¿Cómo buscar nuevos objetivos para un antimicrobiano?

Origen de la imagen: MicrobiologyBytes

Actualmente se han secuenciado más de 800 genomas bacterianos, se han descifrado 430 rutas metabólicas, se han caracterizado 4743 enzimas, y se conoce la estructura tridimensional de 9257 proteínas metabólicas pertenecientes a bacterias. La tecnología computacional permite manejar toda esa gran cantidad de información de manera relativamente sencilla. ¿Y por qué no se utiliza toda esa ingente cantidad de información para diseñar nuevas sustancias antimicrobianas? Por ejemplo contra la bacteria que causa la tuberculosis. Pues lo cierto es que esa tarea no es tan sencilla como parece a simple vista.

Mycobacterium tuberculosis, la bacteria que causa la terrible enfermedad. Origen de la imagen: MicrobiologyBytes

Los antibióticos son las sustancias antimicrobianas más conocidas. Suelen bloquear algún proceso biológico esencial para las bacterias. Por ejemplo, la penicilina inhibe irreversiblemente la enzima responsable de realizar la última etapa de la síntesis del peptidoglicano, la molécula principal que forma la pared bacteriana. Sin peptidoglicano no hay pared, y sin pared la bacteria muere. Pero a veces ocurre que esas proteínas y enzimas esenciales están muy conservadas en diferentes grupos bacterianos, sean estos patógenos o beneficiosos. Nuestras bacterias de la microbiota intestinal también tienen peptidoglicano, y también se mueren cuando tomamos penicilina. Muchos hemos experimentado diarreas después de un tratamiento prolongado con dichos fármacos, y aquí en el blog hemos comentado un ejemplo en el que tras acabar con los bichos malos, también se acaba con los buenos, y se termina con que el remedio es peor que la enfermedad.

Dianas de diversos antibióticos en el patógeno Mycobacterium tuberculosis. Origen de la imagen:Cowan Microbiology

El matar indiscriminadamente a las bacterias patógenas y no patógenas tiene un efecto adverso adicional. Se incremente la posibilidad de aparición de resistencias a los antibióticos, ya que el efecto de selección del fármaco se produce sobre todas las poblaciones. Si una bacteria simbionte del tracto intestinal desarrolla una resistencia a los antibióticos, la información genética que codifica para ese carácter puede acabar en una bacteria patógena mediante transferencia genética horizontal. Si se consiguiera diseñar una molécula que sólo afectara a los patógenos, se disminuiría la probabilidad de que aparecieran resistencias ya que la selección no es sobre todas la poblaciones de microorganismos, sino sólo sobre los patógenos.

¿Qué se puede hacer? Un grupo de investigadores de la universidad de Jaypee en la India ha intentado utilizar toda esa gran cantidad de información para intentar identificar aquellas proteínas que son esenciales en las bacterias patógenas, pero no lo son en las beneficiosas. O bien, si ambas proteínas esenciales se encuentran en las "buenas" y en las "malas", intentar identificar que dominios o que aminoácidos de su secuencia son distintos en unas y en otras. Este sería el primer paso para desarrollar antibacterianos totalmente específicos para microorganismos patógenos.

Para ello han desarrollado una herramienta informática que han bautizado como UniDrug-Target. Esta herramienta se basa en unos algoritmos que permiten comparar los datos de secuencias peptídicas, dominios proteicos y reacciones metabólicas catalizadas por diversas enzimas. Esas comparaciones permiten construir lo que han dado en llamar redes metabólicas parciales (partial metabolic networks o PMNs). La utilidad de estas redes es que permiten identificar que proteínas son críticas en los procesos metabólicos de un determinado microorganismo, y por lo tanto si se consigue desarrollar un medicamento que las inactive, se puede inhibir a dicho microorganismo.

Ejemplo del análisis de una de las proteínas específicas del patógeno Mycobacterium tuberculosis identificada como gi:15607938 para determinar el grado de conservación a nivel de dominio en la comparación a bajo nivel entre secuencias específicas del patógeno y secuencias de bacterias no-patogénicas. Fuente de la imagen: Chanumolu et al.

