La tularemia es una enfermedad rara pero a menudo letal. Es causada por uno de los patógenos más agresivos de la tierra, la bacteria Francisella tularensis. El microbio transportado por una variedad de animales e insectos, es capaz de entrar y atacar al cuerpo a través de una variedad de vías, resultando en diferentes constelaciones de síntomas y grados de severidad.

La tularemia sigue siendo poco conocida y no existe una vacuna segura y eficaz para la enfermedad. La extrema letalidad de F. tularensis y su potencial para ser aerosolizado también lo han convertido en un candidato a arma biológica. aumentando la urgencia de comprender la enfermedad y desarrollar tratamientos efectivos.

En un nuevo estudio, Los investigadores del Centro de Biodesign para el Descubrimiento Estructural Aplicado examinan una proteína de membrana clave responsable de la prodigiosa capacidad de la bacteria para infectar el cuerpo y causar enfermedades. Este factor de virulencia, conocido como Flpp3, se examina con un detalle sin precedentes con la ayuda de un láser de electrones libres de rayos X o XFEL, un potente y masivo acelerador de rayos X ubicado en el Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC, Stanford.

La tecnología XFEL utiliza destellos de rayos X brillantes y extremadamente cortos para sondear muestras cristalizadas de Flpp3, revelando la estructura detallada de la proteína como nunca antes. Al comparar la información estructural recopilada por los experimentos XFEL con el análisis estructural previo usando RMN, Los investigadores han desarrollado un modelo más completo de la forma elaborada de Flpp3. (Estudios anteriores han demostrado que cuando un gen que codifica Flpp3 está desactivado, los efectos del patógeno F. tularensis se reducen significativamente).

Los científicos esperan eventualmente utilizar esta información para desarrollar fármacos dirigidos capaces de desactivar las propiedades de virulencia de la proteína y proteger contra la tularemia. Los avances en la comprensión también podrían ayudar a los científicos a desarrollar una vacuna eficaz contra la enfermedad en el futuro. En la actualidad, solo existen vacunas vivas atenuadas para la tularemia, y los riesgos de infección y la inmunidad insuficiente asociados con este enfoque han impedido el uso de tales vacunas en los EE. UU.

El investigador de biodiseño, el Dr. James Zook, junto con los profesores Petra Fromme y Abhishek Singharoy en el Centro de Biodesign para el Descubrimiento Estructural Aplicado, dirigieron el nuevo estudio. A él se unen colegas internacionales, incluidos investigadores de DESY, SLAC, AstraZeneca, el Laboratorio Europeo de Biología Molecular en Grenoble, Francia, entre otros.

Petra Fromme, director del Center for Applied Structural Discovery explica la importancia de los resultados:"Este estudio combina, por primera vez, Técnicas XFEL de última generación con RMN y modelado molecular para desentrañar el gran espacio conformacional de Flpp3. El estudio desentraña diferentes conformaciones de esta importante proteína para la virulencia de la bacteria en la estructura XFEL y NMR, mostrando así la naturaleza altamente dinámica de Flpp3. Este estudio es tan emocionante, ya que muestra que coexisten conformaciones muy diferentes y se convierten entre sí en condiciones fisiológicas ".

Visualizando la virulencia

Utilizando datos estructurales detallados de RMN y nuevo análisis XFEL del factor de virulencia de tularemia, los investigadores identificaron un inhibidor potencial de Flpp3. Esta información se obtuvo de bibliotecas virtuales disponibles que contienen estructuras de fragmentos de fármacos. Próximo, un método de modelado basado en la física, conocida como dinámica molecular (MD), proporcionó información detallada sobre las fluctuaciones y cambios conformacionales de átomos y moléculas en la proteína ligada a la virulencia, ayudando a los investigadores a obtener una lectura más precisa de la estructura y el comportamiento de Flpp3.

"Este trabajo proporciona varias estructuras de resolución atómica de un importante factor de virulencia de la bacteria que causa la tularemia, "según la Dra. Debra Hansen, investigadora de Biodesign, coautor del nuevo estudio. Las configuraciones de proteínas identificadas ayudarán a los investigadores a buscar el diseño de fármacos basados ​​en la estructura que podrían ser eficaces contra la esquiva enfermedad. a través de la focalización e inhibición de Flpp3.

