Frontiers in Molecular Biosciences

Bacteriile rezistente la antibiotice sunt responsabile de milioane de infecții greu de tratat anual. De când „medicamentele miraculoase” antibiotice au fost introduse pentru prima dată în utilizarea clinică, rezistența a urmat îndeaproape; mai recent, această problemă a fost mult exacerbată de utilizarea lor pe scară largă în medicină și agricultură, combinată cu capacitatea remarcabilă a populațiilor bacteriene de a evolua rapid și de a face schimb de material genetic. Creșterea rezistenței la mai multe medicamente (MDR), împreună cu scăderea disponibilității tratamentelor recent aprobate sau în curs de dezvoltare, amenință să modifice în mod fundamental capacitatea noastră de a trata infecțiile. Dacă cele mai pesimiste previziuni ale unei viitoare „ere post-antibiotice” vor deveni realitate în următoarele decenii va depinde de acțiunile întreprinse în prezent. Această temă de cercetare reunește articole care evidențiază contribuțiile recente ale biologiei structurale și ale abordărilor conexe la înțelegerea noastră privind rezistența la antibiotice și adaptările folosite de bacterii împotriva medicamentelor care vizează structuri, complexe sau căi celulare cheie, precum și eforturile de dezvoltare a medicamentelor pentru a contracara aceste mecanisme de rezistență. Noile perspective rezultate din astfel de abordări vor fi probabil esențiale în eforturile viitoare de a dezvolta strategii de depășire a mecanismelor de rezistență existente și de a identifica ținte pentru dezvoltarea de noi antibiotice.

Pompe de reflux și transportatori

Asamblările tripartite construite în jurul familiei Resistance-Nodulation-Division (RND) de transportatori secundari alimentați cu protoni joacă un rol proeminent în MDR la bacteriile Gram-negative. În timp ce ansamblurile RND au făcut obiectul unui recent subiect de cercetare dedicat Frontiers Research Topic (Vargiu et al., 2016), biologia structurală a acestora este una dintre direcțiile care avansează cel mai rapid în cadrul domeniului MDR și două studii experimentale importante sunt raportate în cadrul acestei colecții.

Primul, Zwama et al. utilizează cristalografia cu raze X pentru a diseca rolul așa-numitei bucle de ridicare, situată la granița dintre helixul transmembranar 8 și subdomeniul PC2, în membrul prototipic al familiei RND AcrB. Acest studiu demonstrează modul în care tranziția de la bobină aleatorie la helixα a acestei bucle duce la deschiderea și închiderea intrării canalului de intrare a medicamentului. În mod crucial, această lucrare elucidează una dintre ultimele zone problematice rămase în ceea ce privește ciclul funcțional RND-pompă, și anume transducția de energie și cuplarea conformațională între regiunile îndepărtate ale transportatorilor RND.

O altă întrebare persistentă în cadrul domeniului RND este baza structurală pentru aparenta specificitate largă a substratului oferită de aceste pompe. Ramaswamy et al. abordează această problemă folosind simulări de dinamică moleculară ale transportatorilor RND de importanță centrală MexB și MexY din Pseudomonas aeruginosa. Acest studiu caracterizează buzunarele de legare potențiale ale acestor transportatori și ale substraturilor lor care, prin utilizarea inovatoare a analizei complementarității electrostatice, le permite autorilor să dezvăluie diferențele cheie dintre acești transportatori. În mod important, acest prim studiu comparativ al principalilor transportatori de P. aeruginosa sugerează că buzunarul de legare profund al conformerului strâns joacă un rol central în selectivitatea substratului.

În timp ce rolul transportatorilor RND în eflux și în ansamblurile tripartite a fost studiat pe larg, până de curând, se știa mult mai puțin despre organizarea structurală a membrilor familiei de transportatori ABC care participă la ansambluri tripartite. O analiză amplă realizată de Greene et al. sintetizează progresele recente în ceea ce privește structura și funcția familiei MacB de transportatori ABC, care formează ansambluri tripartite unice cu rol în efluxul de macrolide și în exportul de proteine. Autorii oferă un model nou și atrăgător de mecanotransmisie funcțională și discută legăturile cu sistemele tripartite omoloage de la alte bacterii patogene, care exportă în mod similar molecule de semnalizare asemănătoare proteinelor, factori de virulență și siderofori.

