¿Pasa el futuro de la Medicina por los enzibióticos?

Juan Antonio Hermoso: “Los enzibióticos son el futuro en la lucha contra las bacterias resistentes”

Se asegura que los enzibióticos, enzimas de origen vírico utilizadas desde hace millones de años por los bacteriófagos –virus que infectan las bacterias hasta destruirlas-, están llamados a revolucionar el mundo de la medicina y solucionar el problema de la resistencia a los antibióticos. Y es que se espera que su uso permita atacar a bacterias específicas -desde los neumococos al ántrax- sin dañar a la vez las bacterias beneficiosas del organismo. Pues bien, un grupo de científicos españoles del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) encabezado por Juan Antonio Hermoso acaba de esclarecer in vivo su mecanismo de acoplamiento a la pared bacteriana y establecer su estructura tridimensional.

La resistencia de las bacterias a los antibióticos es sin duda uno de los principales retos que debe afrontar la Medicina a corto plazo. Y es que muchas bacterias -algunas tan peligrosas como el Staphylococcus aureus (responsable en España de hasta el 80% de las infecciones contraídas dentro de los hospitales), el Enterococcus faecalis o las pertenecientes a la familia de los neumococos- se han convertido en superresistentes por lo que en todo el mundo se están buscando alternativas. Y los científicos creen haber encontrado la solución observando el comportamiento de los bacteriófagos, unos virus capaces de infectar a las células bacterianas y que una vez se han replicado en su interior producen unas enzimas capaces de degradar la pared celular de la bacteria hasta horadarla y poder así salir de nuevo fuera y seguir multiplicándose.

Se trata de unas enzimas tan eficaces que basta una cantidad muy pequeña de ellas para destruir millones de organismos en escasos minutos. Y además con la ventaja de que son específicas, es decir, que cada bacteriófago sólo es capaz de destruir una clase de bacterias en concreto a diferencia de los actuales antibióticos que dañan también a otras bacterias, muchas de ellas beneficiosas para el organismo. En pocas palabras, tales enzimas podrían utilizarse en lugar de los antibióticos para combatir las bacterias infecciosas y de ahí que se hayan bautizado como enzibióticos (en contraposición a antibióticos).

Hay que decir que el desarrollo de los enzibióticos como arma antiinfecciosa comenzó a estudiarse en los laboratorios el año 2000 siendo un grupo de investigación dirigido por Vincent Fischetti en la Universidad Rockefeller de Nueva York el que por primera vez publica -en Science- un trabajo en el que aparece el término enzibiótico. Fischetti y su grupo probaron sobre cepas de neumococos que las enzimas de los bacteriófagos eran capaces de romper eficazmente hasta quince serotipos distintos de cepas altamente resistentes a la penicilina y que pueden causar infecciones graves en los pulmones (neumonía), la sangre (sepsis) y las membranas que recubren el cerebro (meningitis) con una importante mortalidad.

Lo que en cambio poca gente sabe es que las enzimas líticas de los bacteriófagos con las que trabajó Fischetti fueron enviadas desde Madrid. Él pidió las endolisinas -como se conoce a las enzimas de los fagos- al grupo del profesor Pedro García del Centro de Investigaciones Biológicas-perteneciente al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)- que junto con el profesor Juan A. Hermoso -del Instituto de Química-Física Rocasolano (CSIC)- son responsables de equipos de investigación pioneros a nivel mundial en este campo. De hecho el nombre que se puso al bacteriófago del que se obtuvo la endolisina utilizada en los ensayos realizados por Fischetti es el de CP1 en honor de la Universidad Complutense. Y de él se obtuvo la endolisina CPL-1, una enzima capaz de destruir las bacterias de la clase Streptococcus pneumoniae.

Cabe añadir que el equipo de Hermoso fue también el primero en obtener la estructura tridimensional de un enzibiótico -trabajo publicado en el 2003- habiendo obtenido hace unas semanas notoriedad en los medios de comunicación al haber sido también el primero en conseguir una imagen de tales enzimas acoplándose a la pared de la bacteria para destruirla lo que será de enorme importancia en el campo de la ingeniería de proteínas para la obtención de productos basados en enzibióticos asimilables por el ser humano.

