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“Atar” a las bacterias: ¿una posible alternativa a los antibióticos?

La aparición de bacterias resistentes a los antibióticos hace necesario encontrar nuevas estrategias para luchar contra las infecciones. Recientemente ha aparecido la idea de inmovilizar a las bacterias, haciendo que se adhieran las unas a las otras.

Grupo de Staphylococcus aureus formando una “piñata” tras aplicarles la proteína HDMP, que hace que las bacterias se peguen las unas a las otras. En esta imagen de microscopio electrónico vemos al menos siete bacterias (las pelotas más grandes) acompañadas de material más pequeño, parte del cual pueden ser las “ataduras” generadas por HDMP.
Grupo de Staphylococcus aureus formando una “piñata” tras aplicarles la proteína HDMP, que hace que las bacterias se peguen las unas a las otras. En esta imagen de microscopio electrónico vemos al menos siete bacterias (las pelotas más grandes) acompañadas de material más pequeño, parte del cual pueden ser las “ataduras” generadas por HDMP.Yu Fan et al. (Science Advances)
Alberto Aparici
  • Alberto Aparici@cienciabrujula
    Doctor en física de partículas por vocación y, quién lo iba a decir, divulgador científico. Hablo de ciencia en Onda Cero, en el pódcast Coffee Break y en el Instituto de Física Corpuscular. La verdad está en las ecuaciones, pero para entenderla hace falta convertirla en palabras.
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Las bacterias son unos de los seres más antiguos de nuestro planeta, y también de los más creativos. Han encontrado maneras de respirar hierro, de sacar agua de las rocas y de imitar la reproducción sexual. Además, fueron las inventoras de la fotosíntesis. Con un currículum como éste podéis entender que cuando se plantean ser nuestras enemigas pueden ser oponentes feroces. Algunas se han especializado en parasitar a otros organismos y tienen un impresionante repertorio de trucos: pueden engañar al sistema inmunitario, directamente desactivarlo, o simplemente sembrar el caos y aprovecharse del desconcierto general. Es por eso que las infecciones bacterianas pueden ser muy peligrosas, y lo eran mucho más antes del descubrimiento de los antibióticos.

Pero incluso ahora, instalados como estamos en la era de la guerra química contra las bacterias, la historia no ha llegado a su fin: ellas siguen empleando su ingenio en encontrar maneras de sobrevivir y, ayudadas a veces por nuestra propia torpeza, lo están consiguiendo. Ya conocemos alrededor de quince cepas resistentes a los antibióticos, y si no somos cautos podrían aparecer muchas más. Por eso la ciencia está continuamente tratando de encontrar nuevas maneras de frenar a las bacterias, y es importante que sean diferentes a las que venimos usando hasta ahora, para que las bacterias no puedan reciclar fácilmente sus mecanismos de resistencia.

Hoy os vamos a hablar de una de esas nuevas técnicas, que apenas está empezando a dar sus primeros pasos en los laboratorios. Pero antes hablemos un poco de cómo hacemos para matar a una bacteria.

Ataque selectivo

El gran problema a la hora de diseñar un fármaco para luchar contra las infecciones no es tanto que sea capaz de matar a las bacterias, los hongos o el patógeno de turno. El problema es que no nos mate también a nosotros. Es preciso encontrar sustancias que afecten a los invasores pero no afecten a nuestras células, así que habitualmente tratamos de atacar procesos o partes de la célula que estén presentes en el patógeno pero no en nosotros.

En el caso de las bacterias, como nos separan miles de millones de años de evolución, hay un buen número de objetivos a los que podemos apuntar: sus células, por ejemplo, están rodeadas por una pared celular, una maraña de azúcares y proteínas sin la cual no pueden sobrevivir. Debajo de esa maraña siempre hay una membrana celular similar a la de nuestras células, pero encima de ella puede haber una segunda membrana, que químicamente es muy diferente, o incluso una capa gruesa de azúcares, llamada cápsula. Los fármacos que atacan a estos rasgos específicos de las bacterias se llaman antibióticos. Y aunque el nombre sugiera que los antibióticos matan a las bacterias eso no siempre es exacto: algunos sólo frenan su crecimiento, para dar tiempo al sistema inmunitario para presentar batalla por sí mismo.

