Mecanismo molecular do plasmídeo

Nature Communications volume 14, número do artigo: 4031 (2023) Citar este artigo

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As sulfonamidas (sulfas) são a classe mais antiga de medicamentos antibacterianos e inibem a diidropteroato sintase bacteriana (DHPS, codificada por folP), através do mimetismo químico de seu co-substrato ácido p-aminobenzóico (pABA). A resistência às sulfas é mediada por mutações no folP ou pela aquisição de genes sul, que codificam enzimas DHPS divergentes e insensíveis à sulfa. Embora a base molecular da resistência através de mutações folP seja bem compreendida, os mecanismos que medeiam a resistência à base de sul não foram investigados em detalhe. Aqui, determinamos estruturas cristalinas dos tipos de enzima Sul mais comuns (Sul1, Sul2 e Sul3) em múltiplos estados ligados ao ligante, revelando uma reorganização substancial de sua região de interação pABA em relação à região correspondente de DHPS. Usamos ensaios bioquímicos e biofísicos, análise mutacional e complementação trans de E. coli ΔfolP para mostrar que uma sequência Phe-Gly permite que as enzimas Sul discriminem as sulfas, mantendo a ligação do pABA e é necessária para ampla resistência às sulfonamidas. A evolução experimental de E. coli resulta em uma cepa que abriga uma variante de DHPS resistente à sulfa que carrega uma inserção Phe-Gly em seu sítio ativo, recapitulando esse mecanismo molecular. Mostramos também que as enzimas Sul possuem maior dinâmica conformacional do sítio ativo em relação ao DHPS, o que poderia contribuir para a discriminação do substrato. Nossos resultados revelam a base molecular para a resistência aos medicamentos mediada pelo Sul e facilitam o desenvolvimento potencial de novas sulfas menos propensas à resistência.

A resistência antimicrobiana (RAM) é uma ameaça crescente ao tratamento de doenças infecciosas. Uma análise recente estimou que mais de 1 milhão de mortes foram causadas diretamente e quase 5 milhões de mortes foram associadas a infeções bacterianas resistentes aos antimicrobianos em 20191. A RAM é um fenómeno complexo que envolve mecanismos intrinsecamente codificados ou adquiridos2. Os genes que conferem resistência antimicrobiana (ARGs) frequentemente co-localizam-se em elementos genéticos móveis (MGEs), conferindo assim resistência a múltiplos medicamentos e facilitando o intercâmbio entre espécies3. Como a taxa atual de descoberta de novas classes de medicamentos antimicrobianos tem sido atrasada desde a era dourada da descoberta de medicamentos antimicrobianos em meados do século XX4,5,6, novas opções de tratamento antimicrobiano, incluindo a revitalização de antigas classes de medicamentos, são urgentemente necessárias7,8, 9,10.

As sulfonamidas (sulfas) foram os primeiros compostos sintéticos utilizados como drogas antibacterianas. A atividade bacteriostática de amplo espectro destes produtos químicos contra bactérias Gram-positivas e Gram-negativas levou ao seu uso na medicina humana e veterinária em todo o mundo11,12. Contudo, tal como acontece com outras classes de antimicrobianos, o aumento da resistência comprometeu a utilidade clínica das sulfas13,14. Segundo a OMS, 54% e 43% das cepas de Escherichia coli e Klebsiella pneumoniae que causam ITU são altamente resistentes ao cotrimoxazol15. Com o aumento da resistência aos regimes de tratamento de primeira linha, como os carbapenêmicos16, os antibióticos clássicos, incluindo as sulfas, estão sendo reavaliados quanto à sua prioridade na prática clínica17,18. A este respeito, uma compreensão detalhada da base molecular da resistência às sulfas é essencial nos esforços para ampliar ou revitalizar a utilidade desta classe de medicamentos.

As sulfas têm como alvo a diidropteroato sintase (DHPS), codificada pelo gene folP, uma enzima conservada em todo o reino bacteriano. O DHPS está envolvido na síntese de novo de folatos, uma via presente apenas em bactérias e eucariotos primitivos. O DHPS catalisa a condensação do ácido para-aminobenzóico (pABA) e do pirofosfato de 6-hidroximetil-7,8-di-hidropterina (DHPP), produzindo ácido 7,8-di-hidropteróico (7,8-DHP) (Fig. 1a); este composto é posteriormente transformado, levando finalmente ao tetrahidrofolato, um precursor essencial para a síntese de DNA e RNA3. As sulfas se assemelham estruturalmente ao pABA (Fig. 1 e Fig. S1) e, portanto, seu modo de ação é competir diretamente com este co-substrato; a condensação de DHPP e sulfas leva à formação de adutos de pterina-sulfa sem saída .