¿Cual ha sido la primera bacteria que ha sido analizada de ese modo? Pues Mycobacterium tuberculosis, el bacilo de Koch, ya que supone una auténtica pesadilla para la salud pública de la India, sobre todo por el incremento de cepas MDR, y XDR, y por la reciente descripción de cepas TDR. Al realizar el análisis se han encontrado con 256 proteínas específicas de las cuales 17 son proteínas esenciales que podrían ser el objetivo de nuevos fármacos capaces de combatir a Mycobacterium tuberculosis. Estas proteínas están involucradas en los procesos de iniciación de la infeción, persistencia del patógeno en el organismo y reactivación. Esperemos que el desarrollo de esos nuevos fármacos para combatir la tuberculosis no sea muy largo.

Predicción de un "bolsillo" formado por distintos aminoácidos en una proteína específica de M. tuberculosis que podría ser un objetivo para un antimicrobiano de diseño. Fuente de la imagen: Chanumolu et al.

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Chanumolu, S., Rout, C., & Chauhan, R. (2012). UniDrug-Target: A Computational Tool to Identify Unique Drug Targets in Pathogenic Bacteria PLoS ONE, 7 (3) DOI: 10.1371/journal.pone.0032833

Joseph Lister: bacterias, fenol, aerosoles y colutorios

El milagro de San Cosme y San Damián | Pintura atribuida a Fernando del Rincón. En la Roma medieval el presbítero de la iglesia dedicada a estos santos sufrió una infección en su pierna que se gangrenó. Una noche, los santos vinieron y se la amputaron. Para no dejar cojo al paciente, ya que era el encargado de limpiar su iglesia, se fueron al cementerio y tomaron la pierna de un criado moro que había muerto recientemente implantándosela al presbítero. En el cuadro puede observarse la pierna gangrenada del presbítero en el cadáver del pobre moro. No es de extrañar que ambos sean los patrones de la cirugía pues consiguieron hacer un trasplante de pierna hace varios siglos sin necesidad de fruslerías como instrumental quirúrgico moderno, los anestésicos, los inmunosupresores, o las técnicas asépticas que utilizamos hoy en día. Origen de la imagen: Tiempo para la memoria

La operación ha sido un éxito, pero el paciente ha muerto de una infección - era una frase bastante utilizada por los cirujanos del siglo XIX. En esa época la aplicación de la anestesia había supuesto una auténtica revolución en la práctica quirúrgica. Pero los pacientes intervenidos seguían muriendo a causa de la gangrena de sus heridas.

Si entrabas en un quirófano te la jugabas a cara o cruz, ya que el porcentaje de mortalidad era de un 50 por ciento. Y es que las condiciones de higiene de las instalaciones sanitarias de aquellos tiempos dejaban mucho de desear. Como máximo se usaba ropa y vendajes limpios, pero generalmente los cirujanos limpiaban someramente sus manos y su instrumental antes de intervenir a un paciente. Aunque por otra parte era lógico si consideramos que nadie sabía con certeza qué era lo que causaba esas infecciones.

Este año se conmemora el centenario de la muerte de Joseph Lister (1827-1912), el médico británico pionero en el desarrollo de las técnicas antisépticas en cirugía.

A comienzos de la década de 1860, Lister había leído los trabajos de Pasteur sobre la pebrina de los gusanos de seda, la presencia de microorganismos en el aire, la fermentación y la putrefacción por el crecimiento anaeróbico de los microorganismos. En ellos se describían tres formas de eliminar a los microbios: la filtración, el calor, o los productos químicos. Lister pensó que la gangrena era una forma de putrefacción y que podría ser provocada por los microorganismos presentes en el ambiente o en los instrumentos quirúrgicos. Así que meditó en la forma de eliminarlos para el caso de tener que intervenir quirúrgicamente a los pacientes. La filtración estaba descartada. El calor podría ser utilizado con algunos materiales e instrumentos médicos, pero no podía usarse con los pacientes. Sólo quedaban los compuestos químicos.

Lister se puso a buscar que tipo de compuesto podría utilizar en cirugía. Debía ser algo que evitase la putrefacción. Uno de esos compuestos era la creosota, un líquido obtenido al destilar la hulla, que se utilizaba para evitar que se pudrieran las traviesas de las vías del tren. Pero ese producto no podía utilizarse sobre tejido humano ya que producía quemaduras. La creosota era en realidad una mezcla de diversos compuestos.

