Versões de enzimas bacterianas recém-projetadas revelam como os antibióticos podem ser mais potentes

Pesquisa, Medicina Translacional, Comunicados de Imprensa

30 de agosto de 2023

Foto: LAGUNA DESIGN/Getty

M A medicina moderna depende de antibióticos para tratar infecções, desativando alvos dentro das células bacterianas. Uma vez dentro dessas células, os antibióticos se ligam a determinados locais em alvos enzimáticos específicos para impedir o crescimento bacteriano. Mudanças (mutações) que ocorrem aleatoriamente nos genes desses alvos ocorrem naturalmente, em alguns casos tornando o alvo mais difícil de se fixar ao antibiótico e tornando a versão bacteriana resistente ao tratamento.

Por esta razão, quanto mais antibióticos forem utilizados ao longo do tempo, maiores serão as probabilidades de as populações bacterianas evoluírem para terem mutantes resistentes aos antibióticos existentes e mais urgente será o apelo a novas abordagens para evitar que os tratamentos se tornem obsoletos. Os investigadores estudaram durante décadas mutantes resistentes na esperança de que mecanismos relacionados guiassem o desenho de novos tratamentos para superar a resistência. O esforço tem sido limitado, no entanto, porque os mutantes resistentes que ocorrem naturalmente representam uma pequena fração das mutações que poderiam ocorrer (o espaço mutacional completo), com a maioria das mutações no local de ligação do medicamento até o momento tendo sido negligenciadas.

Para enfrentar esse desafio, um novo estudo liderado por pesquisadores da NYU Grossman School of Medicine aplicou uma tecnologia chamada MAGE (engenharia de genoma automatizado multiplex) para gerar o inventário completo de mutações na espécie bacteriana Escherichia coli, onde o antibiótico rifampicina se liga e desativa um enzima bacteriana essencial conhecida como RNA polimerase (RNAP). Os autores do estudo criaram 760 mutantes RNAP exclusivos, substituindo cada um dos 38 blocos de construção de aminoácidos que constituem o local de ligação da rifampicina na E. coli por cada uma das 20 opções de aminoácidos presentes na natureza. O crescimento deste conjunto mutante foi então testado sob diferentes condições, incluindo tratamento com rifampicina.

Publicado online em 30 de agosto na revista Nature, o estudo encontrou dois mutantes, L521Y e T525D, que são hipersensíveis à rifampicina. O antibiótico não apenas impede o crescimento desses mutantes, como quase oblitera as populações bacterianas mutantes. Esta é uma descoberta notável, dizem os autores, porque a rifampicina normalmente não mata a E. coli, ou muitos outros agentes patogénicos bacterianos, mas apenas impede o seu crescimento.

“Este trabalho fornece um mapa das interações RNAP antibiótico-bacteriano que será valioso para os químicos que trabalham para desenvolver os efeitos do estudo, alterando não os resíduos do local de ligação bacteriana, mas sim a estrutura da rifampicina e de outros antibióticos, para que se liguem mais firmemente para aumento da potência”, disse o co-investigador sênior do estudo Evgeny A. Nudler, PhD, Professor de Bioquímica Julie Wilson Anderson no Departamento de Bioquímica e Farmacologia Molecular da NYU Langone Health. “Nossas descobertas também sugerem maneiras de melhorar a capacidade da rifampicina de se ligar a proteobactérias, actinobacter e firmicutes, grupos de bactérias que incluem mutações naturais de RNAP que as tornam vulneráveis ​​à rifampicina”.

A E. coli armazena instruções genéticas em cadeias de ADN, mas depois converte-as num material genético relacionado em ARN, com a RNAP a construir as cadeias de ARN que orientam a construção de proteínas a partir de aminoácidos. Os mutantes criados no novo estudo revelaram que a rifampicina mata bactérias ao paralisar a RNAP, causando assim colisões entre ela e a maquinaria celular que opera no mesmo espaço molecular para duplicar o ADN à medida que as células se dividem e se multiplicam. Isto, por sua vez, causa quebras letais em ambas as cadeias do DNA bacteriano.

Em outros insights do estudo, descobriu-se que algumas das mutações no local de ligação do RNAP da E. coli aumentam muito a velocidade com que o RNAP constrói o RNA e, portanto, a velocidade com que ele consome matérias-primas, incluindo blocos de construção de nucleotídeos como as pirimidinas. O trabalho tem implicações significativas, dizem os pesquisadores, para a compreensão do mecanismo de ação utilizado por análogos de nucleotídeos como o medicamento anticâncer 5FU. Compreender como a depleção de nucleotídeos sensibiliza as células aos suprimentos de nucleotídeos pode ajudar no projeto de novas terapias combinadas, dizem eles.