Por Ana M. Pertierra

Durante cualquier infección, se libra una batalla entre la bacteria que intenta colonizarnos, y nuestro propio organismo que lucha por combatirla. Los mecanismos de defensa de nuestro cuerpo y las estrategias de los patógenos para sortearlos son muchos, pero uno que ha emergido en los últimos años como particularmente relevante aunque no comprendido del todo es el que involucra las llamadas Especies Reactivas de Azufre: Unos compuestos azufrados esenciales para cualquier organismo (incluidas las bacterias patógenas) pero tóxicas en altas concentraciones.⁣

Daiana Capdevila Jefa del Laboratorio de Fisicoquímica de Enfermedades Infecciosas de la FIL.

Los científicos del Laboratorio de Fisicoquímica de Enfermedades Infecciosas de la Fundación Instituto Leloir liderados por la Dra. Daiana Capdevilla determinaron que las bacterias poseen sensores de compuestos de azufre, que actúan inhibiendo la producción de las toxinas bacterianas y pasar inadvertidas para luego instalarse de forma permanente en la parte del intestino en la que no está tan amenazada. Estos hallazgos los acaban de publicar en Journal of Biological Chemistry

FABAinforma se comunicó con Daiana Capdevilla, Doctora en Ciencias Químicas y Jefa del Laboratorio de Fisicoquímica de Enfermedades Infecciosas de la Fundación Instituto Leloir, quien explicó estos hallazgos y su repercusión en la salud humana.

¿Cuál es el nuevo mecanismo descubierto por su equipo de investigación que utiliza el Vibrio cholerae para provocar la infección intestinal eludiendo la respuesta inmune?

Cristian Pis Diez y Giuliano Antelo, primer y segundo autor del trabajo publicado en el Journal of Biological Chemistry.

En las etapas tempranas de una infección, cuando el patógeno recién ha ingresado en nuestro organismo e ingresa en el tracto digestivo, parte de nuestra respuesta inflamatoria y en particular nuestras propias bacterias intestinales liberan un exceso de compuestos azufrados que resultaría letal al patógeno si este no tuviera maneras de lidiar con él. Vibrio cholerae basa su infección en la secreción de toxinas cuyo éxito depende de que éstas se expresen en el momento justo, que en este caso es cuando la bacteria se encuentra cerca de la pared del intestino, donde hay más oxígeno y menos compuestos azufrados tóxicos. Lo que nosotros descubrimos en este trabajo es que una proteína especial de V. cholerae llamada HlyU (pronunciado entre los amigos, “jailu”) detecta específicamente Especies Reactivas de Azufre y evita, creemos, la síntesis de toxinas hasta que la bacteria salga del lumen intestinal (donde hay gran cantidad de estas especies) y se aloje en la pared.

HlyU funciona gracias a unos aminoácidos de Cisteína que evolucionaron para detectar específicamente estas especies. La especificidad es algo esencial acá.

Como dije, los factores estresantes que las bacterias deben sortear son muchos, y que se “crucen los cables” entre sistemas de detección para distintos tipos de estrés podría evitar que la bacteria lleve a cabo una colonización de su hospedador exitosa.

Para nosotros resulta absolutamente necesario conocer cómo ha evolucionado esta especificidad en bacterias, que en el fondo está determinada por la estructura (su forma) y la dinámica (su capacidad de movimiento) de estas proteínas. Ambas son propiedades fundamentales de las biomoléculas, que son reveladas por la Biología Estructural que nosotros y otros hacen en el laboratorio. Entender estas propiedades puede ayudarnos a combatir infecciones tornando a la propia biología del patógeno en su contra.

"Si conocemos los mecanismos de regulación de la producción de toxinas que dan lugar a esa colonización, podemos desarrollar o reposicionar fármacos que inhiban estos mecanismos de regulación. Esto dejaría a la bacteria relativamente más indefensa dentro de nuestro organismo, dando lugar a que pueda ser tratada más efectivamente por un antibiótico, o a que sea vencida por nuestro sistema inmune."

En este estudio nos centramos en Vibrio cholerae ya que es el causante de una enfermedad prevalente y muy importante, muchas veces letal, en humanos. Además, siendo un patógeno intestinal, nos permite corroborar las hipótesis que se tienen sobre el efecto de las especies reactivas de azufre en este tipo de organismos. Sin embargo, el mecanismo usado por V. cholerae para detectar estos compuestos tóxicos no es único para este organismo.

¿Este mecanismo es exclusivo de esta bacteria o también lo utilizan bacterias intestinales productoras de toxinas?

