Nuevas ideas sobre la resistencia antimicrobiana y el T6SS

La resistencia a los antimicrobianos (RAM) es un problema de salud grave en todo el mundo. En 2019, se relacionó con casi 5 millones de muertes. Si no encontramos nuevas soluciones, las proyecciones sugieren que la RAM podría causar hasta 10 millones de muertes al año para 2050. Para combatir este problema, crear nuevos tipos de antimicrobianos es extremadamente importante, pero hacerlo es muy difícil.

Uno de los objetivos clave para estos nuevos antimicrobianos es la pared celular bacteriana. Esta pared está hecha principalmente de una sustancia llamada Peptidoglicano (PG), que es esencial para la supervivencia de las bacterias. Encontrar nuevas moléculas pequeñas que puedan inhibir el PG es cada vez más difícil porque hay menos opciones disponibles y la resistencia está aumentando. Sin embargo, hay enzimas naturales creadas por bacterias que pueden descomponer el PG, y estas no se están utilizando completamente en los tratamientos de RAM.

#El Sistema de Secreción Tipo VI: Una Arma Bacteriana

En las bacterias Gram-negativas, hay una herramienta llamada sistema de secreción tipo VI (T6SS). Este sistema permite a las bacterias inyectar enzimas que rompen el PG y otras toxinas directamente en microbios cercanos e incluso en células de levadura y mamíferos. La estructura del T6SS es compleja, consta de múltiples componentes. El sistema tiene una estructura tubular y una placa base que ayuda a que funcione eficazmente.

Cuando se activa el T6SS, puede liberar un tubo en forma de lanza que puede penetrar las células de bacterias vecinas. Sin embargo, el daño causado por este sistema se debe principalmente a las enzimas y toxinas que entrega más que a la penetración física en sí. Se han detectado muchas proteínas diferentes llamadas efectores en las bacterias Gram-negativas, y algunas de ellas pueden dañar la pared celular, las membranas e incluso el ADN.

#Componentes de las Paredes Celulares Bacterianas

La estructura del PG incluye unidades repetitivas hechas de dos azúcares, N-acetilglucosamina (NAG) y ácido N-acetilmurámico (NAM). Cada NAM tiene un pequeño péptido unido a él. Estos péptidos están interconectados, creando una red que rodea las células bacterianas. Los efectores del T6SS que atacan el PG se pueden agrupar en dos tipos principales: los que cortan las cadenas de péptidos (amidas/endopeptidasas) y los que cortan las cadenas de azúcares (glicosidasa hidrolasas).

Una enzima única, Tse4, encontrada en Acinetobacter baumannii, puede hacer ambas acciones, pero es raro encontrar proteínas bifuncionales así.

#Aeromonas dhakensis: Una Amenaza para la Salud

Un patógeno común en el agua es Aeromonas dhakensis, que puede infectar tanto a peces como a humanos, causando problemas de salud graves. Una cepa particular de esta bacteria tiene un T6SS funcional que puede liberar tres proteínas antimicrobianas conocidas. Una de estas proteínas, TseP, ha demostrado ayudar al T6SS a funcionar mejor al restaurar el flujo de otras proteínas cuando está ausente. TseP tiene dos partes: una que actúa como un lisozima y otra parte que tiene un papel que aún no está claro.

Investigaciones recientes han mostrado que la parte no clara de TseP, llamada TsePN, puede cortar el enlace péptido que conecta NAM y L-Ala, actuando como una amidasa. Tanto TsePN como la parte similar a lisozima pueden ser secretadas por el T6SS, pero TsePN es crucial porque puede compensar los problemas del T6SS.

#Estructura y Función de TseP

Los investigadores encontraron que TsePN tiene un mayor contenido de GC en comparación con TsePC, y que proteínas similares existen independientemente en varias especies, lo que sugiere un evento de fusión evolutiva. TseP también puede ser diseñado para destruir células resistentes de Bacillus subtilis Gram-positivo, dándole al T6SS la capacidad de matar estas células sin necesidad de contacto directo. Este trabajo identifica una nueva clase de proteínas de doble función y proporciona ideas sobre cómo se han desarrollado a lo largo del tiempo.

#Secreción Independiente de los Dominios de TseP

Para entender las partes importantes de TseP que ayudan en su secreción, los científicos crearon dos versiones más pequeñas de TseP, llamadas TsePN y TsePC, y las probaron en una cepa que carecía de otros efectores. Los resultados muestran que tanto TseP como TsePN podían ayudar a restaurar la secreción de una proteína llamada Hcp, mientras que TsePC no podía. Esto sugiere que TsePN juega un papel estructural clave.

#Papel de TseP en la Ensamblaje del T6SS

Las imágenes de lapso de tiempo también confirmaron que solo TseP y TsePN podían ayudar en la ensamblaje del T6SS, indicando que la parte N-terminal de TseP es importante para la estructura del T6SS.

Pruebas adicionales mostraron que TsePN fue secretado mientras que TsePC no. Esto planteó preguntas sobre si la falta de secreción de TsePC se debía a defectos en el T6SS. En experimentos adicionales, TsePC fue secretado en pequeñas cantidades incluso en cepas mutantes, sugiriendo que puede ser secretado pero de manera menos efectiva.