VIRUS AMIGOS: LOS BACTERIÓFAGOS

Juan A. Hermoso es de León y ama la naturaleza. Y es en ella, en su refugio de León, donde encuentra la inspiración. Tiene además el don de explicar con enorme claridad los complejos procesos del mundo de los virus. Es más, su descripción de la lucha de bacteriófagos y bacterias, sus ataques y sus complejos métodos de destrucción de las membranas más parece una narración de ciencia ficción que una lección de Biología… pero se entiende.

-Profesor, antes de entrar en el núcleo de su trabajo detengámonos si le parece en algunos conceptos básicos imprescindibles para entender la importancia de los enzibióticos. Parece que por una vez, unos virus, los bacteriófagos, parecen acudir en ayuda del género humano. ¿Es así?

-Los bacteriófagos son efectivamente virus que infectan a las bacterias, que utilizan a las bacterias como una máquina para generar copias de sí mismos. Son las entidades naturales más abundantes del planeta Tierra. Aunque lo más interesante es que para cada bacteria existen bacteriófagos específicos. Verá, estos virus inyectan todo su material genético en las bacterias que atacan generando así en su interior millones de viriones que se acumulan dentro hasta que, en un momento determinado, tienen que salir del interior de la bacteria. Y lo hacen usando dos proteínas. Una que se llama holina que degrada la membrana de la bacteria generando unos grandes poros y otra -que, además es una enzima- conocida como endolisina. Ambaspasan a través de esos poros para unirse al péptidoglicano (el armazón estructural de la bacteria) e iniciar su destrucción. En suma, esas enzimas rompen la pared bacteriana y los virus del interior salen. Nosotros, en las investigaciones actuales, aplicamos estas endolisinas ya como enzibióticos, es decir, rociando la bacteria desde fuera. No actúan pues desde el interior sino desde el exterior.

-¿Y es verdad que los bacteriófagos son virus selectivos, es decir, que cada uno sólo ataca a un grupo de bacterias concretas?

-Efectivamente. Las endolisinas de los bacteriófagos son muy específicas. De hecho cada bacteria tiene asociados tres, cuatro o más bacteriófagos que son altamente específicos para esa bacteria. El bacteriófago lo que ha desarrollado es una maquinaria propia de ingeniería de proteínas con la que construye en módulos las proteínas que van a romper la bacteria. Por ejemplo, nosotros trabajamos con CPL1, que es una endolisina del fago CP1. Fuimos los primeros que determinamos la estructura de un enzibiótico en el 2003 y vimos que la proteína presentaba un módulo catalítico que era capaz de romper la pared bacteriana y después un módulo de anclaje capaz de unirse específicamente a las moléculas de fosforilcolina de la pared bacteriana. La fosforilcolina es un componente específico de la pared celular del neumococo y desempeña un papel fundamental en los mecanismos de infección del mismo. Pues bien, las moléculas de fosforilcolina forman parte de la pared del neumococo y de ninguna otra pared más. De este modo este bacteriófago se asegura de que va a romper la pared de la bacteria que le interesa a él y no ninguna otra. En ese sentido es altamente específico.

Las endolisinas de los fagos de neumococos, por ejemplo, lo que han hecho realmente es incorporar su módulo de anclaje a la pared de la bacteria, directamente a partir de la propia bacteria, ya que el neumococo tiene incorporados de forma natural estos módulos de anclaje específicos en su pared bacteriana para fenómenos de virulencia, patogenicidad, etc. Lo que ha hecho el bacteriófago, a lo largo de millones de años de evolución con la bacteria, es incorporar esas proteínas que él necesita para romper la pared bacteriana, esos módulos de anclaje que ya el neumococo tenía y utiliza para sus propios fines y, a partir de ahí, realizar su propia ingeniería de proteínas. De hecho podríamos considerar a estas proteínas como quimeras naturales porque, por un lado, utilizan un módulo catalítico propio y, por otro, han incorporado los módulos de reconocimiento de la pared bacteriana que, según sea la bacteria, van a ir cambiando. Que esta estructura funciona como quimera ya lo hemos probado en el laboratorio.

