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viernes, 16 de enero de 2015

Teixobactina: lo importante no es el pez, sino la red con la que se ha pescado.

Estructura de la teixobactina, un nuevo tipo de antibiótico. Fuente: Wikipedia


El descubrimiento de un nuevo antibiótico, la teixobactina, ha merecido la atención tanto de diversos medios de comunicación como de la blogosfera (Un par de ejemplos: Teixobactina, el “superantibiótico” de Bioamara, Teixobactina: algo más que el antibiótico del futuro, post de Ciencias y Cosas ). Sin desmerecer la importancia de dicho descubrimiento, a mí lo que me parece realmente importante no es el qué han descubierto, sino el cómo lo han descubierto. En ese sentido coincido más con el post A New Antibiotic That Resists Resistance de Ed Yong.

En este blog ya hemos hablado en numerosas ocasiones sobre el creciente problema de las resistencias a los antibióticos. Nombres como estafilococo MRSA, tuberculosis-XDR, Klebsiella NDM-1 empiezan a ser cada vez más comunes y temidos en los hospitales de todo el mundo. Las voces más pesimistas incluso hablan de que la sanidad pública podría volver a una situación similar a la de 1900, cuando no existía ningún tipo de sustancia antibiótica y padecer una infección podía significar una convalecencia larga e incluso la muerte.

Porcentaje de aislamiento de cepas resistentes de distintas especies bacterianas en los países europeos. Fuente ECDC


La mayor parte de los diferentes tipos de sustancias antibióticas fueron descubiertas entre los años 40 y 60 del pasado siglo. A partir de entonces cada vez ha sido más difícil encontrar alguna sustancia con utilidad terapéutica. No es que no sea sencillo encontrar una sustancia que mate a las bacterias. Lo difícil es encontrar una que mate a los patógenos pero que no afecte a nuestras células. En ese sentido la penicilina es el mejor ejemplo de un buen antibiótico. Lo que hace es inhibir la síntesis de peptidoglicano que forma la pared bacteriana. Y como nuestras células no poseen peptidoglicano no se ven afectadas por la penicilina. Es decir, un buen antibiótico inhibe o interfiere en un proceso vital exclusivo de las bacterias. Eso es lo que ocurre también con otros antibióticos como por ejemplo el cloranfenicol, la tetraciclina o la estreptomicina. En estos casos, esas moléculas inhiben la biosíntesis proteica mediante su unión al ribosoma y bloqueando el proceso de traducción. Como los ribosomas de las bacterias son algo diferentes a los ribosomas de nuestras células, esos antibióticos no nos afectan.

Esquema de los distintos sitios donde actúan los diferentes tipos de antibióticos que afectan a las bacterias. Actualmente existen resistencias frente a todos ellos. Fuente: Medical Reference Net


¿Cómo se vuelven resistentes las bacterias? Hay varios tipos de mecanismos. En el caso de la penicilina la resistencia suele ser debida a la producción de un tipo de enzima, las betalactamasas, que destruye al antibiótico. En otros casos lo que hace la bacteria es producir una proteína de membrana que expulsa al antibiótico del citoplasma. Y en otros lo que ocurre es que debido a una mutación se modifica el sitio de unión del antibiótico. Por ejemplo, si hay una mutación en algún componente del ribosoma, el antibiótico ya no puede unirse y no inhibe la traducción. El proceso de cómo la resistencia a un antibiótico se extiende entre las bacterias patógenas es uno de los mejores ejemplos de evolución darwiniana. El antibiótico elimina a las bacterias sensibles y sólo quedan las resistentes, que ahora tienen todo el hábitat para ellas solas. Este es uno de los motivos por los que nos estamos quedando sin antibióticos.

Algunos mecanismos de resistencia a los antibióticos. Las enzimas que inactivan a los antibióticos pueden hacerlo mediante su degradación o mediante una alteración química que evite que luego se una a su objetivo. estas enzimas pueden encontrarse en el exterior de la célula, como es el caso de las beta-lactamasas que destruyen a las penicilinas. Fuente: Encyclopaedia Britannica


Otro de los motivos ya lo hemos indicado antes. Es muy difícil encontrar una sustancia que mate bacterias y sea inocua para nosotros. Para determinar cual sustancia es válida y cual no, no sólo hay que encontrarla, hay que probarla. Y eso significa invertir dinero, mucho dinero, en experimentos y ensayos clínicos. Ese también es un problema, porque si una compañía farmacéutica invierte dinero en desarrollar un producto luego va a querer venderlo y sacar beneficio. Si el antibiótico no va a ser efectivo al cabo de poco tiempo debido a la aparición de resistencias, a lo mejor no le interesa nada investigar en ese campo ya que no va a cubrir la inversión dedicada al desarrollo del antibiótico (de sacar beneficios ni siquiera hablamos). Así que desarrollar nuevos antibióticos no parece que sea algo muy interesante para las compañías farmacéuticas.

