Versioni di enzimi batterici di nuova concezione rivelano come gli antibiotici potrebbero essere più potenti

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30 agosto 2023

Foto: LAGUNA DESIGN/Getty

M La medicina moderna dipende dagli antibiotici per trattare le infezioni disabilitando i bersagli all’interno delle cellule batteriche. Una volta all’interno di queste cellule, gli antibiotici si legano a determinati siti su specifici bersagli enzimatici per fermare la crescita batterica. Cambiamenti casuali (mutazioni) nei geni di questi bersagli si verificano naturalmente, in alcuni casi rendendo il bersaglio più difficile da attaccare per l’antibiotico e quella versione batterica resistente al trattamento.

Per questo motivo, più antibiotici sono stati utilizzati nel tempo, maggiori sono le possibilità che le popolazioni batteriche si evolvano per avere mutanti resistenti agli antibiotici esistenti, e più urgente è la richiesta di nuovi approcci per evitare che i trattamenti diventino obsoleti. I ricercatori studiano da decenni i mutanti resistenti nella speranza che i meccanismi correlati possano guidare la progettazione di nuovi trattamenti per superare la resistenza. Lo sforzo è stato limitato, tuttavia, perché i mutanti resistenti presenti in natura rappresentano una piccola frazione delle mutazioni che potrebbero eventualmente verificarsi (lo spazio mutazionale completo), e la maggior parte delle mutazioni del sito di legame dei farmaci fino ad oggi sono state trascurate.

Per affrontare questa sfida, un nuovo studio condotto da ricercatori della NYU Grossman School of Medicine ha applicato una tecnologia chiamata MAGE (multiplex automatizzato genoma engineering) per generare l’inventario completo delle mutazioni nella specie batterica Escherichia coli dove l’antibiotico rifampicina si lega e disabilita un enzima batterico essenziale noto come RNA polimerasi (RNAP). Gli autori dello studio hanno creato 760 mutanti RNAP unici sostituendo ciascuno dei 38 elementi costitutivi di aminoacidi che costituiscono il sito di legame della rifampicina su E. coli con ciascuna delle 20 opzioni di aminoacidi presenti in natura. La crescita di questo pool mutante è stata poi testata in diverse condizioni, compreso il trattamento con rifampicina.

Pubblicato online il 30 agosto sulla rivista Nature, lo studio ha scoperto due mutanti, L521Y e T525D, che sono ipersensibili alla rifampicina. L’antibiotico non solo impedisce la crescita di questi mutanti, ma quasi annienta le popolazioni batteriche mutanti. Si tratta di una scoperta notevole, affermano gli autori, perché la rifampicina normalmente non uccide l'E. coli, o molti altri batteri patogeni, ma ne blocca solo la crescita.

“Questo lavoro fornisce una mappa delle interazioni RNAP antibiotico-batterico che sarà utile ai chimici che lavorano per sviluppare gli effetti dello studio modificando, non i residui dei siti di legame batterici, ma piuttosto la struttura della rifampicina e di altri antibiotici in modo che si leghino più strettamente per maggiore potenza", ha affermato il co-investigatore senior dello studio Evgeny A. Nudler, PhD, professore di biochimica Julie Wilson Anderson presso il Dipartimento di biochimica e farmacologia molecolare presso la NYU Langone Health. "I nostri risultati suggeriscono anche modi per migliorare la capacità della rifampicina di legarsi a proteobatteri, actinobacter e firmicutes, gruppi batterici che includono mutazioni naturali RNAP che li rendono vulnerabili alla rifampicina."

L'Escherichia coli immagazzina le istruzioni genetiche nelle catene di DNA, ma poi le converte in un materiale genetico correlato nell'RNA, con l'RNAP che costruisce le catene di RNA che guidano la costruzione delle proteine ​​a partire dagli amminoacidi. I mutanti creati nel nuovo studio hanno rivelato che la rifampicina uccide i batteri bloccando l’RNAP, provocando così collisioni tra esso e il macchinario cellulare che opera nello stesso spazio molecolare per duplicare il DNA mentre le cellule si dividono e si moltiplicano. Ciò a sua volta provoca rotture letali in entrambi i filamenti del DNA batterico.

In altri approfondimenti dello studio, è stato scoperto che alcune delle mutazioni del sito di legame dell'RNAP di E. coli aumentano notevolmente la velocità con cui l'RNAP costruisce l'RNA, e quindi la velocità con cui utilizza le materie prime, compresi i blocchi nucleotidici come le pirimidine. Il lavoro ha implicazioni significative, affermano i ricercatori, per la comprensione del meccanismo d'azione utilizzato dagli analoghi nucleotidici come il farmaco antitumorale 5FU. Capire come la deplezione dei nucleotidi sensibilizza le cellule alle forniture di nucleotidi può aiutare nella progettazione di nuove terapie combinate, dicono.