Un equipo de investigadores capta, en células de E. coli, cómo las polimixinas rompen la capa externa y por qué fallan cuando las bacterias hibernan.

Imagen compuesta de E. coli expuesta al antibiótico polimixina: las imágenes muestran los cambios en la capa externa de la armadura a lo largo del tiempo. De izquierda a derecha: bacteria sin tratar con el antibiótico; bacteria después de 15 minutos; después de 30 minutos; después de 60 minutos; después de 90 minutos. La barra de escala blanca mide 250 nanómetros de ancho. Crédito: Carolina Borrelli, Edward Douglas et al. / Nature Microbiology

Un equipo liderado por investigadores de University College London y del Imperial College London mostró por primera vez cómo las polimixinas, un antibiótico usado para infecciones graves, perforan la armadura de bacterias patógenas. El trabajo se publicó en la revista Nature Microbiology. Sus hallazgos abren la puerta a nuevos tratamientos contra infecciones bacterianas, una urgencia sanitaria porque las resistencias ya causan más de un millón de muertes al año.

Las polimixinas se descubrieron hace más de 80 años y se emplean como último recurso frente a infecciones provocadas por bacterias Gram negativas. Estas bacterias poseen una capa superficial externa de consistencia gelatinosa que actúa como armadura y evita que ciertos antibióticos penetren en la célula. Se sabía que las polimixinas atacan esa capa, pero aún se desconocía cómo la alteran y cómo provocan la muerte bacteriana.

En el nuevo estudio, el equipo reveló, con imágenes de alta resolución y experimentos bioquímicos, cómo la polimixina B causó con rapidez bultos y abultamientos en la superficie de células de E. coli. Estas protuberancias aparecieron en cuestión de minutos. Después, la bacteria comenzó a desprender su armadura externa de forma acelerada.

Los investigadores concluyeron que el antibiótico había desencadenado la producción y el desprendimiento de la armadura. Cuanto más intentaba la célula fabricar nueva armadura, más perdía la que estaba generando. El proceso ocurría a tal ritmo que dejaba huecos en las defensas, lo cual permitía al antibiótico entrar en la célula y matarla.

Sin embargo, este ciclo de protuberancias, producción acelerada y desprendimiento, seguido de muerte celular, solo se observó cuando la célula estaba activa. En bacterias dormidas, la producción de armadura está desactivada, lo que hace ineficaz al antibiótico.

Cuidado con las bacterias dormidas

El coautor sénior, el doctor Andrew Edwards, de Imperial, afirmó: “Durante décadas hemos supuesto que los antibióticos que atacan la armadura bacteriana eran capaces de matar a los microbios en cualquier estado, tanto si se están replicando activamente como si estaban dormidos. Pero no es así. Al capturar estas imágenes increíbles de células individuales, hemos podido mostrar que esta clase de antibióticos solo funciona con ayuda de la bacteria, y que si las células entran en un estado similar a la hibernación, los fármacos dejan de funcionar, lo cual es muy sorprendente”.

La hibernación permite a las bacterias sobrevivir a condiciones desfavorables como la falta de alimento. Pueden permanecer en ese estado durante muchos años y “despertar” cuando el entorno mejora. Así pueden sobrevivir a los antibióticos y reactivarse para causar infecciones recurrentes en el cuerpo.

El coautor sénior, el profesor Bart Hoogenboom, del London Centre for Nanotechnology en UCL, señaló: “Las polimixinas son una línea de defensa importante contra las bacterias Gram negativas, que causan muchas infecciones mortales resistentes a fármacos. Es importante que entendamos cómo funcionan”. Añadió que el siguiente reto será usar estos hallazgos para hacer que los antibióticos sean más eficaces. Una estrategia podría combinar el tratamiento con polimixinas con terapias que promuevan la producción de armadura y que despierten a las bacterias dormidas, para eliminar también esas células.

Hoogenboom también subrayó que se debe considerar el estado fisiológico de las bacterias cuando se evalúa la eficacia de los antibióticos. No basta con saber si el fármaco se une a la membrana. Hay que saber si la célula está fabricando su pared externa.

Las células de E. coli se imaginaron en el London Centre for Nanotechnology en UCL. Se utilizó una aguja diminuta, de apenas unos nanómetros de ancho, que se desliza por la superficie bacteriana y “siente” su forma para crear una imagen. Esta microscopía de fuerza atómica ofrece mucha más resolución que la luz visible.

La coautora Carolina Borrelli, doctoranda en el London Centre for Nanotechnology en UCL, dijo: “Fue increíble ver el efecto del antibiótico en la superficie bacteriana en tiempo real. Nuestras imágenes de las bacterias muestran directamente cuánto pueden comprometer las polimixinas la armadura bacteriana. Es como si la célula se viera obligada a producir ‘ladrillos’ para su pared externa a tal ritmo que esta pared se interrumpe y permite que el antibiótico se infiltre”.

El equipo comparó en el laboratorio la respuesta de células de E. coli activas y de células inactivas frente a polimixina B. El antibiótico eliminó con eficacia las células activas, pero no mató a las células dormidas. La diferencia residía en el estado metabólico.

Los investigadores también probaron la respuesta de E. coli con y sin acceso a azúcar, un alimento que despierta células dormidas. Cuando había azúcar, el antibiótico mató a células previamente dormidas, pero solo tras un retraso de 15 minutos. Ese fue el tiempo que necesitaron las bacterias para consumir el azúcar y reanudar la producción de su armadura externa.

En condiciones en las que el antibiótico fue efectivo, los científicos detectaron más armadura liberada por las bacterias. También observaron los abultamientos repartidos por toda la superficie celular. En condiciones en las que fue ineficaz, el antibiótico se unió a la membrana externa, pero causó poco daño.

El coautor, el doctor Ed Douglas, de Imperial, explicó: “Observamos que la alteración de la armadura más externa de las bacterias solo se produjo cuando las bacterias consumían azúcar. Una vez que supimos eso, pudimos averiguar rápidamente lo que estaba ocurriendo”. Aquella pista centró el análisis en la producción y el desprendimiento de la membrana.

El coautor, el profesor Boyan Bonev, de la Universidad de Nottingham, afirmó: “Trabajar juntos nos ha dado una visión única de la fisiología y la morfología bacterianas bajo estrés que han permanecido ocultas durante décadas. Ahora entendemos mejor los puntos débiles de las bacterias”. El estudio recibió financiación del BBSRC y del EPSRC, que forman parte de UK Research and Innovation, y de Wellcome.

Despertar a la bacteria puede, paradójicamente, ser la mejor manera de acabar con ella.

REFERENCIA

Polymyxin B lethality requires energy-dependent outer membrane disruption