Ahora bien, al contrario de lo que ocurre en el sistema in vivo, donde el fago infecta para producir viriones, nosotros no utilizamos el fago sino solamente su herramienta de destrucción con lo cual no hay viriones sino enzibióticos que eliminan la pared de las bacterias y una vez logrado ello dan su trabajo por concluido. Sin efecto perjudicial ulterior alguno por lo que sabemos por los experimentos con ratones.

PIONEROS A NIVEL INTERNACIONAL

-Ustedes comenzaron su trabajo el año 2000 en un campo del que se ignoraba casi todo, incluida la estructura tridimensional de esas enzimas. Hasta que tras varios años ocupando posiciones de vanguardia en la investigación de los enzibióticos su trabajo ha adquirido por fin notoriedad mediática.

-Nuestro estudio se inicia efectivamente el año 2000 que es cuando empezamos a trabajar en la determinación de las estructuras tridimensionales de este tipo de proteínas. Porque hoy la Biomedicina es inimaginable sin el conocimiento de la estructura tridimensional de las proteínas. Y ahí es donde intervenimos nosotros. No se sabía nada, no se sabía exactamente cómo estaban dispuestos los módulos de los bacteriófagos, qué estructura tenían, cómo funcionaban, cómo reconocían la pared bacteriana… Hasta que finalmente logramos conocerla y en el 2003 lo publicamos. Por primera vez en el mundo. A partir de ese momento supimos cómo estaban dispuestos los módulos catalíticos, la quimera que construyó el fago. Hoy lo que hemos conseguido es ir un paso más allá al conseguir captar cómo se une in vivo a la pared bacteriana. Hemos obtenido una imagen a resolución atómica -mediante Cristalografía de Rayos X- de cómo reconoce específicamente esa pared bacteriana y no otra, de cómo es capaz de modificar toda su estructura para reconocer ese péptidoglicano bacteriano y empezar el proceso de ruptura y corte. En suma, tenemos las bases a nivel atómico y molecular de cómo reconoce y cómo funciona un enzibiótico.

-Es decir, que antes se sabía que las endolisinas funcionaban pero se ignoraba cómo.

-Efectivamente. Y ese conocimiento es fundamental para cualquier desarrollo posterior biotecnológico. Porque una vez sabemos a nivel molecular cómo reconoce, cómo funciona, podemos intentar desarrollar -mediante ingeniería de proteínas- nuevas enzimas que sean más específicas o que sean efectivas para varios tipos de bacterias. El campo de aplicación de los enzibióticos es enorme. Podremos por ejemplo eliminar desde bacterias patógenas como el Streptococcus pneumoniae -causante de neumonías, otitis y meningitis- hasta la del bacilo del ántrax. Aplicando simplemente estos enzibióticos.

-¿Puede ser la solución para la resistencia a los antibióticos que tanto preocupa?

-El problema de la resistencia a los antibióticos es cada vez más grave. De hecho la Unión Europea está dedicando en los últimos años millones de euros a investigar nuevas terapias que puedan contrarrestar esa resistencia a los antibióticos. Las bacterias hoy día tienen cada vez más fácil eludir el efecto de los antibióticos pero el bacteriófago ha estado utilizando los enzibióticos desde hace millones de años sin que de momento la bacteria haya podido encontrar la manera de eludir su mecanismo de destrucción. Fíjese hasta dónde llega la efectividad de estos bacteriófagos que se estima que cada 48 horas eliminan la mitad de la población mundial de bacterias que hay en el planeta. Todo ello indica pues que pueden convertirse, efectivamente, en la herramienta que alivie/palie el problema de la resistencia a los antibióticos.