Línea temporal del descubrimiento de las distintas clases de antibióticos. Fuente: Medscape


En esta gráfica se muestran tres tipos distintos de información. En primer lugar el número de compañías farmacéuticas que investigaban en antibióticos en 1990 (18 compañías) y las que quedaban en el 2011 (4 compañías). En segundo lugar, la cantidad de nuevos antibióticos aprobados para su uso (línea azul), y finalmente el porcentaje de aislamientos de cepas resistentes a los antibióticos. MRSA (Staphylococcus aureus resistente a meticilina). VRA (Enterococcus resistente a vancomicina) y FQRP (Pseudomonas resistente a fluoroquinolonas). Fuente Nature.


Y sin embargo esos nuevos antibióticos son muy necesarios. Uno de los caminos que se está intentando es encontrar sustancias frente a las cuales la aparición de resistencias sea muy difícil. Pero encontrar dichas sustancias no es un camino de rosas. Los antibióticos son generalmente producidos por microorganismos que habitan en los suelos y este tipo de seres vivos no son nada fáciles de crecer en el laboratorio. De hecho se asume que en condiciones ideales solo se puede crecer a una especie de cada cien presentes en una muestra (en parte porque los microbiólogos hemos metido la pata durante 120 años). Así que quizás la sustancia que se busca sea producida por una de esas noventa y nueve especies que no crece. Se han intentado diferentes estrategias y tecnologías como por ejemplo la metagenómica para encontrar al menos los genes que producen dichos antibióticos.

Un iChip desenterrado del suelo donde se ha incubado. Fuente: Nature


Pues bien, el equipo de la compañía biotecnológica estadounidense NovoBiotic Pharmaceuticals liderado por el científico Kim Lewis de la Northeastern University de Boston, ha utilizado una tecnología que puede permitir crecer a esos microorganismos incultivables y poder así encontrar esos nuevos antibióticos. Se trata del iChip. Esta tecnología fue desarrollada en el año 2010 y ya se especulaba con que podría ser una herraienta muy eficaz para encontrar sustancias de interés biotecnológico, como así ha sido. El iChip consiste en unas micro-celdillas que contenían unas membranas semipermeables. Las microceldillas con las bacterias se enterraban en el suelo. De esa forma se podían introducir las bacterias para tenerlas en un entorno controlado, manteniéndolas al mismo tiempo en contacto con su ambiente natural para así disponer de cualquier factor de crecimiento que necesitaran y pudieran desarrollarse normalmente. Lo curioso es que las bacterias que crecen en el iChip luego pueden ser crecidas en el laboratorio a mayor escala. El iChip es como un paso previo de enriquecimiento. Así, han conseguido cultivar hasta un 50% de las bacterias presentes en la muestra.

Como funciona un iChip. Una muestra de suelo es diluida en agua y el iChip se sumerge en esa suspensión (a). La dilución asegura que en cada celdilla sólo haya un microorganismo (b). Después se ponen las membranas semipermeables en la parte superior e inferior (círculos transparentes) y estas son sujetadas gracias a un sistema de pinzado con tornillos (c). Una vez montado el iChip se entierra en el mismo suelo de donde se tomó la muestra. De esa forma los microorganismos estarán en el mismo ambiente de donde fueron recogidos y los factores de crecimiento o cualquier nutriente que requieran, podrá permear a través de las membranas y permitir que crezca el microorganismo. Pero como están encerrados en una celdilla, no se mezclarán entre si. En este enlace puedes ver un vídeo con una animación sobre el iChip. Fuente: Science 2.0