Este diagrama presenta una bacteria muy simplificada, y señala a qué partes de su célula atacan algunos antibióticos. La línea verde señala la membrana celular, similar a la que nuestras células tienen, y la línea roja la pared celular. En el interior de la célula bacteriana, al igual que en las nuestras, la información del ADN se copia a una molécula de ARN, y ésta última se utiliza para fabricar proteínas. Aunque este procedimiento es común a toda la vida en la Tierra, la maquinaria celular empleada para copiar el ADN a ARN o para fabricar las proteínas a partir del ARN es ligeramente diferente en bacterias y en humanos.
Este diagrama presenta una bacteria muy simplificada, y señala a qué partes de su célula atacan algunos antibióticos. La línea verde señala la membrana celular, similar a la que nuestras células tienen, y la línea roja la pared celular. En el interior de la célula bacteriana, al igual que en las nuestras, la información del ADN se copia a una molécula de ARN, y ésta última se utiliza para fabricar proteínas. Aunque este procedimiento es común a toda la vida en la Tierra, la maquinaria celular empleada para copiar el ADN a ARN o para fabricar las proteínas a partir del ARN es ligeramente diferente en bacterias y en humanos.J Raghu / Mrmw (Wikimedia)

El antibiótico más conocido es probablemente la penicilina, cuya acción consiste en bloquear una proteína que se encarga de reparar la pared celular. Esencialmente, la penicilina se encaja en el interior de esta proteína y le impide hacer su trabajo, de forma que la pared celular se va degradando pero no puede ser reparada. Si esta situación se prolonga durante suficiente tiempo, la bacteria muere.

Otro antibiótico muy utilizado, la tetraciclina, lo que hace es interferir con el proceso de fabricación de proteínas. La maldad esta vez consiste en adherirse a los ribosomas de las bacterias, que son los que dirigen la transformación de ARN en proteínas; con la tetraciclina ahí pegada los ribosomas no pueden hacer bien su trabajo y la bacteria empieza a quedarse sin proteínas para vivir. Lo curioso de este antibiótico es que esta misma maldad también nos la puede hacer a nosotros: dentro de una célula humana, la tetraciclina también impediría la fabricación de proteínas. La gran diferencia es que las células humanas bloquean no dejan entrar a la tetraciclina, mientras que las bacterias son “engañadas” y le permiten la entrada, como si fuera un caballo de Troya.

Como veis, el mecanismo de acción de cada antibiótico es muy diferente, y por lo tanto el desarrollo de resistencia también es distinto para cada sustancia. A menudo, de hecho, hay varias maneras de adquirir resistencia. En el caso de la penicilina, por ejemplo, una forma de resistencia es poseer una proteína que rompe la molécula de penicilina antes de que pueda actuar, pero otro mecanismo posible es tener una versión diferente de la proteína que repara la pared celular. La penicilina puede bloquear la versión 1.0 de la proteína, pero esta versión 2.0 tiene una forma distinta y la penicilina ya no encaja en ella.

Imitando a la naturaleza

Así pues, un objetivo importante en la lucha química contra las bacterias es encontrar mecanismos nuevos para atacarlas. La idea es que la bacteria, en su carrera para desarrollar resistencia, tenga que empezar desde cero con cada nuevo antibiótico: por ejemplo, una bacteria ha desarrollado la proteína que le permite romper la penicilina, pero sigue teniendo el problema de que la tetraciclina se le cuela dentro de la célula. Entonces dedica cierto esfuerzo a resolver ese problema, pero nosotros llegamos con una forma totalmente diferente de atacarla y vuelve a estar en la casilla de salida.

