Paso clave hacia la próxima generación de antibióticos

Un nuevo estudio sobre la síntesis de ADN en bacterias aporta datos nuevos y reveladores que serán de gran utilidad para avanzar en las investigaciones orientadas a desarrollar la próxima generación de antibióticos,

El estudio lo ha realizado un equipo dirigido por el Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) y el Instituto de Biología Molecular de Barcelona (IBMB, adscrito al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en España).

Los autores del estudio han conseguido obtener la imagen más detallada hasta la fecha de NrdR, el regulador principal de las ribonucleótido reductasas (RNR) en las bacterias. Los investigadores han obtenido las primeras imágenes detalladas de la estructura completa de la proteína NrdR y han demostrado cómo los cambios en la forma y la asociación de esta proteína afectan a la manera en que controla procesos clave dentro de la célula. Los hallazgos hechos en el estudio amplían el conocimiento científico de cómo las bacterias regulan la producción de los componentes moleculares del ADN, un aspecto crucial tanto para la microbiología fundamental como para el desarrollo de nuevas estrategias antimicrobianas.

Las ribonucleótido reductasas (RNR) son enzimas indispensables que convierten los ribonucleótidos en desoxirribonucleótidos (dNTP), los precursores que componen el ADN. Dado que la síntesis del ADN es fundamental para la supervivencia celular, la actividad de las RNR debe controlarse de manera muy estricta. En las bacterias, este control lo ejerce un regulador transcripcional especializado, el NrdR, que no tiene equivalente en los organismos eucariotas y, por lo tanto, representa una diana potencial para el desarrollo de agentes antimicrobianos. A pesar de su papel fundamental, la base estructural de la función de NrdR y los mecanismos por los que detecta los niveles de nucleótidos celulares y modula la expresión de las RNR solo se conocían parcialmente hasta el momento.

Ahora, este estudio comienza a llenar este vacío combinando la biología estructural, la caracterización biofísica y los ensayos funcionales para dibujar cómo la estructura cuaternaria de NrdR responde a diferentes estados de nucleótidos y cómo estos cambios afectan a su actividad reguladora.

Los investigadores centraron su estudio en dos importantes patógenos bacterianos: Escherichia coli, un patógeno modelo clave para el estudio de la fisiología bacteriana fundamental, y Pseudomonas aeruginosa, un patógeno oportunista reconocido por su resistencia inherente a muchos antibióticos y su papel en las infecciones crónicas. El trabajo de investigación fue dirigido por el grupo Infecciones Bacterianas: Terapias Antimicrobianas, del IBEC y el grupo de Biología Estructural de Macromoléculas Mitocondriales del IBMB, con la participación del grupo de Caracterización Bioeléctrica a Nanoescala del IBEC.

NrdR como nueva posible diana contra las infecciones bacterianas

La caracterización exhaustiva de la estructura y el mecanismo de NrdR supone un avance significativo en el conocimiento científico de la regulación transcripcional bacteriana. Al revelar cómo las bacterias regulan la síntesis de desoxirribonucleótidos en respuesta a las fluctuaciones de nucleótidos, el nuevo estudio proporciona un punto de partida estratégico para el desarrollo de agentes antimicrobianos. Dado que NrdR está ausente en las células humanas y desempeña un papel fundamental en la síntesis de precursores del ADN bacteriano, los conocimientos estructurales descubiertos aquí ofrecen una base sólida para diseñar moléculas que alteren selectivamente la homeostasis de los nucleótidos bacterianos. Estos conocimientos posicionan a NrdR como una diana antimicrobiana muy interesante cuya manipulación puede inspirar estrategias de próxima generación para combatir las infecciones bacterianas resistentes.

«Apuntar a un regulador tan importante podría debilitar las bacterias patógenas o ayudar a restaurar su susceptibilidad a los antibióticos existentes, lo que representa una vía prometedora para contrarrestar la creciente resistencia a los antimicrobianos», explica Eduard Torrents, investigador principal del grupo Infecciones Bacterianas: terapias antimicrobianas del IBEC, profesor asociado de la Universidad de Barcelona (UB) y coautor del estudio.

Descifrando la estructura 3D de NrdR y su importancia biológica

Los investigadores identificaron primero qué genes están controlados por NrdR en estas bacterias. A continuación, el equipo determinó, mediante cristalografía de proteínas con rayos X, la estructura tridimensional de la proteína NrdR en E. coli, descubriendo cómo las moléculas de proteína se asocian entre sí para formar ensamblajes. Aunque utilizaron diferentes técnicas, como la dispersión de luz multiángulo (SEC-MALS) y la microscopía de fuerza atómica, los investigadores también examinaron cómo estos ensamblajes cambian en respuesta a la presencia de diferentes nucleótidos, revelando un sistema altamente dinámico regulado por estos metabolitos. «Tras determinar la estructura cristalina, el siguiente paso crucial es descifrar si las interacciones observadas en el cristal tienen significado biológico, en este caso, cómo NrdR responde a los nucleótidos», afirma Maria Solà, investigadora principal del grupo de Biología Estructural de Macromoléculas Mitocondriales del IBMB y coautora del estudio.

Maria Solà (izquierda) y Eduard Torrents (derecha), del equipo de investigación. (Foto: IBEC)

Para discernir la influencia de los estados estructurales en la actividad de unión al ADN y la regulación, los investigadores realizaron una validación funcional de las interacciones proteína-proteína observadas en el cristal utilizando mutaciones puntuales, ensayos de desplazamiento de movilidad electroforética y ensayos de transcripción in vitro. Es importante destacar que el trabajo aclara cómo NrdR responde a las señales intracelulares —en particular, ATP y dATP— para cambiar entre estados activos y represivos, ajustando así la expresión de RNR de acuerdo con las necesidades celulares, tal como explica Lucas Pedraz, coautor del estudio. Estos hallazgos contradicen las suposiciones anteriores, más simplistas, sobre la regulación de NrdR, y revelan un mecanismo finamente ajustado por el cual la unión de nucleótidos impulsa transiciones estructurales que influyen directamente en la unión al ADN y la represión génica.

El estudio se titula “Structure and mechanistic basis of NrdR, a bacterial master regulator of ribonucleotide reduction”. Y se ha publicado en la revista académica International Journal of Biological Macromolecules. (Fuente: IBEC)