-¿Existen ya investigaciones en modelos animales que permitan sostener su optimismo?

-Hoy en día se ha probado cómo funcionan estos enzibióticos en ratones a nivel nasofaríngeo. Si a un ratón le damos una dosis letal de alguna bacteria, tipo neumococo, sabemos que puede desarrollar una septicemia y morir. Bueno, pues hemos comprobado que la aplicación de estos enzibióticos por vía nasal mediante spray es totalmente eficaz. De hecho hay unos estudios de mayo del 2007 en los que se ha demostrado que si a los ratones se les da una dosis de neumococos éstos desarrollan una infección nasofaríngea y que si luego se les aplica además el virus influenza -un virus respiratorio- el ratón desarrolla al cabo de una semana una otitis. Pues bien, tras aplicarles los enzibióticos con el spray no solamente se curaron de la infección nasofaríngea sino que además se previnieron las habituales otitis medias posteriores. Hoy sabemos que a nivel nasofaríngeo la aplicación de este tipo de enzibióticos con bacterias tipo neumococo -siempre gram-positivas– en ratones es altamente efectiva. Ahora hay que saber cómo aplicarlos en los casos de una infección interna sin que el organismo reconozca al enzibiótico como un cuerpo extraño que intente eliminar. Se trata de otro campo de investigación. Hay que buscar la manera de encapsular los enzibióticos y hacerlos llegar a los lugares infectados sin que antes los elimine nuestro sistema inmune.

-¿En los ratones los elimina el sistema inmune?

-No, pero es que el tratamiento es tan eficaz por vía nasofaríngea que antes de que el sistema inmune pueda intervenir se eliminan completamente las bacterias patógenas. Actúa en cuestión de minutos.

EL FUTURO

¿Cómo se consiguen los enzibióticos necesarios para la pulverización?

-No directamente de los bacteriófagos, claro está. Hoy en día con la ingeniería de proteínas no hace falta cultivar bacteriófagos que, por otra parte, no son fáciles de cultivar. Sabemos cuál es el DNA, la información genética que codifica esa proteína dentro del bacteriófago, y lo que hacemos es insertar esa información genética a una bacteria directamente, una bacteria tipo Escherichia coli o una levadura que nos produce millones de copias de la proteína que nosotros queremos obtener. De esos cultivos de E. coli modificados podemos extraer muy fácilmente esas proteínas que hemos producido y, una vez purificadas, inocularlas o pulverizarlas.

-¿Cuál es el siguiente reto?

-Seguimos trabajando, por un lado, en caracterizar estructuralmente nuevos enzibióticos donde la maquinaria de ruptura de la pared bacteriana siga siendo la misma pero la parte de reconocimiento de la pared sea diferente. Esto nos daría la posibilidad de combinar para una misma maquinaria catalítica distintos módulos de reconocimiento que pudieran seleccionar distintas bacterias. Otro de los retos que tenemos es cómo podemos tratar bacterias gram-negativas, diferentes en su pared, porque además de lo que hemos dicho de la membrana interna y del péptidoglicano bacteriano tiene por la parte externa otra membrana exterior. Con esa membrana externa no es posible aplicar los enzibióticos como en el caso de las gram-positivas porque se quedarían en esa membrana y no podrían penetrar más allá. Estamos trabajando, en colaboración con un grupo de investigación de Chicago, con la endolisina de un fago que es capaz de pasar la barrera de la membrana por sí misma sin necesidad de las holinas, de las proteínas de membrana, lo que se llama traslocarse en membrana. Y una vez se trasloca en membrana reconoce el péptidoglicano e inicia el proceso de hidrólisis. Actualmente estamos pues avanzando en la caracterización estructural de la que sería la primera endolisina para un fago de una bacteria gram-negativa.

-¿Y desde el punto de vista clínico qué se está haciendo?

