• Desacetilasas como dianas terapéuticas y herramientas biocatalíticas
Viernes, 18 Diciembre, 2020
IQS Tech Transfer

Dra. Laia Grifoll y Dr. Antoni Planas

 

El alarmante aumento de microrganismos patógenos resistentes a antibióticos pide la búsqueda de nuevas dianas terapéuticas, con el objetivo de combatir las enfermedades infecciosas que escapan a los tratamientos antimicrobianos actuales.
El peptidoglicano es uno de los componentes principales de la pared celular bacteriana, con las funciones de determinar la forma de la célula, preservar la integridad y participar en los procesos de crecimiento y división celular. Dado que está presente exclusivamente en casi todas las paredes celulares bacterianas, el peptidoglicano actúa como excelente Patrón Molecular Asociado a Patógenos (PAPM de sus siglas en inglés), siendo reconocido por receptores eucarióticos en infecciones patogénicas.


Las bacterias patógenas utilizan las modificaciones post-sintéticas de la estructura de su propio peptidoglicano como estrategia para evadir el sistema inmune de sus huéspedes. Un ejemplo de estas modificaciones es la desacetilación de los residuos que conforman el peptidoglicano, el ácido N-acetilmurámico (MurNAc) y la N-acetilglucosamina (GlcNAc), catalizada por las desacetilasas de peptidoglicano, un tipo de enzima que pertenece a la familia 4 de esterasas de carbohidratos (CE4). Estas desacetilasas han sido propuestas como nuevas dianas antibacterianas, dado que la inhibición de estos enzimas puede representar una vía prometedora para el desarrollo de nuevas terapias antibióticas.

A pesar de tener este potencial como dianas terapéuticas, la información disponible sobre las desacetilasas de peptidoglicano es bastante escasa, con un número reducido de enzimas caracterizados.

Por otro lado, algunas desacetilasas de peptidoglicano son también activas en otros sustratos, como la quitina y el quitosano. Los quitosanos y oligosacáridos de quitosano (COS) son moléculas bioactivas con diversas aplicaciones, conocidas y potenciales, en varios campos. Existe un interés creciente por el desarrollo de aproximaciones enzimáticas para la producción de oligómeros de quitosano con estructura definida, para evaluar sus funciones biológicas y desarrollar nuevas aplicaciones, presentado los enzimas de la familia CE4 un gran potencial para su uso como biocatalizadores.

Recientemente, y formando parte de consorcio europeo del proyecto Nano3Bio, la Dra. Laia Grifoll defendió su tesis doctoral bajo el título “Chitin and peptidoglycan deacteylases: Discovery, characteritzation and engineering”, realizada dentro del Grupo de investigación de Quimica y Biotecnolgia (GQBB) de IQS, y dirigida por el Profesor Dr. Antoni Planas, Jefe del Laboratorio de Bioquímica del Departamento de Bioingeniería de IQS School of Engineering.

Desacetilasas de quitina y peptidoglicano

Uno de los principales objetivos del proyecto europeo Nano3Bio era el desarrollo de estrategias biotecnológicas, incluyendo la biocatálisis y la biología sintética, para obtener estos oligómeros con patrones de acetilación definidos.

Con el objetivo de incrementar el conocimiento disponible sobre la especifidad de las desacetilasas de quitina y peptidoglicano en diferentes sustratos, y las características secuenciales y estructurales que determinan estas especificidades, la tesis reporta la caracterización exhaustiva de la desacetilasa de peptidoglicano PdaC del microorganismo Bacillus subtilis (BsPdaC), así como la selección y caracterización de nuevos enzimas de la familia CE4.1,2


Además de la caracterización cinética y bioquímica del enzima, y en colaboración con el Laboratorio de Biología Estructural del CIC bioGUNE de Bilbao, en esta investigación se ha determinado la estructura cristalográfica de PdaC3 . La comparación estructural con desacetilasas canónicas de MurNAc y GlcNAc ha llevado a proponer que, en base a sus características funcionales y estructurales diferenciales, PdaC es el primer miembro de una nueva subclase de desacetilasas de MurNAc con funciones biológicas aún desconocidas.
La caracterización del primer miembro de esta subfamilia abre las puertas a su evaluación funcional como potencial diana terapéutica contra microorganismos patógenos.

Por otro lado, se ha realizado una búsqueda de nuevos enzimas de la familia CE4, basado en un análisis filogenético y bioinformático de la familia, identificando cuatro nuevas proteínas como potenciales desacetilasas de quitina, que podrían presentar nuevos patrones de acción. Así mismo, se ha propuesto una proteína del microorganismo Bacillus cereus como una nueva desacetilasa de peptidoglicano para su caracterización adicional.

Los resultados de esta investigación, con los que se amplía el conocimiento disponible referente a la especificidad y modo de acción de los enzimas de la familia CE4 y con los que se han identificado nuevos enzimas candidatos a ser caracterizados, contribuirán a la explotación de las desacetilasas de quitina y peptidoglicano como biocatalizadores y como dianas terapéuticas contra infecciones fúngicas y bacterianas, respectivamente.

This thesis has been supported by the European project “European Union’s Seventh Framework Programme for research, technological development and demonstration” under grant agreement number 613931 (NANO3BIO) and the grant BFU2016-77427-C2-1-R from Ministerio de Economía y Empresa from Spain.

         

 

L. Grifoll, S. Pascual, H. Aragunde, X. Biarnés, A. Planas;
Chitin deacetylases: structures, specificities, and biotech applications, Polymers 10, 352 (2018).

A. Aranda-Martinez, L. Grifoll-Romero, H.Aragunde, E. Sancho-Vaello, X. Biarnés, L. Vicente Lopez-Llorca, A. Planas; Expression and specificity of a chitin deacetylase from the nematophagous fungus Pochonia chlamydosporia potentially involved in pathogenicity, Scientific reports, vol.8 (2018). 

3  L.Grifoll-Romero, M.A. Sainz-Polo, D. Albesa-Jové, M.E. Guerin, X. Biarnés, A. Planas ; Structure-function relationships underlying the dual N-acetylmuramic and N-acetylglucosamine specificities of the peptidoglycan deacetylase PdaC from Bacillus subtilis.
Journal of Biological Chemistry 294, 19066-80 (2019)