Representación del bacteriófago PP7 (naranja) en la superficie celular de Pseudomonas aeruginosa separando el pilus de la bacteria (azul). Los investigadores identificaron estructuras e interacciones de proteínas mediante microscopía de fluorescencia, microscopía electrónica criogénica y simulaciones computacionales. Esta imagen se deriva de los hallazgos del equipo. (Jirapat Thongchol/Texas A&M AgriLife)
Las infecciones bacterianas plantean desafíos importantes para la agricultura y la medicina, especialmente porque los casos de bacterias resistentes a los antibióticos siguen aumentando. En respuesta, los científicos de Texas A&M AgriLife Research están dilucidando las formas en que los virus que infectan bacterias desarman a estos patógenos y abriendo la posibilidad de nuevos métodos de tratamiento.
En su reciente estudio publicado en CienciaLanying Zeng, Ph.D., profesor, y Junjie Zhang, Ph.D., profesor asociado, ambos en el Departamento de Bioquímica y Biofísica de la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida de Texas A&M, detallaron un mecanismo preciso mediante el cual los fagos desactivan bacterias.
El esfuerzo de colaboración también implicó:
- Yiruo Lin, Ph.D., profesor asistente de investigación en el Departamento de Ciencias de la Computación e Ingeniería de la Facultad de Ingeniería de Texas A&M.
- Matthias Koch, Ph.D., profesor asistente en el Departamento de Biología de la Facultad de Artes y Ciencias de Texas A&M.
- Zemer Gitai, Ph.D., y Joshua Shaevitz, Ph.D., profesores del Departamento de Biología Molecular y del Departamento de Física de la Universidad de Princeton, respectivamente.
- Yinghao Wu, Ph.D., profesor asociado en el Departamento de Sistemas y Biología Computacional de la Facultad de Medicina Albert Einstein.
Juntos, el equipo trabajó para explicar una serie de interacciones que los científicos han tratado de comprender desde principios de los años setenta.
La necesidad de nuevos tratamientos
Pseudomonas aeruginosa es un tipo de bacteria que puede causar infecciones en la sangre, los pulmones y ocasionalmente en otras partes del cuerpo. Estas infecciones son especialmente comunes en entornos sanitarios, donde a menudo se encuentran bacterias resistentes a los medicamentos. Según los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades, en 2017 hubo más de 30.000 casos de infecciones por P. aeruginosa multirresistente entre pacientes hospitalizados.
La prevalencia de infecciones por Pseudomonas resistentes a los antibióticos las convierte en un punto práctico de enfoque para la terapia con fagos, un tipo de método de tratamiento que utiliza bacteriófagos o fagos, que los investigadores del Centro de Tecnología de Fagos de Texas A&M están explorando como una alternativa a los medicamentos típicos.
Zeng y Zhang, codirectores del centro junto con Jason Gill, Ph.D., profesor asociado en el Departamento de Ciencia Animal, están explorando la utilidad de los fagos, incluso más allá de la terapia con fagos, sumergiéndose en las estructuras y mecanismos en juego. .
Apuntando al pilus
Uno de los factores que permite a P. aeruginosa transmitirse genes resistentes a los antimicrobianos entre sí, así como moverse y crear estructuras difíciles de tratar llamadas biopelículas, es un apéndice llamado pilus, que lleva el nombre de la palabra latina para lanza. Estas estructuras cilíndricas se extienden desde la superficie de las bacterias.
Algunos fagos utilizan pili bacterianos uniéndose a ellos y permitiendo que las bacterias lleven el fago a la superficie, donde el fago puede comenzar a infectar las bacterias.
En su estudio en Ciencia, escrito por primera vez por los estudiantes graduados de Texas A&M Jirapat Thongchol y Zihao Yu, los investigadores estudiaron este proceso paso a paso utilizando microscopía de fluorescencia, microscopía electrónica criogénica y modelado computacional. Observaron cómo un fago llamado PP7 infecta a P. aeruginosa uniéndose al pilus, que luego se retrae y atrae el fago hacia la superficie celular.
En el punto de entrada del virus, el pilus se dobla y se rompe, y la pérdida del pilus hace que P. aeruginosa sea mucho menos capaz de infectar a su propio huésped.
La investigación en curso
Este trabajo es una continuación de una investigación anterior publicada en 2020, cuando el equipo de Zeng encontró un fago que puede romper de manera similar los pili de las células de E. coli, evitando que las bacterias compartan genes entre sí, una forma común en que se propaga la resistencia a los antibióticos.
De izquierda a derecha: Lanying Zeng, Ph.D., Junjie Zhang, Ph.D., Zihao Yu y Jirapat Thongchol. Junto con otros, estos investigadores del Centro de Tecnología de Fagos de Texas A&M están buscando soluciones para las infecciones bacterianas resistentes a los antibióticos y caracterizando las interacciones entre fagos y bacterias. (Zihao Yu/Texas A&M AgriLife)
El Ciencia El estudio sobre Pseudomonas es parte del reciente conjunto de estudios de investigación del equipo. El mes pasado, publicaron hallazgos en Comunicaciones de la naturaleza sobre la interacción entre otro género de bacterias, Acinetobacter, y un fago que lo infecta. Otro estudio, que se espera que se publique el próximo mes, cubrirá un tercer género de bacterias y fagos adicionales.
El progreso del equipo en la determinación de estructuras proteicas precisas e interacciones moleculares ha sido posible gracias al nuevo microscopio crioelectrónico de AgriLife Research, que se inauguró en Texas A&M a finales de 2022 y puede resolver estructuras a nivel atómico.
“En nuestro estudio anterior sobre E. coli, realmente no exploramos mucho sobre el mecanismo”, dijo Zeng. “En nuestro estudio de Pseudomonas, pudimos explicar mucho más sobre qué está sucediendo exactamente, incluida la fuerza y la velocidad del desprendimiento del pilus, y comprender por qué y cómo sucede esto”.
Usos en medicina
Las implicaciones de esta investigación en curso podrían resultar importantes en el tratamiento de infecciones antimicrobianas. Zhang dijo que los médicos no necesitarían usar fagos para matar las bacterias, como se hace en la terapia con fagos, sino que podrían simplemente permitir que los virus desarmen a las bacterias, lo que podría darle al sistema inmunológico la oportunidad de combatir la infección por sí solo. o permitir que los médicos traten a los pacientes con dosis más bajas de antibióticos.
“Si simplemente matas las bacterias, rompes las células y estas liberarán material tóxico desde el interior de la célula hacia el huésped”, dijo Zhang. “Nuestro enfoque consiste en utilizar un tipo particular de fago que desarma a las bacterias. Eliminamos su capacidad de intercambiar genes de resistencia a los medicamentos o de moverse rompiendo este apéndice”.
El equipo de científicos de fagos dijo que seguirán buscando casos similares de fagos que amortigüen la virulencia de las bacterias patógenas.
“Estamos adoptando un enfoque sinérgico”, afirmó Zhang. “Estamos tratando de comprender un mecanismo universal para este tipo de fagos y cómo son capaces de afectar a otros tipos de bacterias. Ese es el objetivo general de nuestro esfuerzo de colaboración: intentar abordar el problema de las bacterias resistentes a múltiples fármacos. “
2024-04-16 00:36:10
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