Reglarea genetică a pompelor de eflux este un mecanism cheie de rezistență, regulatorii transcripționali asociați acestora apărând ca ținte terapeutice promițătoare și, cu toate acestea, acesta rămâne unul dintre domeniile cel mai puțin bine înțelese în MDR. Pentru a acoperi acest decalaj, Issa et al. oferă o trecere în revistă cuprinzătoare a progreselor recente în biologia structurală a familiilor de regulatori din P. aeruginosa, inclusiv a regulatorilor sistemului cu o singură componentă din familiile TetR, LysR, MarR, AraC, precum și a familiilor de regulatori din sistemele cu două componente (TCS). Într-o lucrare conexă, Milton et al. combină modelarea moleculară cu studii biochimice și celulare pentru a propune un potențial mecanism de interacțiune între regulatorii de răspuns TCS și compușii 2-aminoimidazolici care pot inhiba formarea biofilmelor bacteriene, dispersa biofilmele preformate și re-sensibiliza bacteriile MDR la antibiotice. Acest studiu se concentrează asupra a doi agenți patogeni importanți, Acinetobacter baumannii și Francisella tularensis, și oferă noi perspective promițătoare cu privire la această nouă cale terapeutică potențială.

Alterări ale peretelui celular

Rolul complex jucat de structura învelișului celular bacterian și, în special, de componenta lipidică A (endotoxină) a stratului exterior al membranei lipopolizaharidice (LPS), în modularea susceptibilității bacteriene la antimicrobienele gazdei, cum ar fi peptidele antimicrobiene cationice, face obiectul unei analize aprofundate de către Kahler et al. Rolul LPS în patogeneza bacteriană și în evaziunea imunologică a făcut recent obiectul unei atenții sporite, iar această lucrare oferă un rezumat oportun al cunoștințelor privind efectele decorării cu fosfotanolamină a lipidului A în tulpinile patogene de Neisseria și potențialul de a viza enzima EptA responsabilă în scopuri terapeutice.

O altă modalitate prin care bacteriile se protejează împotriva agenților externi este modificarea peretelui celular peptidoglican (PG) și un exemplu bine cunoscut este înlocuirea fracțiunii D-Ala din PG cu D-lactat pentru a conferi rezistență la vancomicină la enterococi. În articolul lor de sinteză, Yadav et al. explică modul în care diverse modificări chimice ale PG ajută la apărarea bacteriilor împotriva antimicrobienilor generați de gazdă, cum ar fi lizozimul și alte enzime hidrolitice, precum și a antibioticelor. Astfel de cunoștințe pot ajuta la orientarea unor noi abordări terapeutice care slăbesc peretele celular bacterian și sporesc sensibilitatea la antibioticele existente.

Antibioticele care țintesc ribozomii și mecanismele de rezistență

Ribosomii sunt complexe ARN-proteice esențiale responsabile de sinteza proteinelor în toate celulele. Cu toate acestea, aspecte unice ale ribozomului bacterian permit antibiotice specifice care interferează cu fiecare aspect al funcției ribozomului. Aceste medicamente diverse din punct de vedere chimic au fost o componentă majoră a arsenalului nostru clinic timp de multe decenii, iar trei articole de aici se concentrează pe acțiunea lor și pe mecanismele de rezistență asociate.

Polikanov et al. oferă o analiză detaliată a antibioticelor peptidice care țintesc ribozomul, cu accent specific pe interacțiunea fiecărui medicament cu subunitatea mică (30S) sau mare (50S) a ribozomului și pe mecanismul de acțiune. Acumularea de informații despre aceste antibiotice, inclusiv structurile de înaltă rezoluție ribozom-medicament, oferă oportunități de a dezvolta antibiotice îmbunătățite, de generație următoare, cu o activitate sporită și, prin modificarea regiunilor dispensabile pentru inactivarea ribozomului, îmbunătățiri ale altor proprietăți, cum ar fi absorbția/reținerea sau reducerea toxicității.