Crecer a las bacterias fue la primera parte, la segunda fue comprobar si producían un antibiótico. Para ello analizaron 10.000 cepas de bacterias, y comprobaron su actividad antimicrobiana frente a la bacteria Staphylococcus aureus MRSA. Así dieron con 25 especies que conseguían inhibir a la bacteria patógena. De ellas una, la bacteria Gram negativa Eleftheria terrae, producía un compuesto muy interesante y activo. Tan activo que Kim Lewis llegó a pensar que habían encontrado un detergente que simplemente destruía las membranas de cualquier tipo de célula. Pero afortunadamente no era así. El compuesto fue analizado y se comprobó que era un nuevo tipo de antibiótico. Ha sido bautizado como teixobactina (*). Se trata antibiótico peptídico, en concreto un depsipéptido macrocíclico. E. terrae lo biosintetiza mediante la condensación de una serie de D y L aminoácidos gracias a dos Peptido-Sintetasas no ribosómicas (eso no es tan raro, la penicilina es también un producto de una condensación de tres aminoácidos). La teixobactina ha mostrado actividad frente a otros patógenos como Clostridium difficile, causante de la colitis pseudomembranosa, Bacillus anthracis, que provoca el carbunco (aunque ahora le llamen ántrax), contra Enterococcus faecalis resistente a vancomicina, contra Streptococcus pneumonia resistente a penicilina y contra Mycobacterium tuberculosis. Incluso han probado en ratones que la teixobactina se puede usar exitósamente para combatir infecciones experimentales provocadas por S. aureus MRSA o por S. pneumoniae.

Infección experimental con S. aureus MRSA. Cada barra representa la supervivencia  tras 48 horas de un grupo de 6 ratones a los que se les inyectó una dosis letal de bacteria y posteriormente una dosis de antibiótico vancomicina o teixobactina (cantidades indicadas en el eje X). Nótese que con 0,5 mg/kg de teixobactina se consigue el 100% de supervivencia de los 6 ratones, mientras que con la vancomicina solo ha sobrevivido un ratón. Fuente: Ling et al. 2015 Nature.


Sin embargo, la propiedad más llamativa de la teixobactina es que parece ser un antibiótico contra el cual no va a ser fácil que se origine una resistencia. De hecho el título del artículo del Nature es el siguiente: A new antibiotic kills pathogens without detectable resistance ¿Es eso posible o es una exageración?

En el artículo de Ed Yong se utiliza una frase de Leslie Orgel para dar respuesta a esa pregunta: La evolución es mucho más lista que tú. A largo plazo acabarán apareciendo microorganismos resistentes a la teixobactina. De hecho, ya los hay. Todas las bacterias Gram negativas son Son resistentes naturales a este nuevo antibiótico. Un ejemplo, la MIC de S. aureus es de 0,25 microgramos por mililitro mientras que la de E. coli es de 25. El motivo es que las Gram negativas tiene una membrana externa que impide que la teixobactina llegue al lugar donde ejerce su acción. La teixobactina es una molécula bastante grande, unas tres veces más grande que la penicilina para hacernos una idea, y quizás sea esa la razón por la que no puede atravesar esa membrana externa.

Estructura de la pared celular de las bacterias Gram positivas (izquierda) y las Gram negativas (derecha). La pared celular rodea a la membrana plasmática (plasma membrane). Ambas paredes contienen una capa de peptidoglicano, un polímero compuesto de un polisacárido lineal de acetil-glucosamina y acetil murámico, entrecruzado por cadenas de aminoácidos (el monómero se muestra en la parte inferior). Pero en las Gram negativas la capa de peptidoglicano está rodeada por una membrana externa (Outer lipid membrane). Otra diferencia entre ambas es que las capas de peptidoglicano de las Gram positivas está "reforzado" por largas cadenas de ácidos teicoicos (lipotheicoic acid). Fuente: Sigma-Aldrich.


Pero lo que se espera es que no suceda algo como lo que ocurrió con el linezolid, en el que un año después de haber sido aprobado ya se describieron las primeras resistencias. Las esperanzas es retrasar la aparición de esas resistencias el mayor tiempo posible. Algo similar a lo que ocurrió con la vancomicina. Dicho antibiótico fue descubierto en 1953 y hasta finales de la década de los 80 no se describieron las primeras cepas resistentes. La vancomicina y la teixobactina tienen algo en común: actúan sobre el mismo tipo de molécula inhibiendo la síntesis de la pared celular de las bacterias. Ambas se unen a un precursor de la pared celular denominado lipido II. Pero además, la teixobactina también se une a otro precursor denominado lípido III. Vamos a intentar explicar su acción con una analogía que ya he utilizado anteriormente. Podemos imaginar que la pared de una Gram positiva es como un muro de hormigón armado. El peptidoglicano sería el cemento y los ácidos teicoicos serían las varillas de acero. Siguiendo con la analogía, las fábricas que hacen el cemento y las varillas está en el citoplasma de la bacteria. Pero la pared está en el exterior de la célula, así que esos componentes deben de ser transportados allí, y una vez fuera, es donde polimerizan (donde fraguan por seguir con el símil).