El mecanismo de regulación de tipo ditiol, mediado por cisteínas reactivas que tienden a formar puentes polisulfuro, es algo que se ha observado en otros reguladores transcripcionales pertenecientes a distintos organismos. Por ejemplo, nuestro grupo ha publicado hace pocos años un trabajo sobre la proteína SqrR, perteneciente a la familia ArsR y que se encuentra en la bacteria Rhodobacter Capsulatus, en el cual se demuestra que SqrR tiende a reaccionar con especies reactivas de azufre para formar un puente tetrasulfuro entre sus dos cisteínas reactivas, regulando así la producción de otras proteínas involucradas en el metabolismo de azufre. De manera similar, otros grupos, entre los que se encuentran nuestros colaboradores, han caracterizado numerosas proteínas con una reactividad similar. Entre ellas están BigR y FisR, involucradas en la formación de biofilms y que se encuentran en el patógeno humano Acinetobacter baumanii, o la proteína YgaV, relacionada con la resistencia a antibióticos en la bacteria E. Coli.

A su vez, este mecanismo particular de regulación de producción de toxinas por parte de la proteína HlyU se ha visto en otras bacterias de la especie Vibrio, como V. vulnificus y V. parahemolyticus. En estos organismos que son mucho mas peligrosos que V. cholerae, HlyU también es responsable de la regulación de toxinas.

¿Cuál sería el aporte de este nuevo conocimiento al futuro desarrollo de soluciones terapéuticas?

Como sabemos, los antibióticos como método de lucha tradicional contra las bacterias están dejando de funcionar, por lo que es necesario explorar alternativas que se puedan desarrollar en el corto o mediano plazo para reemplazarlos o en el mejor de los casos complementarlos. En este contexto, entender los mecanismos mediante los cuales una bacteria coloniza distintas partes de nuestro organismo, en este caso el intestino, nos abre un panorama más amplio respecto de qué estrategia encarar para hacerle frente.

Por un lado si conocemos los mecanismos de regulación de la producción de toxinas que dan lugar a esa colonización, podemos desarrollar o reposicionar fármacos que inhiban estos mecanismos de regulación. Esto dejaría a la bacteria relativamente más indefensa dentro de nuestro organismo, dando lugar a que pueda ser tratada más efectivamente por un antibiótico, o a que sea vencida por nuestro sistema inmune.

Por otro lado, si comprendemos en mayor detalle cómo las bacterias comensales que están en nuestro intestino pueden ayudarnos a evitar infecciones es un campo que está creciendo muchísimo y tiene un potencial de contribuir con alternativas terapéuticas muy novedosas. La verdad es que nuestros intestinos están llenos de bacterias que son importantes para nuestra salud y para prevenir infecciones. En la medida que comprendamos mejor los mecanismos, a futuro quizás en lugar de matar a todas las bacterias de nuestros intestinos usando antibióticos, podemos tener terapias en las que aprovechemos a las bacterias buenas para evitar las malas.

¿Con qué herramientas metodológicas llegaron a esos resultados?

La técnica estrella fue la espectrometría de masa que nos permitió identificar las modificaciones postraduccionales a nivel de la proteína, hacer estudios de reactividad para establecer que prendía la transcripción y además ver cuáles eran las especies reactivas de azufre que estaban adentro de las células. También usamos resonancia magnética nuclear (RMN) que es una de las técnicas mas importantes en mi grupo de investigación, para estudiar los cambios conformacionales que introducen estas especies en la proteína. A través de colaboraciones también pudimos trabajar con el patógeno y determinar cuándo se expresaba la toxina.

¿Qué repercusión ha tenido en la comunidad científica la publicación de este trabajo?

La comunidad científica de las especies reactivas de azufre es una comunidad muy activa, nuestro grupo es pionero en la identificación de la química que tienen estas especies en bacterias. Esta es la primera vez que se conecta a las especies reactivas de azufre con la virulencia de forma tan directa, asi que este trabajo está llamando la atención. Están surgiendo muchas alternativas interesantes de colaboraciones y eso nos pone muy contentos.

Una enfermedad evitable El cólera se contrae por ingerir agua o alimentos contaminados con la bacteria. Tiene un período de incubación corto (oscila entre 12 horas y cinco días) y si bien la mayoría de las personas son asintomáticas o presentan síntomas leves o moderados, alrededor del 20% puede desarrollar diarrea aguda con deshidratación grave y correr peligro de muerte. Aunque puede tratarse fácilmente con una solución rehidratante, el cólera sigue siendo una amenaza mundial debido a su impacto en poblaciones que carecen de acceso a una atención sanitaria adecuada. Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), desde mediados de 2021 el mundo se enfrenta a “un agudo repunte de la séptima pandemia de cólera, caracterizado por el número, la magnitud y la concurrencia de múltiples brotes, la propagación a zonas que llevaban decenios libres de cólera y unas tasas de mortalidad alarmantemente altas”. La solución a largo plazo para el control del cólera reside en el desarrollo económico y el acceso universal al agua potable y a un saneamiento adecuado. Las acciones dirigidas a mejorar las condiciones ambientales incluyen la aplicación de soluciones adaptadas y sostenibles a largo plazo en materia de agua y saneamiento para garantizar el uso de agua potable, un sistema de saneamiento básico y buenas prácticas de higiene en los focos de cólera.