Imágenes de enzima en acción revelan secretos de antibióticos

Por Carol Clark 11 de agosto de 2023

Una serie de imágenes capturadas mediante microscopía crioelectrónica muestran cómo una enzima bacteriana modifica un ribosoma. (Centro del Noroeste del Pacífico para Cryo-EM)

Las bacterias recurren a un arsenal de armas para combatir las drogas destinadas a matarlas. Entre las más frecuentes de estas armas se encuentran las enzimas modificadoras de ribosomas. Estas enzimas son cada vez más comunes y aparecen en todo el mundo en muestras clínicas de una variedad de bacterias resistentes a los medicamentos.

Ahora los científicos han capturado las primeras imágenes de una clase importante de estas enzimas en acción. Las imágenes muestran cómo las enzimas se adhieren a un sitio particular del ribosoma bacteriano y lo aprietan como un par de pinzas para extraer un nucleótido de ARN y alterarlo. Las Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS) publicaron los hallazgos, dirigidos por científicos de la Universidad Emory.

La avanzada técnica de microscopía crioelectrónica hizo posibles las instantáneas tridimensionales de ultra alta resolución.

"Ver para creer", dice Christine Dunham, profesora de química de Emory y coautora correspondiente del artículo. “En el momento en que ves estructuras biológicas interactuando en la vida real a nivel atómico, es como resolver un rompecabezas. Ves cómo todo encaja y tienes una idea más clara de cómo funcionan las cosas”.

Estos conocimientos pueden conducir al diseño de nuevas terapias con antibióticos para inhibir las actividades de resistencia a los medicamentos de las enzimas ARN metiltransferasa. Estas enzimas transfieren un pequeño hidrocarburo conocido como grupo metilo de una molécula a otra, un proceso conocido como metilación.

"La metilación es una de las modificaciones químicas más pequeñas en biología", dice Graeme Conn, profesor de bioquímica en la Facultad de Medicina de Emory y coautor correspondiente del artículo. “Pero esta pequeña modificación puede cambiar fundamentalmente la biología. En este caso, confiere resistencia que permite a las bacterias evadir toda una clase de antibióticos”.

Tanto Conn como Dunham también son miembros del Centro de Resistencia a los Antibióticos de Emory.

El primer autor del artículo es Pooja Srinivas, quien realizó el trabajo como candidato a doctorado en el programa de posgrado de Emory en farmacología molecular y de sistemas. Desde entonces se graduó y ahora es becaria postdoctoral en la Universidad de Washington.

Dunham es un destacado experto en ribosomas, una estructura elaborada que funciona como una fábrica dentro de una célula para fabricar proteínas. Las proteínas son las máquinas que hacen que las células funcionen, mientras que los ácidos nucleicos como el ADN y el ARN almacenan los planos de la vida. El ribosoma está compuesto principalmente de ARN, que no sólo almacena información sino que también puede actuar como enzima, catalizando reacciones químicas.

Uno de los objetivos del laboratorio de Dunham es encontrar formas de manipular los ribosomas bacterianos para hacerlos más susceptibles a los antimicrobianos. Si un antimicrobiano inactiva con éxito los ribosomas bacterianos, eso detiene la fabricación de proteínas esenciales para el crecimiento y la supervivencia bacteriana.

La idea es explotar las diferencias entre los ribosomas celulares humanos y los ribosomas bacterianos, de modo que un fármaco antimicrobiano sólo afecte a las bacterias.

Sin embargo, los antimicrobianos deben superar las defensas bacterianas.

"Es como una carrera armamentista molecular", explica Dunham. Las bacterias siguen desarrollando nuevas armas como defensa contra las drogas, mientras que los científicos desarrollan nuevas estrategias para desarmar a las bacterias.

Conn es un destacado experto en las armas de defensa bacterianas conocidas como enzimas ARN metiltransferasa ribosómicas. Esta familia de enzimas se descubrió originalmente en las bacterias del suelo. Ahora se encuentran cada vez más en infecciones bacterianas en personas y animales, lo que hace que estas infecciones sean más difíciles de tratar.

"Siguen apareciendo cada vez con más frecuencia en muestras clínicas de algunos patógenos bacterianos desagradables en diferentes partes del mundo", dice Conn.