Mecanismo de actuación de la teixobactina. Clikear para ampliar. A la izquierda se representa une esquema de la bacteria Gram negativa Eleftheria terrae secretando el antibiótico y éste uníéndose a las moléculas objetivo (rectángulo con la palabra TEIX). A la derecha tenemos una visión ampliada del mecanismo de acción sobre el lípido II y el lípido III que se encuentran localizados en la membrana plasmática. El interior celular estaría en la parte inferior y el exterior en la superior. En el esquema representan de manera simplificada los pasos de síntesis de los monómeros que formarán el peptidoglicano (hexágonos azules y verdes) y de los monómeros que formarán los ácidos teicoicos (elipses rojas y azules).  También se muestra el sitio de unión de la vancomicina (rectángulo rojo), que aunque afecte a la misma molécula, lo hace en un lugar diferente. Fuente: Sci-news.com 


Queda claro que los componentes del muro deben de atravesar la membrana celular. Pues bien, las moléculas responsables del traslado desde el citoplasma al exterior de la membrana son el lípido II y el lípido III. Continuando con la analogía son como unos camiones de transporte, el lípido II sería una hormigonera porque lleva el precursor del peptidoglicano y el lípido III es un trailer con el precursor del ácido teicóico. La teixobactina se une a esos lípidos y evita el transporte. Digamos que destruye los camiones que llevan el material de construcción. Esa especificidad en actuar sobre ese tipo de moléculas es lo que hace pensar que no va a ser fácil que se desarrollen mecanismos de resistencia frente a la teixobactina. Voy a intentar explicarlo desde lo que yo considero el mecanismo más improbable a lo más probable:


  • Bombas de expulsión del antibiótico. La teixobactina actúa en el exterior de la célula, no en su interior, así que este tipo de resistencia no puede darse. Es una típica resistencia para antibióticos que inhiben la síntesis proteica.

  • Resistencia por alteración de la diana por mutación genética. Muy improbable. Un ejemplo lo tenemos en algunos resistentes a la penicilina. Los beta-lactámicos actúan mediante su unión al centro activo de la enzima que polimeriza el peptidoglicano. Si sucede una mutación que afecta a la estructura del centro activo de forma que evita que se una la penicilina ya tenemos un resistente. Pero un lípido no puede modificarse por una mutación genética como le puede ocurrir al centro activo de una enzima. 

  • Resistencia por alteración de la ruta metabólica Muy improbable. El ejemplo son los resistentes a las sulfonamidas, antibióticos que inhiben la ruta de síntesis del ácido fólico. Lo que hacen las cepas resistentes es tomar el fólico del hospedador. La ruta de síntesis del peptidoglicano es una de las más conservadas en todo el dominio Bacteria. Además la teixobactina actúa sobre un transportador, no sobre una enzima metabólica. 

  • Resistencia por entrada alterada Poco probable. Como hemos visto la pared celular de los Gram negativos tiene una membrana externa que impide que la teixobactina llegue a la membrana plasmática. En los Gram positivos no existe esa membrana, sin embargo es cierto que algunos de ellos presentan cápsulas polisacarídicas a veces extraordinariamente complejas, como es el caso de las micobacterias, y quizás podría darse ese caso. Pero que yo sepa no ha sido descrito un mecanismo de este tipo en Gram positivos 

  • Alteración enzimática de la diana Poco probable. Este es el mecanismo de resistencia a la vancomicina. Si nos fijamos en la figura anterior donde se señála el lugar de acción de la teixobactina y de la vancomicina sobre el lípido II veremos que es algo distinto. La vancomicina se une a la cola de aminoácidos unidos al disacarido de acetil-glucosamina y acetil murámico,(el monómero del peptidoglicano). En la resistencia a la vancomicina hay unas enzimas (VanA, B y C) que modifican algo las cargas de ese monómero, de manera que la vancomicina no se une, pero el monómero puede ser usado en la polimerización del peptidoglicano. La teixobactina se une a la cabeza polar del lípido transportador. Si se modifica dicha cabeza a lo mejor la teixobactina ya no se une, pero a lo mejor el lípido ya no puede cumplir su función. 