Con esta idea en la cabeza, un grupo de científicos chinos se fijó en una proteína humana llamada defensina-6. Se trata de una proteína pequeña, de sólo 32 aminoácidos, y que forma parte de la respuesta inmunitaria innata de nuestro cuerpo. A diferencia de la respuesta adaptativa, que aprende a identificar al enemigo y crea anticuerpos específicos para él, la respuesta innata consiste en medidas de muy amplio espectro, como producir inflamación para tratar de aislar la zona infectada. La defensina-6 forma parte de una familia de pequeñas proteínas cuya función no se entiende con detalle, pero que parecen afectar a la membrana celular de bacterias y hongos.

Estructura tridimensional de la defensina-6 humana, vista de perfil (izquierda) y desde arriba (derecha). La línea azul es la cadena de 32 aminoácidos que forma la proteína, y las tres flechas son “hilos beta”, las estructuras responsables de que las defensinas-6 se enreden entre sí como si fueran velcro. En gris aparecen tres iones de cloro, que marcan dónde se acumulan las cargas positivas en la proteína.
Estructura tridimensional de la defensina-6 humana, vista de perfil (izquierda) y desde arriba (derecha). La línea azul es la cadena de 32 aminoácidos que forma la proteína, y las tres flechas son “hilos beta”, las estructuras responsables de que las defensinas-6 se enreden entre sí como si fueran velcro. En gris aparecen tres iones de cloro, que marcan dónde se acumulan las cargas positivas en la proteína.EMBL-EBI Protein Data Bank

La función de la defensina-6 se ha ido entendiendo mejor en los últimos años, y su mecanismo de acción es verdaderamente curioso: se adhiere a la pared celular de las bacterias y, una vez allí, se enreda con otras defensinas-6 que estén en las bacterias de alrededor. Es como si fuera una especie de velcro que recubre la superficie de la bacteria y hace que se pegue a cualquier otra bacteria con la que entre en contacto. El resultado: las bacterias forman una especie de “albóndigas” y no pueden moverse libremente, con lo que su capacidad para infectar nuestras células es muy inferior.

Pero la defensina-6, obviamente, no es perfecta. Si lo fuera no necesitaríamos ningún tipo de antibiótico. Su primer defecto es que, como se adhiere a la pared celular de las bacterias, sólo es efectiva contra bacterias que tengan expuesta la pared celular: por ejemplo, las bacterias con una segunda membrana encima de la pared están a salvo de ella. La segunda es que la versión “salvaje” de la defensina-6 está pensada para poder actuar contra bacterias, pero también contra hongos y otros patógenos. En este punto es cuando nosotros podemos entrar y diseñar una versión optimizada para bacterias.

Eso es lo que ha hecho este grupo de científicos chinos, que acaban de presentar sus resultados en la revista Science Advances: han diseñado una nueva proteína, diferente a la defensina-6, pero inspirada en su mecanismo de acción. La nueva proteína lleva el fabuloso nombre de “Péptido que imita a la defensina-6 humana”, o HDMP, para abreviar, y consta de tres piezas: la primera está optimizada para adherirse al ácido lipoteicoico, uno de los componentes de la pared celular bacteriana. La segunda pieza imita los hilos beta de la defensina-6, que son los que le proporcionan el “efecto velcro”. Juntas, estas dos piezas constituyen las “cuerdas” con las que vamos a atar a las bacterias: la primera pieza se pegará a la pared de la bacteria, y la segunda se enredará con otras HDMP que estén pegadas a las bacterias cercanas. Si el plan funciona, las bacterias quedarán inmovilizadas formando una pequeña pelota, incapaces de atacar a las células.

Estructura de la proteína HDMP de Fan et al. Arriba vemos que la proteína está formada por tres piezas: la azul es la responsable de adherirse a la pared celular de las bacterias, la rosa es la responsable de que forme fibras, y la verde sirve para que la proteína pueda formar pequeñas esferas que se muevan libremente por el cuerpo.
Estructura de la proteína HDMP de Fan et al. Arriba vemos que la proteína está formada por tres piezas: la azul es la responsable de adherirse a la pared celular de las bacterias, la rosa es la responsable de que forme fibras, y la verde sirve para que la proteína pueda formar pequeñas esferas que se muevan libremente por el cuerpo.Yu Fan et al. (Science Advances)

Pero para que este plan maestro funcione necesitamos superar un pequeño obstáculo: recordemos que estamos hablando de una proteína que tiene la capacidad de enredarse con otras como ella. Si simplemente soltamos un montón de copias en el torrente sanguíneo lo que van a hacer es pegarse unas a otras desordenadamente, y para cuando lleguen a donde están las bacterias lo único que tendremos será una maraña de fibras entrelazadas, incapaz de hacer daño a nadie. No: lo ideal es que las fibras se ensamblen in situ, una vez HDMP ya esté adherida a la bacteria.