Markley și Wencewicz descriu mecanismele cunoscute de rezistență la tetracicline, medicamente care au fost utilizate în clinică timp de peste 60 de ani. Rezistența prin eflux, modificarea ribozomului și acțiunea proteinelor de protecție a ribozomului sunt bine stabilite, dar efectele lor au fost contracarate cu succes prin conceperea unor generații mai recente de tetracicline, cum ar fi tigeciclina. Cu toate acestea, aceste medicamente sunt, de asemenea, amenințate în prezent de apariția enzimelor care inactivează tetraciclinele, care constituie obiectul principal al acestei analize. În mod similar, Golkar et al. descriu structurile chimice, mecanismele de acțiune și rezistența pentru o a doua clasă majoră de medicamente, macrolidele, care se leagă în tunelul de ieșire a peptidelor. Ca și tetraciclinele, macrolidele sunt supuse rezistenței prin eflux, modificarea sau mutația ribozomului și proteinele de protecție. În plus, eficacitatea lor este, de asemenea, amenințată de enzimele macrolide modificatoare de fosfotransferază și de esterază, ale căror structuri și activități reprezintă obiectivul principal al acestei analize cuprinzătoare.

Sulfonamide și β-lactamaze: Resistance and Frontiers in Drug Development

Medicamentele sulfa (sulfonamide) au fost introduse pentru prima dată în anii 1930 și au o lungă istorie de eficacitate împotriva bolilor bacteriene. Aceste medicamente inhibă dihidropteroat sintetaza bacteriană (DHPS) prin imitarea unuia dintre substraturile sale, acidul para-aminobenzoic (PABA). Mutațiile în DHPS determină rezistența la sulfonamide, dar mecanismul acestora este adesea necunoscut. Griffith et al. identifică cinci mutații ale DHPS asociate cu rezistența la sulfonamide la Staphylococcus aureus și investighează impactul acestora asupra susceptibilității și aptitudinii tulpinilor, precum și asupra cineticii enzimei. Trei dintre mutații contribuie la rezistență prin blocarea sterilă a fracțiunii inelului exterior al sulfonamidelor, în timp ce celelalte două cresc capacitatea de rezistență a tulpinii. Lucrarea relevă o slăbiciune critică a sulfonamidelor, cu implicații pentru proiectarea medicamentelor: mutațiile de rezistență vizează partea antimicrobiană care este cea mai importantă pentru eficacitatea sa.

Discutarea rezistenței antimicrobiene nu ar fi completă fără menționarea β-lactamazelor, un mecanism comun de rezistență la bacterii, inclusiv la agenții patogeni ESKAPE. Aceste enzime hidrolizează antibioticele β-lactame înainte ca acestea să ajungă la țintele lor moleculare, așa-numitele proteine de legare a penicilinei. În recenzia sa, Palzkill explică bazele moleculare ale specificităților diferite ale celor trei grupuri importante de β-lactamaze de clasă A (enzimele TEM, CTX-M și KPC) pentru oxiamino-cefalosporine. El evidențiază mutațiile care sporesc eterogenitatea conformațională în cadrul situsurilor active ale acestor enzime pentru a acomoda cefalosporinele și existența mutațiilor supresoare globale în alte părți ale proteinei pentru a compensa pierderea de stabilitate. În cele din urmă, în recenzia lor, van den Akker și Bonomo descriu eforturile ample depuse de o serie de grupuri pentru a dezvolta inhibitori de β-lactamază, inclusiv cinci aprobate pentru utilizare clinică. Ei subliniază succesul strategiilor care exploatează aspecte specifice ale mecanismului enzimatic în proiectarea acestor agenți antimicrobieni esențiali.

Contribuții ale autorilor

Toți autorii enumerați au avut o contribuție substanțială, directă și intelectuală la lucrare și au aprobat-o pentru publicare.

Finanțare

Cercetarea conexă în laboratoarele autorilor este susținută de granturile National Institutes of Health R01-GM066861 (pentru CD) și R01-AI088025 (pentru GC), precum și de grantul BBSRC BB/N002776/1 și de grantul Wellcome Trust 108372/A/15/Z (pentru VB).

Declarație privind conflictul de interese

Autorii declară că cercetarea a fost efectuată în absența oricăror relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretate ca un potențial conflict de interese.

Recunoștințe

Dorim să transmitem aprecierea noastră tuturor autorilor care au participat la acest subiect de cercetare, precum și numeroșilor recenzenți pentru comentariile lor pătrunzătoare.

.