Al revelar la estructura de una proteína utilizada por las bacterias para bombear antibióticos, un equipo de investigación diseñó un tratamiento en etapa temprana que sabotea la bomba y restaura la eficacia de los antibióticos.

Dirigido por investigadores de la Universidad de Nueva York, la Facultad de Medicina Grossman de la Universidad de Nueva York y el Centro de Cáncer Laura e Isaac Perlmutter de la Universidad de Nueva York Langone, el nuevo estudio utilizó microscopía avanzada para "ver" por primera vez la estructura de NorA, una proteína que la especie bacteriana Staphylococcus aureus utiliza para bombear antibióticos ampliamente utilizados antes de que puedan matarlos.

Las bombas de expulsión representan un mecanismo por el cual S. aureus ha desarrollado resistencia a las fluoroquinolonas, un grupo de más de 60 antibióticos aprobados que incluye norfloxacina (Noroxin), levofloxacina (Levaquin) y ciprofloxacina (Cipro). Las fluoroquinolonas ahora son ineficaces contra algunas cepas bacterianas resistentes a los medicamentos, incluida la S. aureus resistente a la meticilina (MRSA), una de las principales causas de muerte entre los pacientes hospitalizados cuando las infecciones se vuelven graves, dicen los investigadores. Por esta razón, el campo ha tratado de diseñar inhibidores de bombas de expulsión, pero los primeros intentos se han visto obstaculizados por los efectos secundarios.

"En lugar de tratar de encontrar un nuevo antibiótico, esperamos hacer que los antibióticos más utilizados en las últimas décadas, ineficaces por la resistencia bacteriana, vuelvan a ser altamente efectivos", dice el primer autor del estudio, Doug Brawley, Ph.D. Completó su tesis doctoral en los laboratorios de los autores principales Nate Traaseth, Ph.D., profesor del Departamento de Química de la Universidad de Nueva York, y Da-Neng Wang, Ph.D., profesor del Departamento de Biología Celular. en la Escuela de Medicina Grossman de la NYU.

Anticuerpos al rescate

Publicado en línea el 31 de marzo en la revista Nature Chemical Biology , el estudio se basa en los avances en el desarrollo de tecnología de anticuerpos en los últimos años. Las bacterias invasoras activan el sistema inmunitario del cuerpo para que produzca muchos anticuerpos ligeramente diferentes, proteínas formadas para adherirse a invasores específicos y neutralizarlos.

Para el estudio actual, el equipo de investigación utilizó anticuerpos para superar un desafío que había impedido que se analizara la estructura de NorA. Brawley trabajó durante años para ajustar las condiciones de expresión y purificación necesarias para este análisis, pero la molécula de NorA es compacta y apenas detectable incluso con microscopía crioelectrónica avanzada (crio-EM).

Como solución, los investigadores examinaron una gran colección de anticuerpos sintéticos, ensamblados por el laboratorio del autor principal del estudio, Shohei Koide, Ph.D., profesor del Departamento de Bioquímica y Farmacología Molecular de la Facultad de Medicina Grossman de la NYU, para encontrar los que que se unió más estrechamente a NorA. Al unir los anticuerpos a NorA, el equipo duplicó efectivamente el tamaño de la molécula, lo que mejoró las imágenes crio-EM y reveló la estructura de la bomba NorA por primera vez.

El trabajo también reveló el sitio donde el anticuerpo líder del equipo se acopló a NorA, como una llave en una cerradura. El equipo se sorprendió al descubrir que el lugar donde encajaba este anticuerpo en NorA era el mismo lugar donde NorA se adhiere y elimina los antibióticos. Estas observaciones sugirieron que el anticuerpo podría bloquear la bomba, permitir que los antibióticos permanezcan dentro de las células bacterianas e interferir con el crecimiento bacteriano.

A partir de la estructura crio-EM, el equipo también se dio cuenta de que la parte del anticuerpo más profundamente incrustada en la cavidad de unión de NorA era un péptido corto en bucle, un segmento de los componentes básicos de la proteína. "Nos entusiasmó que un péptido aislado correspondiente al bucle por sí mismo pudiera inhibir NorA", dice Traaseth. El equipo encontró que este péptido (denominado NPI-1) funcionó como un inhibidor de la bomba de expulsión (EPI) y redujo el crecimiento de S. aureus resistente a los antibióticos en placas con nutrientes (cultivos) en más del 95 % a altas concentraciones cuando se combina con el antibiótico norfloxacino.

El análisis estructural también mostró que el EPI tenía muchas interacciones con los bloques de construcción de proteínas en el bolsillo estructural donde NorA se une a las moléculas de antibiótico. "Esto hace que sea muy poco probable que las bacterias puedan desarrollar resistencia a un tratamiento de este tipo, porque tendrían que evolucionar aleatoriamente para derrotar de alguna manera al EPI sin eliminar la capacidad del sitio de la bomba de expulsión para captar antibióticos", dice Wang.

En el futuro, el equipo está trabajando para mejorar el diseño de su EPI. Cada residuo de NPI-1 puede optimizarse para una mayor potencia y para reducir cualquier efecto secundario potencial, dicen los autores. Su estrategia para desarrollar anticuerpos sintéticos contra bombas de eflujo similares a NorA puede ayudar a descubrir EPI contra otros patógenos que se sabe que dependen de las bombas, que incluyen Streptococcus pneumonia y Mycobacterium tuberculosis.

"El descubrimiento de esta nueva forma de inhibir MRSA demuestra que cinco laboratorios de cuatro departamentos, con experiencia complementaria en biología estructural, ingeniería de proteínas, química de péptidos y microbiología, pueden colaborar para lograr lo que ninguno podría por sí solo", agrega Koide. + Explora más

Una estrategia novedosa para el uso de compuestos como fármacos "antievolución" para combatir la resistencia a los antibióticos