-Hay dos lugares en el mundo donde se está trabajando con este tipo de enzimas. Por un lado está el grupo de Vicent Fischetti en la Universidad Rockefeller. De hecho él ha montado una compañía que se llama así: Enzybiotics. Y por otro lado está el grupo de nuestro compatriota Pedro García en el Centro de Investigaciones Biológicas (CIB) que está también estudiando in vivo en ratones cuál es el funcionamiento de estos enzibióticos y cómo se pueden hacer combinaciones interesantes, no sólo utilizando las enzimas líticas de los fagos sino también utilizando las propias enzimas líticas de las bacterias patógenas para crear un enzibiótico más potente. En el caso del neumococo existen unas autolisinas, máquinas que utiliza la propia bacteria para romper la pared en determinados momentos, para reorganizarla, para la división de las células hijas, para distintos procesos…

De momento las pruebas que se han hecho han sido con streptococcus de la clase A, con neumococos, y después se han hecho ensayos con el bacilo del ántrax. Por eso la repercusión mediática, en plena época del bioterrorismo en Estados Unidos, fue tan importante. De hecho fue portada en Nature que publicó una foto en la que se veía cómo después de que las endolisinas habían roto la pared de la membrana del bacilo del ántrax la materia citoplasmática salía del interior al exterior.

UN SISTEMA OBSOLETO

-Y de fondos, ¿cómo están? ¿Llevan la investigación al ritmo adecuado o más despacio de lo deseable?

-La ventaja que hemos tenido en esta investigación es que, por un lado, contábamos con el trabajo del grupo del Centro de Investigaciones Biológicas de Pedro Garcíaque tenía un bagaje enorme en todo este tema lo que nos ha permitido estar a la cabeza de la investigación al partir de toda su información previa. Además hemos empezado a trabajar en este campo cuando no era un tema popular, cuando todavía el problema de la resistencia a los antibióticos parecía un poco lejano lo cual nos ha dado unos cuantos años de adelanto frente al resto de equipos de investigación que están en el mundo trabajando y que ahora se están poniendo las pilas en serio. El problema es que si bien se pueden obtener fondos para equipamiento científico, de modo que estamos relativamente bien equipados, los fondos para becas, para contratar a la gente que esté investigando dentro del grupo, son muy limitados. Y eso es una rémora frente a otros grupos estadounidenses que pueden directamente contratar a la persona que les interesa para que se ponga a investigar de forma inmediata en este campo. Nosotros ni tenemos los fondos ni tenemos esa flexibilidad para contratar. De modo que ya veremos si somos capaces de mantenernos en la primera línea de investigación.

-Lo que quiere decir que hoy España está a la vanguardia en este ámbito pero por razones económicas los demás nos pueden adelantar en breve…

-Ciertamente. De hecho, cuando resolvimos la estructura del primer enzibiótico, el CPL1, la Oficina de Transferencia Tecnológica del CSIC se puso en contacto conmigo para ver cómo podíamos patentar nuestros hallazgos. Nuestra sorpresa fue que Vicent Fischetti, sin haber conocido más que los primeros ensayos sobre el neumococo, tenía prácticamente todo patentado: el uso de aerosoles, de sprays y hasta de tampax para utilizar con este tipo de enzibióticos. Son muy rápidos. No tenían ni la estructura pero ya estaban patentando. Claro que tienen la maquinaria para hacerlo de manera eficiente. Aquí patentar es algo muy laborioso y costoso a la que no estamos acostumbrados y a lo que nosotros, los investigadores, no deberíamos dedicar nuestro tiempo abandonando lo que nos es propio. En otros lugares cuentan con personal que se dedica específicamente a las patentes y gestiona todo lo relacionado con ellas sin que el investigador tenga que abandonar su propia investigación.

Yo creo que en España, en general, no estamos preparados para este tipo de competición de mercado. Somos muy buenos a nivel de investigación básica. Hoy día se está viendo que somos incluso muy competitivos. Publicamos en las mejores revistas del mundo. La investigación básica no es pues el problema; lo es la conexión entre la investigación básica y las empresas. Es un mundo que no manejamos. Falta la interfase que nos permita transferir la información al mundo empresarial o aplicar este conocimiento con patentes propias. Lo que está claro es que debe hacerlo alguien que esté asociado a nosotros pero no nosotros mismos.