Las enzimas pueden provocar una resistencia mortal a los medicamentos en patógenos como E. coli, Salmonella, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa y Enterobacteriaceae. Las enzimas añaden un grupo metilo en un sitio específico del ribosoma bacteriano. Esa adición bloquea la capacidad de una clase de antibióticos conocidos como aminoglucósidos para unirse y provocar su acción antibacteriana.

Para el artículo de PNAS, los investigadores se centraron en un culpable dentro de esta familia de enzimas conocido como ARN ribosómico metiltransferasa C o RmtC.

Durante décadas, los investigadores han confiado en una técnica conocida como cristalografía de rayos X para revelar los detalles atómicos de cómo funcionan las máquinas moleculares cuando las moléculas están dispuestas en un cristal.

En 2015, por ejemplo, el laboratorio de Dunham obtuvo imágenes precisas mediante cristalografía de rayos X de cómo una enzima conocida como HigB desgarra el ARN para inhibir el crecimiento de la bacteria. Al restringir el crecimiento de las bacterias que lo producen, HigB establece un estado latente de “células persistentes” que hace que las bacterias sean tolerantes a los antibióticos.

Sin embargo, los secretos de cómo interactúa la enzima RmtC con el ribosoma eludieron la cristalografía de rayos X.

"RmtC es mucho más complicado", explica Dunham. "Es una enzima interesante desde una perspectiva científica básica porque se ve muy diferente de otras".

Los avances recientes en microscopía crioelectrónica abrieron la puerta a profundizar en los complejos mecanismos de RmtC.

La microscopía crioelectrónica no requiere cristalización para revelar las estructuras de las moléculas y cómo interactúan. En cambio, las muestras líquidas se congelan rápidamente para formar una matriz vítrea. La matriz vítrea conserva la estructura tridimensional de las moléculas y las protege del deterioro causado por el intenso haz de electrones.

Meisam Nosrati, ex becario postdoctoral en el laboratorio de Conn y coautor del artículo de PNAS, preparó muestras de RmtC que interactúan con parte de un ribosoma de E. coli. Aprovechó la experiencia de la coautora Lindsay Comstock, una química de la Universidad Wake Forest que desarrolló una técnica para atrapar y estabilizar la enzima en la posición necesaria.

Luego, Nosrati congeló las muestras en una pequeña rejilla y las envió al Centro de Cryo-EM del Noroeste del Pacífico para obtener imágenes.

Como estudiante de posgrado en el laboratorio de Dunham, Srinivas luego analizó e interpretó el conjunto de datos de microscopía. Usó algoritmos informáticos para unir miles de imágenes individuales. El resultado convirtió las imágenes en un libro animado que reveló la complicada estructura de RmtC en acción.

"La enzima se adhiere como una pinza al ribosoma", explica Dunham. “Aprieta su control hasta que exprime un nucleótido del interior de una hélice de ARN. Luego modifica químicamente ese nucleótido”.

La enzima es exquisitamente específica acerca de dónde se une al ribosoma, una enorme macromolécula compuesta por 50 proteínas diferentes y 6.000 nucleótidos de ARN diferentes.

Los investigadores utilizaron técnicas de bioquímica para validar que lo que observaron coincidía con hallazgos anteriores sobre cómo RmtC hace que las bacterias sean resistentes a los antimicrobianos aminoglucósidos que se dirigen al ribosoma.

Los investigadores ahora están tratando de desarrollar nuevas formas de contrarrestar los efectos de RmtC y enzimas relacionadas basándose en la nueva información.

"El conocimiento de la forma de la enzima mientras realiza su reacción química nos brinda nuevos objetivos para inhibir sus efectos", dice Conn. “Por ejemplo, podríamos apuntar a la acción de pinza de la enzima para tratar de evitar que apriete y se una al ribosoma. Ahora sabemos que la enzima forma una bolsa en su superficie donde podría ubicarse una pequeña molécula para bloquear esta acción”.

Otros coautores del artículo de PNAS son Natalia Zelinskaya y Debayan Dey, científicos investigadores del laboratorio de Conn.

La financiación para el trabajo fue proporcionada por los Institutos Nacionales de Salud y el Premio al Investigador del Fondo Burroughs Wellcome en la Patogénesis de Enfermedades Infecciosas.