peptidici mirati al ribosoma, con un’enfasi specifica sull’interazione di ogni farmaco con la piccola (30S) o grande (50S) subunità del ribosoma e il meccanismo di azione. L’accumulo di informazioni su questi antibiotici, comprese le strutture ad alta risoluzione del ribosoma-farmaco, offre l’opportunità di sviluppare antibiotici migliorati, di nuova generazione, con attività potenziata e, attraverso la modifica di regioni dispensabili per l’inattivazione del ribosoma, miglioramenti in altre proprietà come l’assorbimento/ritenzione o la ridotta tossicità.

Markley e Wencewicz descrivono i meccanismi noti di resistenza alle tetracicline, farmaci che sono stati in uso clinico per oltre 60 anni. La resistenza attraverso l’efflusso, la modifica del ribosoma e l’azione delle proteine di protezione del ribosoma sono ben noti, ma i loro effetti sono stati contrastati con successo attraverso la progettazione di generazioni più recenti di tetracicline come la tigeciclina. Tuttavia, anche questi farmaci sono ora minacciati dall’emergere degli enzimi che inattivano le tetracicline, che sono l’obiettivo principale di questa recensione. Allo stesso modo, Golkar et al. descrivono le strutture chimiche, i meccanismi d’azione e la resistenza di una seconda grande classe di farmaci, i macrolidi, che si legano nel tunnel di uscita del peptide. Come le tetracicline, i macrolidi sono soggetti a resistenza attraverso l’efflusso, la modifica o la mutazione del ribosoma e le proteine di protezione. Inoltre, la loro efficacia è anche minacciata dagli enzimi macrolidi che modificano le fosfotransferasi e le esterasi, le cui strutture e attività sono l’obiettivo principale di questa revisione completa.

Sulfonamidi e β-lattamasi: Resistenza e frontiere nello sviluppo dei farmaci

I sulfamidici sono stati introdotti per la prima volta negli anni ’30 e hanno una lunga storia di efficacia contro le malattie batteriche. Questi farmaci inibiscono la diidropteroato sintasi batterica (DHPS) imitando uno dei suoi substrati, l’acido para-aminobenzoico (PABA). Le mutazioni in DHPS causano resistenza ai sulfamidici, ma il loro meccanismo è spesso sconosciuto. Griffith et al. identificano cinque mutazioni di DHPS associate alla resistenza ai sulfamidici in Staphylococcus aureus e studiano il loro impatto sulla suscettibilità e fitness del ceppo e sulla cinetica dell’enzima. Tre delle mutazioni contribuiscono alla resistenza bloccando stericamente la parte esterna dell’anello dei sulfamidici, mentre le altre due aumentano la fitness del ceppo. Il lavoro rivela una debolezza critica dei sulfamidici con implicazioni per la progettazione di farmaci: le mutazioni di resistenza prendono di mira la parte dell’antimicrobico che è più importante per la sua efficacia.

La discussione sulla resistenza antimicrobica non sarebbe completa senza menzionare le β-lattamasi, un meccanismo comune di resistenza nei batteri, compresi i patogeni ESKAPE. Questi enzimi idrolizzano gli antibiotici β-lattamici prima che raggiungano i loro obiettivi molecolari, le cosiddette proteine leganti la penicillina. Nella sua recensione, Palzkill spiega le basi molecolari delle diverse specificità di tre importanti gruppi di β-lattamasi di classe A (gli enzimi TEM, CTX-M e KPC) per le ossiamino-cefalosporine. Egli evidenzia le mutazioni che aumentano l’eterogeneità conformazionale all’interno dei siti attivi di questi enzimi per accogliere le cefalosporine e l’esistenza di mutazioni soppressorie globali altrove nella proteina per compensare la perdita di stabilità. Infine, nella loro revisione, van den Akker e Bonomo descrivono i grandi sforzi di diversi gruppi per sviluppare inibitori delle β-lattamasi, compresi cinque approvati per uso clinico. Essi sottolineano il successo delle strategie che sfruttano aspetti specifici del meccanismo enzimatico nella progettazione di questi agenti antimicrobici critici.

Contributi degli autori

Tutti gli autori elencati hanno dato un contributo sostanziale, diretto e intellettuale al lavoro, e lo hanno approvato per la pubblicazione.

Finanziamento

La ricerca correlata nei laboratori degli autori è supportata dalle sovvenzioni del National Institutes of Health R01-GM066861 (a CD) e R01-AI088025 (a GC), e dalle sovvenzioni BBSRC BB/N002776/1 e Wellcome Trust 108372/A/15/Z (a VB).

Dichiarazione di conflitto di interessi

Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di relazioni commerciali o finanziarie che potrebbero essere interpretate come un potenziale conflitto di interessi.

Riconoscimenti

Vogliamo esprimere il nostro apprezzamento a tutti gli autori che hanno partecipato a questo argomento di ricerca, così come ai molti revisori per i loro profondi commenti.