Para conseguir esto se añade la tercera pieza, una “cola” de anillos aromáticos que hace que las moléculas de HDMP se organicen espontáneamente formando una esfera, con estas “colas” en el interior y con la pieza que se va adherir a la bacteria en el exterior. Esas esferillas ya van a poder moverse libremente por el cuerpo, y la probabilidad de que se enreden entre sí es muy baja. En cambio, cuando una de esas esferas se encuentre con una bacteria, sus piezas externas se pegarán a la pared celular y la esfera se desensamblará sobre la superficie de la bacteria. Acto seguido, la pieza “de velcro” de HDMP debería hacer que se reorganizara en forma de fibras, y estas fibras, después, serían las responsables de “atar” la bacteria a otras bacterias cercanas.

Una representación de las diversas formas que toma HDMP en su periplo por el organismo. Inicialmente se organiza en esferas que son capaces de viajar por el torrente sanguíneo, pero cuando se encuentra con una bacteria la parte externa (azul) se pega a la pared celular y la esfera “se abre”, dejando al descubierto la pieza “tipo velcro” de HDMP (rosa). La química de esa pieza hace que HDMP se reorganice de nuevo, esta vez en forma de fibras, que cubrirán la superficie de la bacteria.
Una representación de las diversas formas que toma HDMP en su periplo por el organismo. Inicialmente se organiza en esferas que son capaces de viajar por el torrente sanguíneo, pero cuando se encuentra con una bacteria la parte externa (azul) se pega a la pared celular y la esfera “se abre”, dejando al descubierto la pieza “tipo velcro” de HDMP (rosa). La química de esa pieza hace que HDMP se reorganice de nuevo, esta vez en forma de fibras, que cubrirán la superficie de la bacteria.Yu Fan et al. (Science Advances)

Bacterias de peluche

Éste es el plan, pero ¿funcionará? Los sistemas biológicos son muy complejos, y a menudo sucede que lo que funciona muy bien sobre el papel falla en la realidad a las primeras de cambio… simplemente por algo que no se nos había ocurrido pensar. Así que, como siempre en ciencia, es necesario ir al laboratorio y poner en práctica el plan. En este caso, lo lógico es hacerlo en dos pasos: primero en un entorno controlado, in vitro, y después en un entorno más realista: dentro de un organismo vivo.

Imagen de microscopio electrónico de un individuo de Staphylococcus aureus expuesto a HDMP in vitro. La línea discontinua blanca señala la posición de la pared celular, es decir, el límite exterior de la célula de S. aureus. Se observa claramente alrededor de la célula una “corona” de fibras de HDMP. La barra blanca de abajo a la derecha mide 0,2 micras.
Imagen de microscopio electrónico de un individuo de Staphylococcus aureus expuesto a HDMP in vitro. La línea discontinua blanca señala la posición de la pared celular, es decir, el límite exterior de la célula de S. aureus. Se observa claramente alrededor de la célula una “corona” de fibras de HDMP. La barra blanca de abajo a la derecha mide 0,2 micras.Yu Fan et al. (Science Advances)

Fan y colaboradores hacen ambas cosas en su artículo. En los estudios in vitro comprueban que las esferillas de HDMP se transforman en fibras cuando entran en contacto con ácido lipoteicoico, y que bacterias vivas, de la especie Staphylococcus aureus, forman conglomerados cuando se las somete a una solución de HDMP, y su capacidad de invadir grupos de células (siempre in vitro) disminuye hasta en un factor 30. En una serie de imágenes bastante elocuentes se puede ver a las células de S. aureus rodeadas de una especie de pilosidad después de ser sometidas a un baño de esferas de HDMP, como si fueran versiones “de peluche” de sus compañeras salvajes.