Estructura química del fenol (Wikipedia)

En 1834 el químico Friedlieb Ferdinand Runge había destilado de la creosota una fracción líquida a temperatura ambiente que denominó ácido carbólico (ahora lo conocemos como fenol). Uno de los usos del carbólico era eliminar el hedor causado al tratar los campos a los que se había añadido estiércol como abono. Lister pensó que el efecto del carbólico era debido a que inhibía la putrefacción del estiércol, así que se le ocurrió que quizás el carbólico podría ser utilizado para evitar la putrefacción en las heridas.

Lister insistió en la importancia de la higiene de las manos del cirujano y en el tratamiento antiséptico de los instrumentos. Trataba con soluciones de fenol al 5% el instrumental quirúrgico, los vendajes e incluso la piel de la zona que debía ser intervenida. Para eliminar los microorganismos que pudiera haber en el aire, inventó un aparato que aerosolizaba la solución de fenol. Sus métodos fueron todo un éxito pues constató que la incidencia de gangrena disminuyó considerablemente.

Aerosolizador de Lister usado en las intervenciones quirúrgicas. El grabado de la izquierda muestra como era usado durante la intervención. La solución de carbólico estaba en la jarra de cristal. La caldera contenía agua que era calentada por un mechero de alcohol para vaporizarla. El vapor salía por un tubo que se comunicaba con la jarra conteniendo el carbólico lo que causaba un efecto succión originándose el aerosol. Al final de una intervención todo el mundo acababa mareado y con dermatitis provocada por el fenol. Incluso se daban casos de nefritis. Con el tiempo se demostró que el nivel de microorganismos aéreos era muy bajo si el quirófano era limpiado previamente, por lo que el aerosolizador de Lister cayó en desuso. | Origen de las imágenes: Sciencemuseum y Superstock

En agosto de 1865, Lister realizó una intervención en una fractura compuesta de un niño de 11 años cuya pierna había sido aplastada por un carro. Tras la operación aplicó sobre la herida un paño de lino impregnado previamente en una solución de fenol. A los cuatro días comprobó que no se había producido ninguna infección.

Después de seis semanas los huesos se habían soldado y la herida no había mostrado ninguna supuración. Sus resultados fueron publicados en una serie de cinco artículos publicados en The Lancet a lo largo de 1867. Ese mismo año dio una conferencia en la British Medical Association de Dublin titulada On the Antiseptic Principle of the Practice of Surgery. También escribió una elogiosa carta a Pasteur que decía:

Permitidme daros cordialmente las gracias por haberme mostrado la verdad de la teoría de la putrefacción microbiana con sus brillantes investigaciones y por haberme proporcionado el sencillo principio que ha convertido en un éxito el sistema antiséptico. Si viniese a Edimburgo, no dudo que para usted sería una auténtica recompensa el ver como en nuestro Hospital la Humanidad se beneficia en gran medida de sus trabajos.

Pasteur se sintió tan orgulloso de la carta que la publicó en su libro sobre la microbiología de la cerveza. Los procedimientos utilizados por Lister consiguieron que la mortalidad en los quirófanos bajara de un 50 a un 6%. Todo un logro. Sin embargo el uso del carbólico tenía muchos inconvenientes y fue progresivamente sustituido por otras técnicas antisépticas menos agresivas con el paciente y los doctores. Lister se retiró de la práctica médica en 1892 tras la muerte de su esposa, pero siguió recibiendo numerosos reconocimientos por su labor. En 1897 fue nombrado barón, y entre 1895 y 1900 fue presidente de la Royal Society. También actúo como “asesor científico” del grupo de cirujanos que tuvo que operar a Eduardo VII. Resulta que dos días antes de su coronación, sufrió un ataque de apendicitis. Lister dictó las instrucciones para la intervención y los cirujanos las siguieron a pies juntillas. Posteriormente el rey reconoció que si no hubiera sido por Lister, nunca se habría sentado en el trono.

La herencia de Lister todavía sigue presente. Como el fenol fue el primer producto biocida usado de manera científica, se utiliza como compuesto de referencia con el que se comparan todos aquellos compuestos que presentan propiedades antimicrobianas. Es lo que se conoce como coeficiente fenol.