El análisis de pull-down confirmó que tanto TsePN como TsePC interactúan con una proteína llamada VgrG2, que ayuda en su entrega, destacando que ambos pueden ser manejados de manera independiente por el T6SS.

#TsePN: Una Especial Amidasa

Al observar los productos formados cuando TseP actúa sobre el PG, los investigadores encontraron dos tipos principales de productos, insinuando actividad amidasa. TsePN fue probado como responsable de esta actividad amidasa ya que otras versiones no pudieron lograrlo.

La estructura de TsePN muestra que requiere iones de zinc para su función. Cuando se eliminó el zinc o se introdujeron mutaciones que afectaron la unión del zinc, la actividad amidasa de TsePN se redujo drásticamente.

Las pruebas también mostraron que una proteína de inmunidad llamada TsiP puede inhibir tanto las actividades amidasa como lisozima de TseP, TsePN y TsePC. Esto sugiere que TsiP puede neutralizar los efectos dañinos de estas proteínas.

#Papel de TsePN en la Función del T6SS y Lisozima

Para verificar si la función amidasa era necesaria para la estructura y función del T6SS, se probaron varias versiones de TseP en mutantes del T6SS. Un mutante específico mantuvo funciones similares del T6SS en comparación con el tipo salvaje, lo que sugiere que la actividad amidasa puede no ser requerida para el ensamblaje del T6SS.

Pruebas adicionales examinaron los efectos combinados de las actividades amidasa y lisozima. Se observó que mientras TseP era más efectivo que TsePC solo, las versiones mutantes de TseP no tenían una función reducida, señalando la independencia de estas dos actividades.

#Diversidad y Función de los Homólogos de TseP

Los investigadores encontraron que existen proteínas similares a TseP en muchas bacterias Gram-negativas. Elegieron dos homólogos particulares para ver si también tenían funciones duales, y de hecho mostraron tanto actividades amidasa como lisozima similares a TseP.

#Análisis de Características Genéticas

Al analizar la composición genética de estas proteínas, encontraron diferencias en el contenido de GC que sugieren cambios genéticos a lo largo del tiempo. Esto apoyó la idea de que las partes N- y C-terminales de TseP podrían haber provenido originalmente de proteínas separadas y que desde entonces se han unido.

#Entendiendo la Estructura de TsePC

Para entender cómo TseP actúa sobre las paredes celulares bacterianas, los investigadores analizaron su estructura a través de cristalización. Encontraron que TsePC tenía un diseño único que le permitía trabajar de manera más eficiente que una lisozima comúnmente utilizada de huevos de gallina.

La estructura reveló una hendidura amplia que era diferente de la hendidura estrecha típica encontrada en otras Lisozimas, lo que podría aumentar su actividad enzimática. Los sitios activos de TsePC se encontraban cerca de esta hendidura, apoyando su fuerte actividad contra el peptidoglicano.

#Ingeniería de TsePC para Atacar Bacterias Gram-Positivas

Al estudiar si TseP podría descomponer las paredes celulares de diferentes bacterias, se encontró que no podía digerir con eficacia las paredes de las bacterias Gram-positivas. Sin embargo, al modificar ciertas partes de TsePC, los científicos pudieron aumentar su efectividad contra estas bacterias.

Esta versión modificada de TsePC pudo descomponer las paredes celulares de Bacillus subtilis, demostrando que alterar las propiedades de superficie de TsePC podría mejorar su actividad antimicrobiana.

#Uso del T6SS para Entregar TsePC Modificado

Para ver si el TsePC modificado podría ser entregado de manera efectiva por el T6SS para dañar las bacterias Gram-positivas, las pruebas mostraron que aunque fue secretado en niveles más bajos que el TsePC original, aún redujo significativamente la supervivencia de Bacillus subtilis cuando se usó la versión modificada.

Estos hallazgos demuestran que el T6SS puede ser equipado con un TsePC modificado para adquirir la capacidad de atacar bacterias Gram-positivas sin necesidad de contacto directo.

#Conclusión y Direcciones Futuras

El T6SS es importante para la competencia bacteriana, utilizando diversas proteínas para eliminar rivales. Al estudiar cómo funcionan estas proteínas, podríamos desbloquear nuevas fuentes de opciones antimicrobianas, ofreciendo enfoques frescos para abordar los crecientes problemas de RAM.

Este estudio introdujo a TseP como un nuevo tipo de proteína de doble función con actividades tanto de amidasa como de lisozima. Los resultados sugieren que estas proteínas podrían haber evolucionado juntas y destacan el potencial de bioingeniería para hacerlas antimicrobianos más poderosos.

En última instancia, encontrar nuevas formas de mejorar estas proteínas podría llevar a mejores tratamientos para infecciones bacterianas, no solo en el cuidado de la salud, sino también en la seguridad alimentaria y la salud animal. A medida que miramos hacia el futuro, las ideas obtenidas de esta investigación abren avenidas prometedoras en la lucha contra la resistencia a los antimicrobianos.