Como explica el coautor e investigador de biodiseño, el Dr. Abhishek Singharoy, el estudio es digno de mención por estar entre las primeras investigaciones de la flexibilidad conformacional de proteínas descubiertas con cristalografía de rayos X en serie de femtosegundos y RMN y confirmada mediante simulaciones de dinámica molecular (MD).

Los hallazgos del grupo aparecen en la edición actual de la revista Cell Press. Estructura .

Amenaza persistente

Tularemia también conocida como fiebre del conejo, es una enfermedad infecciosa rara, típicamente atacando los ojos, piel, ganglios linfáticos y pulmones tras una infección por la bacteria F. tularensis. La enfermedad es endémica en América del Norte, así como en muchas partes de Europa y Asia. aunque los casos de tularemia son poco comunes y los brotes en toda regla tienden a estar restringidos a regiones con saneamiento deficiente e inaccesibilidad a la atención médica moderna.

La tularemia afecta principalmente a los mamíferos, particularmente roedores, conejos y liebres, aunque a veces también infecta a las aves, oveja, y animales domésticos, incluidos los perros, gatos y hámsteres.

La enfermedad se puede transmitir a los humanos a través de picaduras de insectos y exposición directa a un animal infectado. La enfermedad es extremadamente contagiosa. Solo 10 células bacterianas pueden ser fatales y una sola bacteria puede ser suficiente para causar una infección. El organismo puede vivir durante semanas en el suelo, agua y animales muertos.

La tularemia se puede tratar eficazmente si se detecta a tiempo, aunque el régimen de tratamiento puede ser largo y complejo. La mayoría de los infectados con F. tularensis presentan síntomas en un plazo de tres a cinco días, aunque puede tardar hasta dos semanas.

La enfermedad existe en una variedad de formas con diferentes síntomas, dependiendo de cómo y dónde ingresan las bacterias al cuerpo. Estos incluyen tularemia ulceroglandular, la forma más común, que produce úlceras en la piel en el lugar de la infección, ganglios linfáticos inflamados y dolorosos, fiebre, escalofríos, dolor de cabeza y agotamiento.

Otras formas incluyen glandular, oculoglandular orofaríngeo neumónico, y tularemia tifoidea. Si no se trata, pueden sobrevenir una variedad de complicaciones graves de la enfermedad, incluyendo meningitis, inflamación de los pulmones, irritación alrededor del corazón e infección de los huesos.

Método de cristal

En el estudio actual, Se utiliza una técnica conocida como cristalografía de rayos X de femtosegundos en serie para sondear la estructura de la proteína Flpp3. Aquí, ráfagas de rayos X breves y brillantes, aproximadamente mil millones de veces más brillante que los rayos X convencionales, golpear un chorro de cristales "volando" a través del haz de rayos X. La intensa explosión de rayos X destruye los cristales, pero antes de hacerlo, crea un patrón de difracción en una pantalla. Los pulsos de rayos X son ultracortos, durando solo 40 femtosegundos, que superan el daño de los rayos X, permitiendo que los datos se recopilen a temperatura ambiente en condiciones casi fisiológicas. (1 fs =10 ^-15 segundos o una billonésima de segundo).

El ensamblaje de muchas de estas tomas de rayos X con la ayuda de computadoras permite el ensamblaje de un Estructura tridimensional de la proteína en estudio. Este llamado método de difracción antes de la destrucción fue iniciado por Henry Chapman en el Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) con el equipo de ASU bajo la dirección de John Spence y Petra Fromme y sus colaboradores.

Los investigadores combinaron los nuevos datos estructurales de XFEL con sus estudios anteriores de RMN de Flpp3, observando dos estados distintos de la proteína. Las simulaciones MD revelaron una estructura de cavidad interna que es transitoria, sugiriendo que Flpp3 sufre un cambio conformacional sutil.

El enfoque abre la puerta al desarrollo de fármacos dirigidos a reducir la letalidad de la tularemia y muestra el poder de las tecnologías combinadas para desbloquear los detalles de la estructura y la dinámica de las proteínas.