Cálculo del coeficiente fenol de un antimicrobiano. Se compara el efecto sobre un cultivo microbiano a diferentes tiempos y con distintas diluciones del compuesto a examinar con las del fenol. El coeficiente se calcula dividiendo las diluciones más altas del compuesto y del fenol capaces de matar a los microorganismos a los 10 minutos pero no a los 5 minutos de su acción. Si el coeficiente es mayor que 1, el compuesto es más potente que el fenol. | Origen de la imagen: whoguideline

Pero además, el nombre de Lister es recordado por dos cosas más: una bacteria y un colutorio antiséptico.

Hablemos de la Listeria en primer lugar. Este género de bacterias patógenas fue probablemente descubierto por el microbiólogo sueco G. Hulphers que observó una bacteria que producía una necrosis hepática en conejos. Así que la llamó Bacillus hepatis.

Listeria monocytogenes (Wikipedia)

En 1926 el microbiólogo E. Murray identificó a este patógeno en un brote que también afectaba a conejos y observó que provocaba una mononucleosis, por lo que la denominó Bacterium monocytogenes.

De manera independiente, un microbiólogo sudafricano llamado J. Pirie describió una bacteria como causa de una plaga en los gerbillos, un tipo de roedor. La denominó Listerella hepatolytica en honor a Lister. Pero posteriormente se demostró que ambas bacterias eran la misma, así que se decidió que el mejor nombre era el de Listerella monocytogenes ya que la mononucleosis era un síntoma muy evidente de la infección.

Sin embargo, en 1940 se decidió cambiar el nombre a Listeria, ya que el género Listerella tenía dueño desde 1906. Se trataba de un género de un mixomiceto, un hongo mucoso como Dictyostelium, que había sido nombrado así en honor de Arthur Lister, hermano de Joseph Lister y un experto en dichos microorganismos.

Aspecto de colonias del mixomiceto Listerella paradoxa. Origen de la imagen: Discover life

¿Y el "Listerine"? Pues fue una forma de aprovechar la fama de Lister creando una marca comercial. El producto fue desarrollado en 1879 en los Estados Unidos por el doctor Joseph Lawrence como un antiséptico para todo tipo de uso: desde heridas superficiales hasta el tratamiento de la caspa.

Pero fue el farmacéutico Jordan Wheat Lambert el que registró la fórmula, creó una compañía y comenzó a venderlo a los dentistas como un antiséptico bucal. Fueron estos lo que comenzaron a usarlo para eliminar la halitosis de los pacientes que debían tratar en sus consultas. De esa manera se convirtió en un gran éxito comercial, aunque Lister nunca vio un solo dólar de las ventas.

Antigua botella de Listerine y anuncio para usar el producto para tratar la caspa en la década de 1950. | Origen de las imágenes: Kilmer House y BAB

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Este post fue publicado inicialmente en Amazings...

Referencias



Seastone CV (1935). Pathogenic organisms of the genus Listerella. The Journal of experimental medicine, 62 (2), 203-12 PMID: 19870409

Hurwitz B, & Dupree M (2012). Why celebrate Joseph Lister? Lancet, 379 (9820) PMID: 22385682

Joseph Hanaway, Richard Cruess. McGill Medicine: The first half century, 1829-1885.

Paul de Kurif. Cazadores de Microbios. Biblioteca Científica Salvat

European Podcast Awards 2011: "El podcast del microbio" en el sexto puesto de su categoría

Hoy toca presumir. El podcast del Microbio, blog donde tengo enlazados todos los audios del programa "Tú, yo y los microbios" que se emite por Radio UMH, ha quedado en sexto puesto dentro de la categoría nacional para los podcast "non-profit" de los European Podcast Awards 2011. Desde aquí, muchas gracias a todos los que han votado al programa. Esperemos que el 2012 sea mejor.

Algas polares y cremas faciales.

Proliferación del alga Phaeocystis antartica vista desde el espacio. Origen de la imagen: AAD

Es muy probable que cualquiera de nosotros haya visto el agua de una charca completamente recubierta de una sustancia verde a la que se denomina "verdín". Su aspecto no suele ser precisamente muy agradable. Lo que estamos contemplando es lo que se denomina como una floración, proliferación o explosión de algas. En inglés recibe el nombre de Algal bloom.

