Supercomputer alla Riscossa: Come i Tesori della Natura Potrebbero Sconfiggere i Batteri Super-Resistenti!

Ciao a tutti, appassionati di scienza e curiosi! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante, quasi da detective, nel mondo microscopico dei batteri e degli antibiotici. Parliamoci chiaro: la resistenza agli antibiotici è uno dei grattacapi più seri della medicina moderna. Immaginate di avere un’arma potente contro le infezioni, e all’improvviso quest’arma inizia a fare cilecca. Ecco, questo è quello che sta succedendo con alcuni antibiotici, tra cui i macrolidi. Nomi come eritromicina, azitromicina, claritromicina vi dicono qualcosa? Sono farmaci preziosissimi, usati per un sacco di infezioni, da quelle respiratorie a quelle della pelle. Ma i batteri, furbacchioni come sono, hanno imparato a difendersi.

I Macrolidi: Amici Minacciati

I macrolidi sono una classe di antibiotici con una struttura chimica particolare, caratterizzata da un grande anello lattonico (da cui il nome “macro”). Per anni sono stati i nostri cavalieri senza macchia nella lotta contro le infezioni. Ma, come dicevo, i batteri hanno sviluppato meccanismi di resistenza sempre più sofisticati: modificano il bersaglio dell’antibiotico, lo pompano fuori dalla cellula come se fosse spazzatura (le cosiddette pompe di efflusso), o addirittura lo degradano con enzimi specifici. Un vero e proprio arsenale di contromisure!

Questa resistenza non è uguale per tutti i batteri. Storicamente, i batteri Gram-positivi (come Staphylococcus aureus e Streptococcus pneumoniae) erano i più “tosti” contro i macrolidi. Ma, ahimè, anche i Gram-negativi (pensate a Pseudomonas aeruginosa o a certi ceppi di Escherichia coli) stanno diventando sempre più resistenti, spesso acquisendo geni di resistenza da altri batteri o potenziando le loro pompe di efflusso. Insomma, la situazione è complessa e richiede strategie innovative.

La Nostra Missione: Smascherare i “Cattivi” con la Potenza Computazionale

Di fronte a questa sfida, noi ricercatori non stiamo certo con le mani in mano! Una delle strade più promettenti è quella di trovare nuovi composti, magari di origine naturale, che possano “disarmare” questi meccanismi di resistenza batterica. E qui entra in gioco la potenza dei computer. Invece di testare migliaia di composti in laboratorio, un processo lungo e costoso, possiamo usare tecniche computazionali come il virtual screening e il molecular docking.

Immaginate di avere una serratura (la proteina batterica che causa la resistenza) e un mazzo enorme di chiavi (i composti naturali). Il docking molecolare ci permette di provare virtualmente ogni chiave nella serratura, per vedere quale si adatta meglio e potrebbe bloccarla. È un po’ come giocare a Tetris a livello molecolare!

Nel nostro studio, ci siamo concentrati su cinque “bersagli” principali, cinque enzimi o sistemi proteici che i batteri usano per resistere ai macrolidi:

• Macrolide 2’-fosfotransferasi di tipo I (mphA o ErmE) e di tipo II (mphB): enzimi che modificano chimicamente i macrolidi, rendendoli inattivi. Principalmente nei Gram-negativi.
• Una pompa di efflusso tripartita specifica per macrolidi: un sistema complesso che espelle attivamente gli antibiotici dalla cellula batterica. Tipica dei Gram-negativi.
• Eritromicina esterasi EreC: un enzima che rompe l’anello dei macrolidi, disattivandoli. Più comune nei Gram-positivi.
• rRNA metiltransferasi (ErmAM): un enzima che modifica il ribosoma batterico, il bersaglio dei macrolidi, impedendo all’antibiotico di legarsi. Diffusa nei Gram-positivi, ma può trovarsi anche nei Gram-negativi.

Abbiamo preso un database bello ricco, il LOTUS database, che contiene circa 1.400 composti naturali, e li abbiamo “dockati” contro queste cinque proteine. L’obiettivo? Trovare i composti che si legano meglio, con maggiore affinità, a ciascuna di esse.

