La estructura de la proteína ofrece pistas sobre el mecanismo de resistencia a los fármacos

Químicos del MIT han descubierto la estructura de una proteína que puede bombear moléculas tóxicas fuera de las células bacterianas. Proteínas similares a ésta, que se encuentra en E. colise cree que ayudan a las bacterias a volverse resistentes a múltiples antibióticos.

Usando espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN), los investigadores pudieron determinar cómo cambia la estructura de esta proteína a medida que una molécula similar a un fármaco se mueve a través de ella. El conocimiento de esta estructura detallada puede hacer posible el diseño de medicamentos que podrían bloquear estas proteínas de transporte y ayudar a volver a sensibilizar a las bacterias resistentes a los medicamentos a los antibióticos existentes, dice Mei Hong, profesora de química del MIT.

«Conociendo la estructura del bolsillo de esta proteína que se une al fármaco, se podría intentar diseñar competidores para estos sustratos, de modo que se pudiera bloquear el sitio de unión y evitar que la proteína elimine los antibióticos de la célula», dice Hong, quien es el autor principal del artículo.

El estudiante graduado del MIT, Alexander Shcherbakov, es el autor principal del estudio, que aparece hoy en Comunicaciones de la naturaleza. El equipo de investigación también incluye al estudiante graduado del MIT Aurelio Dregni y dos investigadores de la Universidad de Wisconsin en Madison: el estudiante graduado Peyton Spreacker y la profesora de bioquímica Katherine Henzler-Wildman.

Transportadores de resistencia a fármacos

Bombear medicamentos a través de sus membranas celulares es una de las muchas estrategias que las bacterias pueden usar para evadir los antibióticos. Durante varios años, el grupo de Henzler-Wildman en la Universidad de Wisconsin ha estado estudiando una proteína unida a la membrana llamada EmrE, que puede transportar muchas moléculas tóxicas diferentes, incluidos herbicidas y compuestos antimicrobianos.

EmrE pertenece a una familia de proteínas llamadas pequeños transportadores de resistencia a múltiples fármacos (SMR). Aunque EmrE no está directamente involucrado en la resistencia a los antibióticos, se han encontrado otros miembros de la familia en formas de resistencia a los medicamentos. Tuberculosis micobacteriana y Acinetobacter baumanii.

«Los transportadores SMR tienen una alta conservación de secuencias en regiones clave de la proteína. EmrE es, con mucho, el miembro mejor estudiado de la familia, tanto in vitro y en vivolo que lo convierte en un sistema modelo ideal para investigar la estructura que sustenta la actividad SMR», dice Henzler-Wildman.

Hace unos años, el laboratorio de Hong desarrolló una técnica que permite a los investigadores utilizar la RMN para medir las distancias entre las sondas de flúor y los átomos de hidrógeno en las proteínas. Esto permite determinar la estructura de una proteína cuando se une a una molécula que contiene flúor.

Después de que Hong dio una charla sobre la nueva técnica en una conferencia, Henzler-Wildman sugirió que se unieran para estudiar EmrE. Su laboratorio ha pasado muchos años estudiando cómo EmrE transporta una molécula similar a un fármaco, o ligando, a través de la membrana de fosfolípidos. Este ligando, conocido como F₄-TPP⁺es una molécula tetraédrica con cuatro átomos de flúor unidos, uno en cada esquina.

Usando este ligando con la nueva técnica de RMN de Hong, los investigadores se propusieron determinar una estructura de resolución atómica de EmrE. Ya se sabía que cada molécula de EmrE contiene cuatro hélices transmembrana que son aproximadamente paralelas. Dos moléculas de EmrE se ensamblan en un dímero, de modo que ocho hélices transmembrana forman paredes internas que interactúan con el ligando a medida que se mueve a través del canal. Estudios previos han revelado la topología general de las hélices, pero no de las cadenas laterales de proteínas que se extienden hacia el interior del canal, que son como brazos que agarran el ligando y ayudan a guiarlo a través del canal.

EmrE transporta moléculas tóxicas desde el interior de una célula bacteriana, que tiene un pH neutro, hacia el exterior, que es ácido. Este cambio de pH a través de la membrana afecta la estructura de EmrE. En un artículo de 2021, Hong y Henzler-Wildman descubrieron la estructura de la proteína cuando se une a F₄-TPP⁺ en un ambiente ácido. En el nuevo Comunicaciones de la naturaleza estudio, analizaron la estructura a un pH neutro, lo que les permitió determinar cómo cambia la estructura de la proteína a medida que cambia el pH.

Una estructura completa

A un pH neutro, los investigadores encontraron en este estudio que las cuatro hélices que forman el canal son relativamente paralelas entre sí, creando una abertura por la que el ligando puede entrar fácilmente. A medida que cae el pH, moviéndose hacia el exterior de la membrana, las hélices comienzan a inclinarse para que el canal esté más abierto hacia el exterior de la célula. Esto ayuda a empujar el ligando fuera del canal. Al mismo tiempo, varios anillos que se encuentran en las cadenas laterales de la proteína cambian su orientación de una manera que también ayuda a guiar al ligando fuera del canal.

El extremo ácido del canal también es más acogedor para los protones, que ingresan al canal y lo ayudan a abrirse más, lo que permite que el ligando salga más fácilmente.

«Este documento realmente completa la historia», dice Hong. «Una estructura no es suficiente. Se necesitan dos para descubrir cómo un transportador puede abrirse a ambos lados de la membrana, porque se supone que debe bombear el ligando o el compuesto antibiótico desde el interior de la bacteria hacia afuera de la bacteria».

Se cree que el canal EmrE transporta muchos compuestos tóxicos diferentes, por lo que Hong y sus colegas ahora planean estudiar cómo viajan otras moléculas a través del canal.