Ese gran incremento de población puede ser causado por una cianobacteria o por un alga eucariota. Y es debido a que se han dado unas condiciones óptimas para que se produzca un crecimiento exponencial de dichos microorganismos. Generalmente esa proliferación es debida a una eutrofización, la acumulación de nutrientes en una determinada zona. Las proliferaciones de algas no están limitadas a pequeñas extensiones de agua. A veces pueden ocupar grandes superficies en ríos, lagunas o incluso en los mares. En este último caso, las proliferaciones de algas pueden ocupar enormes extensiones, de hasta miles de kilómetros cuadrados. Como estos microorganismos tienen en sus membranas pigmentos fotosintéticos el agua puede verse coloreada de verde, verdeazul o rojo. Así estas explosiones poblacionales pueden ser observadas y estudiadas mediante el uso de satélites artificiales.

Aspecto de las placas de hielo junto con la proliferación del alga Phaeocystis antartica flotando en el mar. Origen de la imagen: AAD

La última explosión poblacional de algas en ser detectada ha sucedido en la Antártida. Al parecer el viento que ha soplado sobre la zona denominada Placa de Hielo de Amery ha llevado una gran cantidad de nutrientes al mar. Actualmente en la Antártida es verano y hay una gran cantidad de luz a lo largo del día. Así que se han dado las condiciones óptimas para que el alga unicelular eucariota denominada Phaeocystis antarctica, crezca de manera exponencial hasta cubrir una superficie de 100 por 200 kilómetros cuadrados. De hecho, se ha convertido en la proliferación algal más grande jamás registrada en dicha área (ver fotografía superior). Este alga es bastante interesante porque debe de sobrevivir largos periodos de oscuridad junto con temperaturas de congelación. Es uno de los principales productores primarios del océano Antártico.

Phaeocystis antarctica. En la fotografía superior izquierda se puede ver una célula nadadora y en la inferior izquierda una célula colonial. A la derecha se puede ver una colonia formada por varias células embebidas en una matriz polisacarídica. P. antartica es una alga eucariota perteneciente a la división Haptophyta. Origen de las imágenes. Células individuales: VIMS. Colonia: Phaeocystis.org

Estas explosiones poblacionales son transitorias. En cuanto se acaban las condiciones que permitieron la proliferación el número de microorganismos declina muy rápidamente. En algunos casos eso sucede gracias a la ayuda de los virus. Es lo que se conoce como el efecto "matar al ganador" ya que la infección vírica depende de la densidad de hospedadores susceptibles de ser infectados. Y funciona así. Si hay pocos microorganismos presentes, un virus lo tiene difícil para infectar a uno de ellos y multiplicarse. Pero si el microorganismo susceptible está presente en grandes números, entonces el virus tiene muchísimas más probabilidades de infección y de multiplicación. Con lo cual hay muchos más virus presentes y así es más fácil acabar con toda la población.

Volviendo a P. antarctica, es probable que al lector le suene. Eso es debido a que es la protagonista de la última "maravilla" de la industria cosmética. Como puede verse en la página web del producto se supone que es uno de los ingredientes de una crema facial hidratante. Por si fuera poco, otro de sus ingredientes es "agua celular de plancton termal". Bueno, reconozcamos que vender agua con verdín a casi 1 euro el mililitro supera en imaginación a la venta de otros "productos milagro" como la coenzima Q10, la arginina o el resveratol. En fin, si alguien ve un barco de la compañía Biotherm entre los hielos polares recogiendo P. antarctica que me avise. Esperaré sentado.

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Tang KW, Smith WO Jr, Shields AR, & Elliott DT (2009). Survival and recovery of Phaeocystis antarctica (Prymnesiophyceae) from prolonged darkness and freezing. Proceedings. Biological sciences / The Royal Society, 276 (1654), 81-90 PMID: 18765338

Fuhrman, J., & Schwalbach, M. (2003). Viral Influence on Aquatic Bacterial Communities Biological Bulletin, 204 (2) DOI: 10.2307/1543557