Pero las pruebas de fuego de verdad han de ser in vivo. Los organismos vivos tienen cosas que no podemos reproducir en un tubo de ensayo: sistema inmunitario, diversos tipos de tejidos, órganos encargados de retirar los cuerpos extraños de la sangre… Cualquiera de esos factores puede convertir la técnica en ineficaz, o incluso en tóxica. Fan y colaboradores han hecho sus pruebas en ratones, con resultados sorprendentemente buenos.

En primer lugar, no han encontrado indicios de toxicidad al inyectar a los ratones las esferillas de HDMP, y han comprobado que el hígado es el órgano que se encarga de retirarlas de la sangre. En segundo lugar, han comprobado que si se infecta a un ratón con S. aureus, ya sea en un músculo o por vía intravenosa, y después se le inyecta HDMP, las probabilidades del ratón de sobrevivir, e incluso de no desarrollar síntomas, aumentan notablemente. En tercer lugar han comparado la eficacia de las esferas de HDMP con la de la vancomicina, un antibiótico de referencia, y han obtenido resultados similares con una y con otra.

Colonias de Staphylococcus aureus in vitro, en estado salvaje (izquierda) y tratadas con HDMP (derecha). Como se puede observar, las bacterias en estado salvaje rara vez forman grupos de más de dos individuos (probablemente atribuibles a que están en medio del proceso de división celular), mientras que las bacterias tratadas con HDMP forman grupos densos en los que las bacterias parecen estar adheridas entre sí. La barra blanca en la imagen de la izquierda mide 1 micra.
Colonias de Staphylococcus aureus in vitro, en estado salvaje (izquierda) y tratadas con HDMP (derecha). Como se puede observar, las bacterias en estado salvaje rara vez forman grupos de más de dos individuos (probablemente atribuibles a que están en medio del proceso de división celular), mientras que las bacterias tratadas con HDMP forman grupos densos en los que las bacterias parecen estar adheridas entre sí. La barra blanca en la imagen de la izquierda mide 1 micra.Yu Fan et al. (Science Advances)

Todos estos experimentos son una primera prueba de concepto, y debemos ser conscientes de sus limitaciones: no se han probado todavía en humanos, e incluso en las pruebas con ratones los grupos eran pequeños. En cualquier caso, la técnica parece prometedora: partiendo de algo que hemos observado en nuestro propio sistema inmunitario hemos creado una proteína optimizada que parece funcionar como cabía esperar. Ésta, aunque preliminar, es una muy buena noticia para un siglo XXI que va a verse enfrentado a un problema muy serio de resistencia a los antibióticos tradicionales. El desarrollo de resistencia por parte de las bacterias no es un fenómeno nuevo, sino que forma parte de una guerra de miles de millones de años en la que nosotros, con el uso masivo de antibióticos en los sistemas sanitarios y en la ganadería, estamos escribiendo una página más, quizá la más sofisticada, pero sin duda no la última.

QUE NO TE LA CUELEN

  • Los antibióticos, y también la técnica descrita en este artículo, son sólo eficaces contra las bacterias. La química de los virus, los hongos y los protozoos es tan diferente que necesitamos sustancias diferentes para enfrentarnos a cada uno de ellos.
  • Debemos tomar antibióticos sólo cuando nuestro médico nos lo receta, y únicamente durante el tiempo previsto. Descubrir nuevas técnicas para luchar contra las bacterias es muy útil, pero es más útil todavía hacer un uso responsable de los antibióticos para frenar la aparición de resistencias.
  • La técnica de la que hablamos en este artículo está todavía en las fases iniciales de su desarrollo. Se ha probado en ratones y los resultados han sido prometedores, pero aún ha de superar muchos exámenes para que estemos seguros de que es eficaz y, a la vez, segura.

REFERENCIAS

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