SAVALnet CL

Bombas proteicas

En la persistencia bacteriana, una pequeña fracción de células sensibles a antibióticos cambia hacia un estado de crecimiento lento o latente, y se vuelve tolerante. Este fenómeno, difiere de la resistencia, ya que el número de células que se originan presenta la misma proporción de bacterias sensibles a los fármacos que había inicialmente. A pesar de esto, la persistencia se ha interpretado como una estrategia que aumenta las tasas de supervivencia de poblaciones bacterianas, evento clínicamente relevante, ya que podría suscitar infecciones recurrentes y crónicas. En una reciente investigación, Yingying Pu y colaboradores, desafiaron la visión generalizada de que la persistencia es un estado pasivo. Los autores demostraron que las bacterias persistentes utilizan una bomba proteica de flujo dependiente de energía llamada TolC para reducir, de forma activa, la acumulación intracelular del antibiótico - un hallazgo que podría tener gran relevancia terapéutica.

Los investigadores aislaron bacterias persistentes y las marcaron con un antibiótico fluorescente derivado de la penicilina. Observaron las células por medio de microscopía y encontraron que el antibiótico podría penetrar al interior de estas bacterias. Sin embargo, la concentración promedio del antibiótico al interior de las células tolerantes era aproximadamente el 20% de la encontrada en la población sensible al fármaco.

La proteína TolC es el componente de la membrana externa de una familia de bombas de flujo capaz de transportar pequeñas moléculas hacia fuera de la célula, ya sea desde el citoplasma o del espacio periplásmico entre las membranas bacterianas interna y externa. Utilizando sofisticados microfluidos combinados con microscopía de fluorescencia, los autores mostraron que TolC es responsable de un rápido trasporte del antibótico fluorescente (figura 1). Una explicación alternativa podría ser que se capte menor cantidad del antibiótico en estas células, pero los autores encontraron que la menor permeabilidad de la membrana debido al agotamiento de porinas disminuía solo ligeramente la captación del antibiótico. Estas observaciones plantean la posibilidad de que el aumento de los niveles de TolC contribuya a la tolerancia a esta clase de medicamento.

Figura 1. Subpoblaciones sensibles y persistentes. 

La persistencia es un fenómeno por el que una pequeña fracción de células en una población bacteriana sobrevive al tratamiento con antibióticos. Pu y colaboradores demuestran que las células persistentes sobreregulan la síntesis de la proteína TolC en las células tolerantes al fármaco. TolC es parte de una bomba de flujo que atraviesa la membrana, y a través de la cual se expulsa el antibiótico hacia fuera de la célula, promoviendo así la supervivencia.

Posteriormente, un análisis de las células en las que TolC se marcó con otro fluoróforo (Flash) reveló que las bacterias persistentes tenían niveles más altos de TolC que la subpoblación sensible. Por otra parte, cuando los autores aislaron la subpoblación de células con niveles relativamente altos de la proteína, encontraron que esta fracción contenía cerca de 20 veces más persistente que el resto de la población. Por lo tanto, existe una clara correlación entre un alto nivel de TolC y la persistencia. Los investigadores siguieron las células utilizando el marcaje TolC - Flash: estos experimentos sugieren que la mayor parte de las persistentes emergieron de una subpoblación que había aumentado los niveles de TolC incluso antes del tratamiento con el antibiótico. Este importante resultado garantiza más estudios, y plantea la interrogante de si el mecanismo molecular que subyace a la variación proteica independiente del antibiótico está fncionalmente separada de, o es un componente integral de otras vías que ya conocidas que regulan estocásticamente la inducción de persistencia.

La presente investigación, deja pocas dudas acerca de la participación de TolC en la persistencia. Lo más convincente, es que Pu y sus colegas mostraron que la deleción del gen codificante para TolC o la inhibición de esta proteína mediante un compuesto químico, reduce drásticamente el nivel de persistencia. Debido a que TolC es una proteína de la membrana externa, tales inhibidores pueden acceder fácilmente a la proteína. Estas observaciones plantean la interrogante de si en el futuro se podrán desarrollar co-fármacos que aumenten la eficacia de los antibióticos convencionales. Esto podría ser particularmente útil para el tratamiento de infecciones crónicas y recurrentes.

Previamente, se han involucrado a muchos otros genes en la persistencia bacteriana, incluyendo genes de la toxina-antitoxina (TA). La mayoría de los genes TA de tipo II codifican inhibidores de la traducción - por lo tanto, su expresión podría contribuir a la latencia de estas bacterias. En efecto, la supresión de varios genes  TA tipo II reduce significativamente la persistencia en Escherichia coli y en una subespecie de Salmonella entérica. Las pequeñas proteínas de membrana codificadas por estos genes también pueden inducir la persistencia, por medio de la despolarización de la membrana, reduciendo de este modo los niveles celulares de ATP, contribuyendo de esta forma a la latencia.

La expresión de las TA tipo I y II es inducida de una manera estocástica por las moléculas de señalización guanosina tetra- y pentafosfato, y así las dos proteínas podrían contribuir de forma sinérgica a la latencia mediante la reducción de los niveles de ATP y la síntesis de proteínas, respectivamente. Pero, ¿Cómo podría la variación estocástica de los niveles de TolLC encajar en el esquema de regulación que controlan las TA tipo I y II? La expresión del gen tolC está regulada por varios activadores de la transcripción que responden a compuestos químicos, incluidos los antibióticos, pero si la expresión se induce también estocásticamente antes del estrés químico, la proteína TolC podría actuar en concierto con ambos tipos de TA para aumentar la tolerancia bacteriana a las drogas. Este sería el primer ejemplo de un mecanismo que contribuye a la tolerancia a múltiples fármacos inducida estocásticamente. De todas formas, se requiere más investigación para resolver este emocionante asunto.