Imagen Maximilian Zinke
Las bacterias adquieren sus nutrientes de su entorno y de su huésped. La organización de doble membrana (membrana externa y membrana interna) de las bacterias denominadas Gram-negativas, constituye una barrera contra la entrada de moléculas, ya sean nutrientes necesarios para su supervivencia o antibióticos. Para superar esta barrera, las bacterias han desarrollado sistemas de transporte especializados, como el sistema Ton, que asegura la importación de nutrientes vitales tales como el hierro, el níquel, la vitamina B12 y algunos azúcares.
Motores moleculares actuando como molinos
El sistema Ton se compone de un transportador específico situado en la superficie de las bacterias y un motor molecular en la membrana interna. Una vez que el nutriente es reconocido y captado por el transportador, su entrada requiere la apertura de un canal a través de este último. Un proceso que obtiene su fuente de energía de motores moleculares actuando como molinos. Estos molinos convierten la energía química (del gradiente de protones) en energía mecánica, permitiendo así la entrada del nutriente. Además, otros molinos, con la misma estructura y organización, intervienen en otros procesos mecánicos en la superficie de las bacterias, tales como la motilidad y el mantenimiento de la integridad de la envoltura.
A pesar del papel esencial del sistema Ton para la supervivencia de las bacterias de doble membrana, así como su potencial como objetivo antimicrobiano, aspectos cruciales de su mecanismo permanecen mal comprendidos, principalmente debido a la falta de datos estructurales. Esta brecha se debe no solo a la arquitectura compleja del sistema que atraviesa la envoltura bacteriana, sino también a la dinámica de los elementos y sus interacciones.
La resonancia magnética nuclear, una herramienta esencial para la comprensión de ciertos mecanismos biológicos
Recientemente, la criomicroscopía electrónica ha permitido determinar parcialmente la estructura de varios motores moleculares Ton. Sin embargo, algunas partes de estas estructuras permanecen desconocidas, en particular el dominio central, esencial para distribuir la energía hasta el transportador de nutrientes en la superficie de las bacterias por un mecanismo hasta ahora no elucidado.
En este estudio publicado en la revista Nature Communications, los científicos han determinado la estructura atómica de este dominio mediante la técnica de la resonancia magnética nuclear (RMN). Descubren así la existencia de este dominio en dos estados, cerrado o abierto, en una escala de tiempo que va desde la microsegunda hasta la milisegunda. La RMN es una técnica de espectroscopia avanzada basada en propiedades magnéticas de los núcleos de los átomos que experimentan un campo magnético muy fuerte (aquí más de 400 000 veces el campo terrestre). Su aporte reside en su capacidad única para proporcionar información estructural y dinámica a escala atómica en condiciones fisiológicas. Su combinación con otras tecnologías dedicadas a la biología estructural como la criomicroscopía electrónica y la cristalografía de rayos X, es indispensable para la comprensión de las maquinarias dinámicas y complejas como el sistema Ton.
En esta animación mostrando la envoltura de una bacteria, podemos observar los nutrientes (dorados/ marrones) en el exterior de la membrana bacteriana, y el receptor membranario (verde) sirviendo como puerta de entrada en la membrana. La proteína clave (rosa), parte del motor o molino molecular, permite entregar la energía para hacer entrar estos nutrientes. La proteína turquesa es el relevo entre el motor molecular y el receptor. La mecha rígida (blanca) de la pared celular, entre las dos membranas, juega también un papel esencial de catalizador.
Un mecanismo que parece ser universal para la concepción de nuevas estrategias antibióticas
Con esta nueva tecnología, los científicos han demostrado que solo el estado abierto está activo, y capaz de interactuar con otros componentes del sistema, implicados en la internalización del nutriente. Otros experimentos han revelado que la transición entre los dos estados es indispensable para la importación de nutrientes y la supervivencia de las bacterias. Además, el estudio muestra por primera vez el papel catalítico del entramado rígido de la pared bacteriana que hace eficiente la transferencia de energía.
El mecanismo descubierto en este estudio parece ser universal, como lo demuestra su demostración en dos sistemas Ton distintos: uno dedicado a un transportador específico de fuente de hierro, el otro generalista y capaz de interactuar con diversos transportadores de nutrientes. Además, las regiones de las proteínas que intervienen en la transición entre los dos estados, están altamente conservadas en las bacterias, sugiriendo un mecanismo general de los molinos moleculares bacterianos. El conjunto de resultados presentados en este estudio ofrece una nueva comprensión de los mecanismos energéticos de los molinos moleculares y del traslado de energía hacia la superficie de las bacterias. Estos descubrimientos proporcionan una base sólida para la concepción de nuevas estrategias antibióticas.
Referencia:
Zinke, M., Lejeune, M., Mechaly, A. et al.
Interruptor conformacional del motor Ton y papel del peptidoglicano en la absorción de nutrientes bacteriana.
Nat Commun - DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-44606-z