Y luego está el problema del personal. Póngase en nuestro caso. Soy la única persona de investigación en plantilla. Tengo un equipo formado por cinco o seis personas -entre becarios predoctorales, algún postdoctoral y algún técnico- a los que dirijo y ¡soy yo mismo! quien tiene que redactar los proyectos, decidir lo que tenemos que publicar, escribir los artículos de investigación y al mismo tiempo gestionarla. ¡Como para encima dedicarme a patentar! Es más, cada vez que tengo que contratar a alguien hay que convocar una mesa de contratación. Es inviable. Lo que nos gustaría a los científicos es poder disponer del dinero que se presupueste y decir: “Necesito en estos momentos contratar a dos personas para trabajar en este campo…” y poder contratarlas inmediatamente. Y después que se nos exijan cuentas. Que sea en función de los resultados como se decide si te quitan o aumentan la financiación. Pero deberíamos ser libres para poder gestionar el dinero sin tanta traba burocrática y administrativa que lo único que hace es ralentizar el proceso de investigación. En Estados Unidos esta situación es impensable. Actualmente estoy colaborando con varios grupos estadounidenses de la Rockefeller University, en Chicago (Indiana) y cuando nos lanzamos a por un proyecto ellos, en un momento, pisan el acelerador y te preparan las proteínas, te mandan el material, ponen en suma toda su maquinaria en marcha… y nosotros, mientras, lo que hacemos es intentar estar a su altura con una maquinaria que es mucho más pesada y guiada por el voluntarismo. Desde luego, si en España no tienes un nivel de voluntad altísimo y la adrenalina a tope es imposible que puedas llegar a un nivel competitivo porque no tienes los medios.

-¿Seguimos siendo entonces, a nivel administrativo, el país del Vuelva usted mañana?

-Yo no diría tanto. Se han dado pasos muy importantes. Hoy día la ciencia que se hace en España no tiene nada que ver con la que se hacía hace unos años y sólo hay que ver las publicaciones de los grupos españoles. Publicamos mucho y bien. El asunto es que cuando estamos en temas muy competitivos, como es éste, donde hay otros grupos de mucho peso, los equipos estadounidenses van a doscientos por hora. Y nosotros no somos tan competitivos por la estructura. Incluso en los nuevos institutos autónomos de investigación pública los medios de que disponen y la flexibilidad para gestionar ese dinero es algo que nosotros ni soñamos. Cada cosa que hacemos nosotros tiene que pasar por 20 sitios. Si yo quiero contratar a una persona por seis meses tengo que convocar una mesa de contratación con seis personas, con los sindicatos presentes y el proceso lleva varios meses. ¡Para contratar a alguien seis meses!. El problema es tan grave que hasta la prestigiosa revista Nature se ha hecho eco de este exceso de burocracia en la ciencia española. Ahora estoy trabajando, en colaboración con la Rockefeller University, en temas muy interesantes que no sólo tienen que ver con los enzibióticos sino también con el reconocimiento del patógeno por parte del sistema inmune humano. Tenemos la estructura tridimensional de la proteína que reconoce la pared del patógeno -algo que no habían conseguido otros- y ahora queremos ver exactamente cómo se desarrolla todo este mecanismo para lo que necesitaría más gente y dar así un acelerón para sacarlo adelante. Por parte de mis colaboradores estadounidenses se está trabajando al doscientos por cien. Y yo tengo que suplir con voluntad la carencia de medios y agilidad que padecemos aquí.

-Perdone, pero ¿y si usted se pone enfermo, qué pasa?

-Que la investigación se para –me dice sonriendo ampliamente-. Así que no me puedo permitir el lujo de ponerme malo.

Antonio F. Muro

Este reportaje aparece en
105
Mayo 2008
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