Cada año en los EE. UU., al menos 23, 000 personas mueren por infecciones causadas por bacterias resistentes a los antibióticos, según los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades.

Usando modelado por computadora, Los investigadores de Sandia National Laboratories y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign están ayudando a desarrollar los medios para prevenir algunas de esas muertes.

Una forma en que las bacterias desarrollan resistencia a muchos antibióticos diferentes es produciendo bombas que escupen moléculas pequeñas desconocidas. como los antibióticos, antes de que puedan causar algún daño. Los investigadores desentrañaron los detalles de cómo funciona una bomba de antibióticos.

El objetivo final es desarrollar nuevos medicamentos para conectar la bomba de modo que no pueda escupir antibióticos. quizás restaurando su efectividad, dijo Susan Rempe, Sandia biofísica computacional. Ella añadió, "Ahora que tenemos la estructura de la bomba y sabemos cómo funciona, los científicos pueden diseñar una molécula que se adhiera firmemente al transportador. Creo que es factible a corto plazo tal vez cinco años ".

Esta investigación fue publicada recientemente en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Refinando datos para determinar la estructura detallada de la bomba

Los investigadores de bombas específicas estudiaron, llamado EmrE, viene de E. coli , Bacterias comunes que ocasionalmente causan intoxicación alimentaria. La bomba reconoce y elimina moderadamente aceitosos, moléculas pequeñas con carga positiva, dijo Josh Vermaas, un ex estudiante de posgrado de Illinois cuyo trabajo con Rempe fue apoyado a través del Programa Ejecutivo del Campus de Sandia. Muchos antibióticos comunes, incluida la estreptomicina, la doxiciclina y el cloranfenicol son aceitosos y cargados positivamente.

Su primer paso fue determinar una estructura detallada de la bomba. La estructura inicial de la bomba era muy tosca, falta gran parte de los detalles químicos esenciales, y deforme, Dijo Vermaas. Rempe agregó que puede ser particularmente difícil obtener buenos datos estructurales de transportadores de medicamentos como EmrE porque son flexibles. Imagínese tener que tomar una foto de un niño pequeño que se retuerce con una cámara lenta:la foto resultante es más borrosa que una semejanza exacta.

Combinaron datos experimentales de una variedad de métodos biofísicos comunes, como la cristalografía de rayos X, microscopía crioelectrónica y espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica, así como décadas de conocimiento de las disposiciones internas más probables de los aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas, para producir una estructura de alta resolución de la bomba.

"El gran avance fue cómo podríamos tomar datos estructurales deficientes de experimentos y masajearlos para obtener una estructura mejorada con la que pudiéramos trabajar para comprender el mecanismo de la bomba, "dijo Rempe.

El modelado molecular revela el "bloqueo" y el mecanismo de la bomba

Una vez que tuvieron la estructura detallada de la bomba, comenzó el verdadero trabajo.

Primero, el equipo agregó una membrana lipídica para modelar el entorno del mundo real de la bomba. Luego, ejecutaron simulaciones por computadora para ver cómo se ve la bomba con cero, uno o dos protones. Dejar entrar dos protones es la batería que alimenta esta bomba. Hicieron simulaciones para ver la transición de la proteína que mira hacia el interior de la bacteria hacia el exterior con el fin de encontrar el camino "más fácil" y así ver cómo funciona la bomba. Modelar este "cambio" tomó más de 80, 000 horas de procesamiento informático.

También realizaron simulaciones para ver cómo se ve la bomba con un fármaco de ejemplo en el bolsillo de unión al fármaco. Rempe dijo que encontraron mucha flexibilidad en el bolsillo donde se unen los antibióticos, lo cual tiene sentido dado que la bomba puede reconocer una amplia variedad de medicamentos. También identificaron algunos aminoácidos críticos que sirven como un bloqueo para asegurarse de que la bomba no suelte los protones de cualquier manera.

"La resistencia a los antibióticos es un problema importante. El 'bloqueo' de la bomba es lo que hace que este transportador funcione. Con este conocimiento, En el futuro, podemos desarrollar nuevos antibióticos que no se bombeen o rompan el bloqueo en EmrE, ", dijo Vermaas." Si descubrimos cómo romper la bomba para que no esté regulada y se filtren protones, esa sería una nueva forma de matar bacterias ".

Investigación adicional sobre la lucha contra la resistencia a los antimicrobianos

Además de su trabajo en bombas de antibióticos, Rempe también ha modelado una proteína que transporta las toxinas del ántrax a las células huésped donde causan estragos. permitiendo que la bacteria Bacillus anthracis prospere y cause ántrax. Rempe y sus colaboradores, incluyendo Sandia postdoc Mangesh Chaudhari, determinó los mecanismos moleculares de cómo estas toxinas ingresan a la célula huésped y desarrolló un tapón para bloquear este proceso. El bioingeniero de Sandia, Anson Hatch, dirigió un equipo que fabricó y probó el enchufe.

En un proyecto de tres años financiado por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio (LDRD) de Sandia, Rempe también está liderando estudios de un nuevo antimicrobiano llamado teixobactina. La teixobactina bloquea la producción de la pared celular bacteriana de una manera única a la que es difícil que las bacterias desarrollen resistencia. Ella y sus colaboradores de Sandia e Illinois están utilizando simulaciones y experimentos por computadora para comprender cómo funciona el antimicrobiano para hacerlo más potente y de acción más amplia. Publicaron sus hallazgos iniciales en Ciencia química , revelando dos formas en que el fármaco se adhiere a moléculas de grasa especializadas en las membranas bacterianas. La unión obstruye la construcción de las paredes celulares protectoras de las bacterias.

Aunque es un desafío para las bacterias grampositivas, como Staphylococcus aureus, para cambiar la forma en que forman su pared celular para desarrollar resistencia a la teixobactina, el antimicrobiano todavía se puede extraer de las bacterias antes de que haga su daño, haciendo que la investigación de Rempe y Vermaas para comprender el mecanismo de las bombas de antibióticos sea relevante.

Rempe dijo, "El modelado de dinámica molecular tiene una resolución muy alta en el espacio y el tiempo, que no obtienes de otros experimentos. Podemos ver la dinámica a lo largo del tiempo en incrementos de una millonésima de una mil millonésima de segundo. También podemos ver fragmentos de un proceso que no se resuelve en experimentos y determinar qué estructuras químicas contribuyen al trabajo involucrado. Esto nos da una ventaja para aprender cómo funcionan los patógenos, y esa información puede conducir a nuevas terapias para contrarrestar esos patógenos ".