Filmar la resistencia a los antibióticos en cámara lenta
El láser europeo XFEL capta la rápida reacción de una enzima bacteriana
Utilizando el láser de rayos X europeo XFEL, un equipo internacional de investigadores, entre los que se encuentran científicos del DESY, ha filmado con éxito un paso de la reacción que es importante para el desarrollo de la resistencia a los antibióticos. La película molecular capta a cámara lenta la rapidísima reacción de la enzima betalactamasa de la bacteria de la tuberculosis con el antibiótico de cefalosporina ceftriaxona. El equipo informa de los resultados en IUCrJ, la revista de la Unión Internacional de Cristalografía.
La resistencia a los antibióticos se produce, en parte, cuando las bacterias adquieren la capacidad de inactivar los antibióticos utilizados contra ellas. Muchas bacterias resistentes producen la enzima betalactamasa. Esta enzima puede hacer que los antibióticos betalactámicos más utilizados sean ineficaces. El equipo, dirigido por Marius Schmidt, de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee, ha estudiado ahora el primer paso de esta inactivación en el XFEL europeo, observando cómo el antibiótico se une a la betalactamasa de las bacterias resistentes de la tuberculosis en milisegundos (milésimas de segundo).
Los investigadores también estudiaron cómo el inhibidor enzimático sulbactam reacciona con la enzima bacteriana. El sulbactam, administrado al mismo tiempo que los antibióticos, se une a la betalactamasa bacteriana, bloqueándola. Como resultado, la enzima es incapaz de inactivar los antibióticos, cuya eficacia se restablece de este modo.
Hasta ahora, los cristales son un requisito para estudiar las biomoléculas mediante rayos X. Dichos cristales están formados por millones de moléculas enzimáticas individuales que se organizan de forma regular en tres dimensiones. Si los cristales son lo suficientemente grandes, se pueden medir patrones de difracción de rayos X brillantes, que se utilizan para revelar la estructura espacial de las moléculas y compuestos individuales en el cristal.
"Deseamos realizar las mediciones de rayos X en momentos específicos después de que las moléculas de enzima en los cristales entren en contacto con el antibiótico", explica el coautor del DESY Henry Chapman, del Centro de Ciencia Láser de Electrones Libres CFEL. "Sin embargo, cuando los cristales son lo suficientemente grandes como para realizar buenas mediciones con rayos X, la solución de antibiótico puede tardar varios segundos en difundirse a través del cristal, lo que emborrona la visión de los cambios moleculares que se producen en escalas de tiempo más rápidas". Sólo con la llegada de los láseres de electrones libres de rayos X o XFEL, que utilizan intensos haces pulsados que permiten exposiciones miles de veces superiores a las que se podían tolerar antes, se pudieron utilizar cristales suficientemente pequeños. "Entonces, la difusión es más rápida que la reacción real, de modo que pueden observarse los detalles de la misma", afirma Chapman, que también es miembro del Cluster de Excelencia CUI: Advanced Imaging of Matter de la Universidad de Hamburgo e instituciones asociadas.
El método especial de mezcla e inyección utilizado en el estudio requiere inyectores hechos a medida, que fueron proporcionados por el grupo de Lois Pollack de la Universidad de Cornell para su uso en el XFEL europeo. El método permite obtener imágenes atómicamente precisas a cámara lenta de procesos biológicos rápidos en enzimas y otras biomoléculas.
"Enzimas como la betalactamasa son de gran importancia para la medicina", explica Schmidt. "Los láseres de rayos X como el XFEL europeo permiten ahora estudiar cristales mucho más pequeños que en el pasado. Nuestro experimento, junto con los resultados anteriores, ha demostrado cómo los láseres de rayos X pueden utilizarse como una importante herramienta para la investigación biológica en el futuro", añade.
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