  • Degradación o alteración enzimática del antibiótico La más probable en mi opinión. Es el caso de las betalactamasas que destruyen a las penicilinas. Como se ha señalado antes la teixobactina es un depsipéptido macrocíclico, pero no deja de ser un péptido. Y las actividades enzimáticas que destruyen los enlaces peptídicos son muy frecuentes en la naturaleza. De hecho, una de las críticas que se ha hecho al trabajo ha sido la de no comprobar si había resistentes a la teixobactina en el mismo suelo de donde partió la muestra. Normalmente si encuentras un antibiótico en un sitio, encuentras al resistente en el mismo lugar.


Esperemos que efectivamente no les sea fácil desarrollar resistencias contra la teixobactina a las bacterias patógenas sensibles a ella. Como ya hemos dicho en otras ocasiones, la humanidad necesita nuevos antibióticos.



(*) En inglés teixobactin se pronuncia Tayco-back-tin, y es una referencia a "adelgazar a los ácidos teicoicos". El nombre de Eleftheria terrae significa "libre de la tierra" y hace referencia a la manera en que ha sido cultivada gracias al iChip.


Esta entrada participa en la XLIII edición del Carnaval de la Química alojado en el blog La Ciencia de la Vida

10 comentarios:

Ángel Rodríguez Villodres dijo...

Me ha encantado el post. Claro, conciso y prudente, poniendo las cosas en su sitio. Últimamente todo lo que leía sobre el tema es como si se hubiera descubierto la panacea contra todas las infecciones, cuando más de la mitad de aislamientos que tenemos en clínica son Gram-negativos!! Si no me equivoco aún está en fase preclínica, por lo que habrá que ver como se comporta en humanos, (farmacoconética, dosis, efectos secundarios, etc). En fin, que me parece una muy buena noticia el que se haya descubierto este nuevo antibiótico, pero en mi opinión hemos de tomárnoslo con calma. Enhorabuena por el post :)

PD: una sola cosilla, cuando explicas el modo de acción de la teixobactina y hablas de la composición de la pared bacteriana dices Gram negativas y creo que te refieres a Gram positivas.

Saludos

Manuel Sánchez dijo...

Gracias Angel. No he querido meterme en el aspecto de lo preclínico/clínico y el desarrollo como medicamento porque se hacía muy largo, pero ya que estamos aprovecho.

En el 2006 se descubrió la Platensimicina (http://www.nature.com/nature/journal/v441/n7091/full/441260a.html). Pues creo que todavía no se ha podido ni llegar a la Fase I por dificultades en su producción a gran escala. Y es que una cosa es encontrar algo y testarlo en laboratorio y otra muy distinta tener cantidad suficiente de ese "algo" para ser probado en humanos.


Efectivamente, se me coló un "negativo". Ya está corregido. Muchas gracias

Adrià Auladell Martín dijo...

¡Una buena entrada!
El Ichip tiene mucho potencial, habrá que ver a que precios lo comercializan o si se puede saltar la patente por la patilla.

esconderlamano dijo...

Coincido con Ángel. Post fantástico, Manuel.
Esperemos, como dices, que la Teixobactina finalmente se apunte al gimnasio de los ensayos clínicos y haga perder a los teicoicos unos pocos kilos. Hahaha

Saludos, buena tarde.

Manuel Sánchez dijo...

Gracias por los comentarios

Adriá, aunque el iChip esté patentado (que lo está) se puede usar como herramienta de investigación sin pagar royalties. Las patentes sólo se aplican en caso de que vayas a hacer una actividad comercial.

Saludos

Esteban Fernández Moreira dijo...

Fantástica entrada. Completamente de acuerdo: es la red lo realmente innovador. En mi sección Circo de Bacterias en el programa Efervesciencia de la Radio Galega hablaba de una batea (las estructuras que se usan en Galicia para criar el mejillón "in situ") de microbios :)

Amara dijo...

¡Magnífica entrada Manuel! Me ha encantado

cienciasycosas.com dijo...

Grandísima explicación

Manuel Sánchez dijo...

Muchas gracias a todos

DAVID ELOY GUERRA MAZO dijo...
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