Meccanismo molecolare del plasmide

Nature Communications volume 14, numero articolo: 4031 (2023) Citare questo articolo

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I sulfamidici (sulfamidici) sono la classe più antica di farmaci antibatterici e inibiscono la diidropteroato sintasi batterica (DHPS, codificata da folP), attraverso la mimica chimica del suo co-substrato acido p-aminobenzoico (pABA). La resistenza ai sulfamidici è mediata da mutazioni nel gene folP o dall'acquisizione di geni sul, che codificano per enzimi DHPS divergenti e insensibili ai sulfamidici. Mentre le basi molecolari della resistenza attraverso le mutazioni folP sono ben comprese, i meccanismi che mediano la resistenza basata sul sul non sono stati studiati in dettaglio. Qui, determiniamo le strutture cristalline dei tipi di enzimi Sul più comuni (Sul1, Sul2 e Sul3) in più stati legati al ligando, rivelando una sostanziale riorganizzazione della loro regione di interazione pABA rispetto alla corrispondente regione del DHPS. Utilizziamo test biochimici e biofisici, analisi mutazionali e in trans complementazione di E. coli ΔfolP per dimostrare che una sequenza Phe-Gly consente agli enzimi Sul di discriminare i sulfamidici pur mantenendo il legame pABA ed è necessaria per un'ampia resistenza ai sulfamidici. L'evoluzione sperimentale di E. coli si traduce in un ceppo che ospita una variante DHPS resistente ai sulfa che porta un inserimento di Phe-Gly nel suo sito attivo, ricapitolando questo meccanismo molecolare. Mostriamo anche che gli enzimi Sul possiedono una maggiore dinamica conformazionale del sito attivo rispetto al DHPS, che potrebbe contribuire alla discriminazione del substrato. I nostri risultati rivelano le basi molecolari della resistenza ai farmaci mediata da Sulfamidici e facilitano il potenziale sviluppo di nuovi sulfamidici meno inclini alla resistenza.

La resistenza antimicrobica (AMR) rappresenta una minaccia crescente per la gestione delle malattie infettive. Una recente analisi ha stimato che nel 2019 più di 1 milione di decessi sono stati direttamente causati da infezioni batteriche resistenti agli antimicrobici e quasi 5 milioni di decessi sono stati associati a infezioni batteriche resistenti agli antimicrobici1. La resistenza antimicrobica è un fenomeno complesso che coinvolge meccanismi intrinsecamente codificati o acquisiti2. I geni che conferiscono resistenza antimicrobica (ARG) spesso co-localizzano con elementi genetici mobili (MGE), conferendo così resistenza multifarmaco e facilitando lo scambio tra specie3. Poiché l’attuale tasso di scoperta di nuove classi di farmaci antimicrobici è in ritardo rispetto all’epoca d’oro della scoperta di farmaci antimicrobici a metà del XX secolo4,5,6, sono urgentemente necessarie nuove opzioni di trattamento antimicrobico, compresa la rivitalizzazione di vecchie classi di farmaci7,8, 9,10.

I sulfamidici (sulfamidici) furono i primi composti sintetici utilizzati come farmaci antibatterici. L'attività batteriostatica ad ampio spettro di queste sostanze chimiche contro i batteri Gram-positivi e Gram-negativi ha portato al loro utilizzo sia nella medicina umana che veterinaria in tutto il mondo11,12. Tuttavia, come nel caso di altre classi di antimicrobici, l'aumento della resistenza ha compromesso l'utilità clinica dei sulfamidici13,14. Secondo l’OMS, il 54% e il 43% dei ceppi di Escherichia coli e Klebsiella pneumoniae che causano infezioni delle vie urinarie sono altamente resistenti al co-trimossazolo15. Con l'aumento della resistenza ai regimi terapeutici di prima linea come i carbapenemi16, gli antibiotici classici, compresi i sulfamidici, vengono rivalutati per la loro priorità nella pratica clinica17,18. A questo proposito, una comprensione dettagliata delle basi molecolari della resistenza ai sulfamidici è essenziale negli sforzi volti ad estendere o rivitalizzare l’utilità di questa classe di farmaci.

I sulfamidici prendono di mira la diidropteroato sintasi (DHPS), codificata dal gene folP, un enzima conservato in tutto il regno batterico. Il DHPS è coinvolto nella sintesi de novo dei folati, un percorso presente solo nei batteri e negli eucarioti primitivi. Il DHPS catalizza la condensazione dell'acido para-aminobenzoico (pABA) e del 6-idrossimetil-7,8-diidropterina pirofosfato (DHPP), producendo acido 7,8-diidropteroico (7,8-DHP) (Fig. 1a); questo composto viene ulteriormente trasformato, portando infine al tetraidrofolato, un precursore essenziale per la sintesi del DNA e dell'RNA3. I sulfamidici assomigliano strutturalmente al pABA (Fig. 1 e Fig. S1) e quindi la loro modalità di azione è quella di competere direttamente con questo co-substrato; la condensazione di DHPP e sulfamidici porta alla formazione di addotti pterin-sulfamidici senza uscita19,20,21.