Frontiers in Molecular Biosciences

As bactérias resistentes aos antibióticos são responsáveis por milhões de infecções difíceis de tratar anualmente. Desde que os “medicamentos milagrosos” antibióticos foram introduzidos pela primeira vez no uso clínico, a resistência tem seguido de perto; mais recentemente, este problema tem sido muito exacerbado pelo seu uso extensivo na medicina e na agricultura, combinado com a notável capacidade das populações bacterianas de evoluir rapidamente e trocar material genético. O aumento da resistência às drogas múltiplas (MDR), juntamente com a diminuição da disponibilidade de tratamentos recentemente aprovados ou em desenvolvimento, ameaça alterar fundamentalmente a nossa capacidade de tratar infecções. Se as previsões mais pessimistas de uma futura “era pós-antibióticos” se tornarão realidade nas próximas décadas, dependerá das ações tomadas no presente. Este tópico de pesquisa reúne artigos que destacam as recentes contribuições da biologia estrutural e abordagens relacionadas ao nosso entendimento da resistência aos antibióticos e adaptações utilizadas pelas bactérias contra medicamentos que visam estruturas celulares chave, complexos ou caminhos, bem como os esforços de desenvolvimento de medicamentos para combater esses mecanismos de resistência. Novos insights a partir dessas abordagens provavelmente serão críticos em futuros esforços para desenvolver estratégias para superar os mecanismos de resistência existentes e para identificar alvos para o desenvolvimento de novos antibióticos.

Bombas e Transportadores Efflux

Os conjuntos tripartites construídos em torno da família de resistência à divisão de nodulação e resistência (RND) de transportadores secundários movidos a prótons desempenham um papel proeminente de MDR em bactérias Gram-negativas. Embora as montagens RND tenham sido um foco de um Tópico de Pesquisa de Fronteiras dedicado recentemente (Vargiu et al., 2016), sua biologia estrutural é uma das direções de avanço mais rápido dentro do campo MDR e dois importantes estudos experimentais são relatados dentro desta coleção.

First, Zwama et al. usam a cristalografia de raios X para dissecar o papel do chamado loop de elevação, localizado na borda da hélice transmembrana 8 e no subdomínio PC2, no membro prototípico da família RND AcrB. Este estudo demonstra como a transição aleatória da bobina para a hélice 9-COPY9 leva à abertura e fechamento da entrada do canal de drogas. De forma crucial, este trabalho elucida uma das últimas áreas problemáticas remanescentes em relação ao ciclo funcional da bomba RND, a saber, a transdução de energia e o acoplamento conformacional entre as regiões remotas dos transmissores RND.

Uma outra questão persistente dentro do campo RND é a base estrutural para a aparente especificidade de substrato amplo proporcionada por estas bombas. Ramaswamy et al. abordam esta questão usando simulações de dinâmica molecular dos importantes transportadores RND MexB e MexY da Pseudomonas aeruginosa. Este estudo caracteriza as bolsas de ligação potencial destes transportadores e seus substratos que, através do uso inovador da análise de complementaridade eletrostática, permite aos autores revelar as principais diferenças entre estes transportadores. É importante ressaltar que este primeiro estudo comparativo dos principais transportadores de P. aeruginosa sugere que a bolsa de ligação profunda do conformador tight desempenha um papel central na seletividade do substrato.

Embora o papel dos transportadores RND em assembléias efluxos e tripartites tenha sido extensivamente estudado, até recentemente, muito menos se sabia sobre a organização estrutural dos membros da família dos transportadores ABC que participam das assembléias tripartites. Uma ampla revisão feita por Greene et al. sintetiza os recentes avanços na estrutura e função da família MacB dos transportadores ABC, que formam assembléias tripartites únicas com um papel na exportação de efluxo macrólido e proteínas. Os autores fornecem um novo e tentador modelo de mecanotransmissão funcional e discutem as ligações com sistemas tripartites homólogos de outras bactérias patogênicas, que de forma semelhante exportam moléculas de sinalização protéica, fatores de virulência e sideróforos.

