Configuración de irradiación para cambiar el modulador fotoconmutable de la comunicación bacteriana del isómero trans al isómero cis más activo. Crédito:Dusan Kolarski, Universidad de Groningen
Científicos de la Universidad de Groningen han logrado incorporar un interruptor controlado por luz en una molécula utilizada por las bacterias para detectar quórum, un proceso mediante el cual las bacterias se comunican y posteriormente controlan los procesos celulares. Con la molécula descrita, es posible inhibir o estimular la comunicación. Esto lo convierte en una herramienta muy útil para futuras investigaciones sobre la comunicación bacteriana y su influencia en diferentes vías genéticas. Los resultados fueron publicados el 15 de abril en la revista Chem .
Para responder a su entorno, las bacterias se comunican a través de una forma de señalización química llamada detección de quórum. Las células secretan una molécula señal y al mismo tiempo, controlar su concentración. A medida que más células secretan la molécula señal, puede superar un umbral de concentración y activar determinadas vías genéticas, por ejemplo, para producir toxinas o formar una biopelícula protectora.
Interruptor sensible a la luz
"Si pudiéramos influir en la detección de quórum, podríamos usarlo para tratar infecciones graves, ", dice el químico orgánico de la Universidad de Groningen, Mickel Hansen." Y también sería útil investigar cómo funciona exactamente la detección de quórum ". Para hacer esto, Sería útil tener un modulador de detección de quórum que pudiera controlarse externamente. Es por eso que Hansen y sus colegas del grupo de química orgánica sintética dirigido por el profesor Ben Feringa se propusieron construir un interruptor sensible a la luz en una molécula utilizada por las bacterias como señal para la detección de quórum.
La molécula está formada por una cabeza y una cola flexible a base de carbono conectadas a través de un enlazador β-ceto-amida. El plan era incorporar un interruptor en la cola. "Esto significaba que teníamos que conectar la cola modificada a la cabeza a través del enlace β-ceto-amida. Sin embargo, el proceso sintético para obtener este enlace produce un intermedio muy inestable, lo que hizo que fuera casi imposible sintetizar la molécula ".
La estructura de un modulador de detección de quórum fotoconmutable en su forma inactiva (trans) antes de la activación con luz. La cola de cuatro carbonos se representa a la izquierda (negro =carbono, blanco =hidrógeno). Motivo de azobenceno con el interruptor azo en el medio (azul =nitrógeno). En el lado derecho, el grupo de la cabeza polar está representado (rojo =oxígeno) con el motivo 3-oxo en el medio. Crédito:Wojciech Danowski, Universidad de Groningen
Biblioteca
Sobre la base de la amplia experiencia del grupo de química orgánica sintética del Instituto Stratingh de Química de la Universidad de Groningen, los investigadores encontraron una solución en forma de una nueva reacción de acoplamiento con un intermedio estabilizado. Usando este intermedio, pudieron sintetizar derivados fotoconmutables de una manera rápida y sencilla.
Hansen, junto con el estudiante de maestría Jacques Hille, produjo una biblioteca de 16 compuestos que tenían el potencial de actuar como agonistas o antagonistas de la detección de quórum. Todos estaban equipados con un interruptor de luz. Todos los compuestos se basan en una molécula que se utiliza en un sistema de detección de quórum particular en Pseudomonas aeruginosa, que tiene alrededor de cinco de estos sistemas de detección de quórum. En colaboración con biólogos moleculares del laboratorio del profesor de microbiología molecular Arnold Driessen, también en la Universidad de Groningen, los genes de uno de estos sistemas se transfirieron a una cepa indicadora de E. coli, permitiendo probar cualquier efecto de los compuestos recién sintetizados sin la interferencia de otros mecanismos de detección de quórum.
Producción de toxinas
Las pruebas de bioactividad en los compuestos obtenidos mostraron qué partes de la molécula eran cruciales para controlar la detección de quórum. El número óptimo de átomos de carbono que forman la cola parecía ser cuatro. Activar el interruptor con luz hizo que la cola se doblara. Notablemente, la cola recta no tuvo efecto, mientras que la cola doblada indujo la señal de detección de quórum. Hansen:"En general, parece que pequeños cambios en la molécula pueden tener un gran efecto en su actividad, pero aún no sabemos exactamente por qué ".
Encontraron un compuesto que podía inhibir fuertemente la señal de detección de quórum y, después de la irradiación con luz, que lleva a la flexión de la cola, para estimularla también fuertemente. La diferencia de actividad fue de más de 700 veces, que es enorme. "Una diferencia tan grande tiene, a nuestro conocimiento, nunca antes se había mostrado para moléculas bioactivas conmutadas por luz ".
Esta molécula en particular será una herramienta muy útil para investigar cómo se comunican las bacterias. "En el estudio, demostramos que podíamos controlar la producción de toxinas en una cepa de Pseudomonas con nuestro modulador conmutable. Esta será una herramienta poderosa para la investigación clínica y fundamental sobre el mecanismo de detección de quórum ".
