Deconstruyendo la microbiología mordisco a mordisco
¿La respuesta rápida de bacterias ante antibióticos? Epigenética
Los microorganismos luchan entre sí por espacios que colonizar, al igual que los humanos lo hemos hecho durante la historia. El primer antibiótico descubierto, la penicilina, no es más que una de las muchas moléculas que los microorganismos utilizan para atacarse entre ellos. Desde entonces, hemos encontrado y creado más antibióticos, pero lo cierto es que, en términos evolutivos, llegamos tarde a la batalla. Las bacterias han desarrollado múltiples maneras de adaptarse a los antibióticos durante milenios, lo que ha generado la resistencia a antibióticos.
La causa de resistencia más común son los genes de resistencia a antibióticos, genes que se codifican en pequeños anillos de ADN llamados plásmidos. Las bacterias pueden copiar estos plásmidos para luego transmitirlos a bacterias vecinas, dando lugar a la diseminación rápida de la resistencia. Cuando las bacterias están expuestas a antibióticos, estos genes producen proteínas que digieren, expulsan, o modifican los antibióticos, inactiváandolos. En bacterias, el ADN sufre mutaciones más frecuentemente que en eucariotas, y estas mutaciones pueden ayudarles a resistir a los antibióticos. Aun así, todos estos son cambios lentos que afectan a la información genética en el ADN. Hay otra manera mucho más rápida de adaptación, llamada epigenética. La epigenética se refiere a cambios menores en las bases del ADN y ARN, pequeñas modificaciones que regulan la función de estas moléculas. Podríamos entender estas modificaciones como leyendas o pies de página para los ácidos nucleicos. Sin embargo, estos pequeños cambios son muy importantes.
Los antibióticos actúan a nivel molecular, interrumpiendo funciones celulares vitales, y quizás la más común es la traducción, la síntesis de proteínas usando el ARN mensajero como plantilla. Esto lo hace el ribosoma, una molécula compuesta de proteínas y ARN ribosomal (ARNr). Antibióticos como la estreptomicina, kasugamicina y otros tantos, funcionan bloqueando parte del ribosoma, impidiendo la síntesis de nuevas proteínas, lo que acaba causando la muerte de la bacteria.
En 1984, investigadores descubrieron que mutaciones en los genes que codifican el ARNr podían hacer a las bacterias resistentes a los antibióticos, alterando la forma del ribosoma para que estos medicamentos no puedan unirse a él eficientemente. De hecho, este ARNr se modifica epigenéticamente de manera común, y esto hace que el ribosoma funcione más eficientemente. Recientemente, investigadores han utilizado una técnica, conocida como secuenciación por nanoporo, para secuenciar el ARNr y determinar dónde está modificado. En esta técnica, los ácidos nucleicos (ADN o ARN), pasan por un poro en una membrana, y cada vez que un nucleótido pasa, se da un cambio de potencial en la membrana. Esto se puede medir y grabar, y nucleótidos con modificaciones dan un cambio diferente. Sin embargo, esta diferencia es sutil, y difícil de identificar correctamente.
Con esta tecnología, científicos han investigado qué ocurre en el ARNr de las bacterias cuando están expuestas a estreptomicina y kasugamicina. Las modificaciones en el ARNr de Escherichia coli tratadas con antibióticos aparecían en menor cantidad que en bacterias sanas. Se determinó que cuando estas bacterias son expuestas a antibióticos producen nuevo ARNr, y no lo modificaban. Los científicos probaron a tratar E. coli normal con antibióticos, y comparar su resistencia a E. coli mutada que no tenía las proteínas necesarias para modificar su ARNr. Estas últimas eran mucho más resistentes a los antibióticos, aunque no eran capaces de resistir concentraciones muy altas de estos.
Mutaciones en el ADN ocurren con el paso de generaciones, pero las modificaciones del ARN ocurren en minutos. Bacterias que no tienen un cierto gen o mutación, morirán en presencia de antibióticos. Sin embargo, con las modificaciones de ARN, obtienen una nueva capa de protección ante estas moléculas dañinas. Sin embargo, estas modificaciones no son fáciles de medir y determinar, a pesar de las nuevas tecnologías de secuenciación. Esto es porque los cambios son pequeños, y se requiere software y algoritmos especializados para interpretar las mediciones de la secuenciación por nanoporo correctamente.
Los investigadores de este estudio han creado un nuevo software para esto, que han llamado NanoConsensus. Este programa utiliza cuatro algoritmos ya existentes para detectar modificaciones de ARN, pero corrige errores de cada uno de ellos cotejando si los resultados son iguales en los otros algoritmos. Cuando lo probaron, NanoConsensus resultó ser mucho más eficiente detectando modificaciones en el ARN que cada algoritmo individualmente.
Por último, los investigadores utilizaron NanoConsensus para determinar qué modificaciones eran importantes en E. coli para tener resistencia a estreptomicina y kasugamicina. Encontraron que dos modificaciones tienen una alta importancia, y que si las bacterias no tienen las proteínas necesarias para modificar el ARN en esos puntos, son mucho más resistentes a estos antibióticos.
El resultado es que NanoConsensus y la secuenciación por nanoporo de ARN puede ayudarnos a entender mejor cómo la resistencia epigenética ocurre, no solo en E. coli, si no en otras bacterias con relevancia clínica. Es posible que con esta información podamos desarrollar nuevos tratamientos o terapias combinatorias con medicación que bloquee los ribosomas con ARNr modificado y no modificado, para mejorar la supervivencia y recuperación de pacientes con infecciones bacterianas.
Enlace al artículo original: Delgado-Tejedor, A., Medina, R., Begik, O. et al. Native RNA nanopore sequencing reveals antibiotic-induced loss of rRNA modifications in the A- and P-sites. Nat Commun 15, 10054 (2024).
Fuente de las imágenes: Modificadas por el autor en base a la Figura 1 del artículo Xu, L., Seki, M. Recent advances in the detection of base modifications using the Nanopore sequencer. J Hum Genet 65, 25–33 (2020).
Artículo editado por Fiama Guevara
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