A regulação genética das bombas de efluxo é um mecanismo chave de resistência, com seus reguladores transcripcionais associados surgindo como alvos terapêuticos promissores, e ainda assim, esta continua sendo uma das áreas menos bem compreendidas na MDR. Para preencher esta lacuna, Issa et al. fornecem uma revisão abrangente do recente progresso na biologia estrutural das famílias reguladoras em P. aeruginosa, incluindo os reguladores dos sistemas de um componente das famílias TetR, LysR, MarR, AraC e sistemas de dois componentes (TCS) dos reguladores. Em um trabalho relacionado, Milton et al., combinam modelagem molecular com estudos bioquímicos e celulares para propor um mecanismo potencial de interação entre reguladores de resposta TCS e compostos 2-aminoimidazólicos que podem inibir a formação de biofilme bacteriano, dispersar biofilmes pré-formados e re-sensibilizar bactérias MDR a antibióticos. Este estudo foca dois patógenos importantes, Acinetobacter baumannii e Francisella tularensis, e fornece novos insights promissores sobre esta nova via terapêutica em potencial.

Alterações da parede celular

O complexo papel desempenhado pela estrutura celular bacteriana, e particularmente o componente lipídico A (endotoxina) da camada externa da membrana lipopolissacarídeo (LPS), na modulação da susceptibilidade bacteriana aos antimicrobianos hospedeiros, tais como peptídeos catiónicos antimicrobianos, está sujeito a uma revisão aprofundada por Kahler et al. O papel do LPS na patogênese bacteriana e na evasão imunológica tem sido recentemente o foco de maior atenção e este trabalho fornece um resumo oportuno do conhecimento dos efeitos da decoração com fosfoetanolamina do lipídio A em cepas patogênicas de Neisseria e do potencial de direcionamento da enzima EptA responsável por propósitos terapêuticos.

Uma outra forma de as bactérias se protegerem contra agentes externos é através da alteração da parede celular do peptidoglicano (PG) e um exemplo bem conhecido é a substituição da moiety D-Ala do PG pelo D-lacttate para conferir resistência à vancomicina nos enterocococos. Em seu artigo de revisão, Yadav et al. explicam como várias modificações químicas ao PG ajudam a defender as bactérias contra antimicrobianos gerados pelo hospedeiro, tais como lisozima e outras enzimas hidrolíticas, assim como antibióticos. Tais conhecimentos podem ajudar a orientar novas abordagens terapêuticas que enfraquecem a parede celular bacteriana e aumentam a susceptibilidade aos antibióticos existentes.

Ribosome-Targeting Antibiotics and Resistance Mechanisms

Ribosomas são os complexos essenciais de proteínas RNA responsáveis pela síntese de proteínas em todas as células. No entanto, aspectos únicos do ribossoma bacteriano permitem antibióticos específicos que interferem com todos os aspectos da função do ribossoma. Estes medicamentos quimicamente diversos têm sido um componente importante do nosso arsenal clínico por muitas décadas e três artigos aqui focam sua ação e mecanismos de resistência associados.

Polikanov et al. fornecem uma revisão detalhada dos antibióticos peptídeos alvo do ribossomo, com ênfase específica na interação de cada medicamento com a subunidade pequena (30S) ou grande (50S) do ribossomo e mecanismo de ação. A acumulação de informações sobre estes antibióticos, incluindo as estruturas de alta resolução dos fármacos ribossómicos, oferece oportunidades para desenvolver antibióticos melhorados, da próxima geração com maior actividade e, através da modificação das regiões dispensáveis para a inactivação dos ribossómicos, melhorias noutras propriedades como a absorção/retenção ou redução da toxicidade.

Markley e Wencewicz descrevem os mecanismos conhecidos de resistência às tetraciclinas, fármacos que estão em uso clínico há mais de 60 anos. A resistência via efluxo, modificação do ribossomo e a ação das proteínas protetoras do ribossomo estão bem estabelecidas, mas seus efeitos têm sido combatidos com sucesso através do desenho de gerações mais recentes de tetraciclinas, como a tigeciclina. No entanto, estas drogas estão agora também ameaçadas pelo surgimento das enzimas ativadoras da tetraciclina, que são o foco principal desta revisão. Da mesma forma, Golkar et al. descrevem as estruturas químicas, mecanismos de ação e resistência de uma segunda grande classe de drogas, os macrolídeos, que se ligam no túnel de saída do peptídeo. Como as tetraciclinas, os macrólidos estão sujeitos à resistência via efluxo, modificação ou mutação do ribossomo e proteínas de proteção. Além disso, sua eficácia também é ameaçada por macrólidos modificando as enzimas fosfotransferase e esterase, cujas estruturas e atividades são o foco principal desta revisão abrangente.

Sulfonamidas e β-lactamases: Resistência e Fronteiras no Desenvolvimento de Drogas

Drogas sulfonamidas foram introduzidas pela primeira vez na década de 1930 e têm uma longa história de eficácia contra doenças bacterianas. Estas drogas inibem a dihidropteroate sintetase bacteriana (DHPS) por imitar um de seus substratos, o ácido para-aminobenzóico (PABA). As mutações na DHPS causam resistência às sulfonamidas mas o seu mecanismo é muitas vezes desconhecido. Griffith et al. identificam cinco mutações de DHPS associadas à resistência à sulfonamida em Staphylococcus aureus e investigam seus impactos sobre a suscetibilidade e aptidão à cepa, e cinética enzimática. Três das mutações contribuem para a resistência através do bloqueio estéreo do anel externo de sulfonamidas, enquanto as outras duas aumentam a aptidão da estirpe. O trabalho revela uma fraqueza crítica das sulfonamidas com implicações no design do medicamento: as mutações de resistência visam a parte do antimicrobiano que é mais importante para sua eficácia.

Discussão da resistência antimicrobiana não estaria completa sem a menção de β-lactamases, um mecanismo comum de resistência em bactérias, incluindo os patógenos ESKAPE. Estas enzimas hidrolisam os antibióticos β-lactam antes de alcançarem seus alvos moleculares, as chamadas proteínas ligantes à penicilina. Em sua revisão, Palzkill explica a base molecular para as diferentes especificidades de três importantes grupos de enzimas da Classe A β-lactamases (as enzimas TEM, CTX-M e KPC) para oxamino-cefalosporinas. Ele destaca as mutações que aumentam a heterogeneidade conformacional dentro dos locais ativos dessas enzimas para acomodar as cefalosporinas e a existência de mutações supressoras globais em outras partes da proteína para compensar a perda de estabilidade. Finalmente, em sua revisão, van den Akker e Bonomo descrevem extensos esforços de vários grupos para desenvolver inibidores de lactamase β, incluindo cinco aprovados para uso clínico. Eles enfatizam o sucesso de estratégias que exploram aspectos específicos do mecanismo enzimático no desenho desses agentes antimicrobianos críticos.

Author Contributions

Todos os autores listados fizeram uma contribuição substancial, direta e intelectual ao trabalho, e o aprovaram para publicação.

Funding

Pesquisa relacionada nos laboratórios dos autores é apoiada pelos National Institutes of Health grants R01-GM066861 (para CD) e R01-AI088025 (para GC), e BBSRC grant BB/N002776/1 e Wellcome Trust grant 108372/A/15/Z (para VB).

Conflict of Interest Statement

Os autores declaram que a pesquisa foi conduzida na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que pudessem ser interpretadas como um potencial conflito de interesses.

Acknowledgments

Desejamos transmitir nossa apreciação a todos os autores que participaram deste tópico de pesquisa, bem como aos muitos revisores por seus comentários perspicazes.