I Campioni della Natura: I Nostri “Top Hits”

Dopo questa prima fase di screening virtuale, abbiamo selezionato i dieci composti migliori per ogni proteina bersaglio. Ma non ci siamo fermati qui! Un buon farmaco non deve solo legarsi bene, ma deve anche avere buone proprietà farmacocinetiche: deve essere assorbito, distribuito nell’organismo, metabolizzato ed escreto in modo appropriato, e soprattutto non deve essere tossico. Per questo, abbiamo sottoposto i nostri “campioni” a un’analisi ADMET (Assorbimento, Distribuzione, Metabolismo, Escrezione, Tossicità). I risultati sono stati incoraggianti: molti composti sembravano avere le carte in regola per un potenziale sviluppo terapeutico.

Tra tutti, cinque molecole si sono distinte per la loro eccezionale affinità di legame:

• LTS0271681 contro ErmAM (la rRNA metiltransferasi)
• LTS0263188 contro la pompa di efflusso tripartita
• LTS0024216 contro mphA
• LTS0110759 contro mphB
• LTS0100971 contro EreC (l’esterasi)

Questi composti hanno mostrato affinità di legame significativamente migliori rispetto ai controlli che abbiamo usato (due macrolidi noti, Metimicina e Azitromicina). Questo suggerisce che potrebbero essere più efficaci nell’inibire questi specifici meccanismi di resistenza.

La Prova del Nove: Simulazioni di Dinamica Molecolare

Avere un buon “punteggio di docking” è un ottimo inizio, ma volevamo vedere come questi composti si comportassero “dal vivo”, o quasi. Per questo, abbiamo usato le simulazioni di dinamica molecolare (MD). Immaginate di poter filmare, a livello atomico, come la nostra molecola “chiave” interagisce con la sua “serratura” proteica nel tempo, in un ambiente che mima quello fisiologico (con acqua, ioni, alla giusta temperatura e pressione). Queste simulazioni, durate ben 200 nanosecondi (un tempo lunghissimo in termini molecolari!), ci hanno permesso di valutare la stabilità del complesso proteina-ligando e di analizzare nel dettaglio le interazioni.

Per esempio, per LTS0271681 legato a ErmAM, abbiamo visto che il composto formava legami idrogeno cruciali con residui come Gln35, Thr38, Lys40 e, cosa molto importante, con Glu127 e Asn100, che sono nel cuore del sito attivo dell’enzima. Queste interazioni, mantenute per gran parte della simulazione, potrebbero interferire con la reazione di metilazione che ErmAM compie sull’RNA ribosomiale, bloccando di fatto la resistenza. L’analisi dell’energia libera di legame (MM-GBSA) ha confermato una forte affinità, con un valore di -71.16 kcal/mol. Anche l’analisi delle componenti principali (PCA) ha mostrato che il complesso rimaneva stabile in una conformazione energeticamente favorevole.

Risultati simili li abbiamo ottenuti per gli altri quattro composti “campioni” e le rispettive proteine bersaglio. Ad esempio, LTS0263188 ha mostrato interazioni stabili con residui chiave della pompa di efflusso, come Glu231, suggerendo che potrebbe bloccare le modifiche conformazionali necessarie per l’espulsione dell’antibiotico. LTS0024216 e LTS0110759 si sono legati saldamente ai siti attivi di mphA e mphB rispettivamente, con interazioni persistenti con residui come Asp200 (per mphA) e His230 (per mphB), indicando una potenziale inibizione della fosforilazione dei macrolidi. Infine, LTS0100971 ha interagito fortemente con Asp230 nel sito attivo di EreC, il che potrebbe prevenire l’idrolisi dell’anello lattonico dell’antibiotico.

È interessante notare che, quando abbiamo simulato l’Azitromicina (il nostro controllo) con queste stesse proteine di resistenza, le interazioni erano molto meno stabili e le energie di legame meno favorevoli. Questo rafforza l’idea che i nostri composti naturali abbiano un potenziale specifico contro questi meccanismi di resistenza.

Cosa Ci Riserva il Futuro?

Quindi, cosa significa tutto questo? Significa che abbiamo identificato cinque composti naturali che, almeno sulla carta (o meglio, sullo schermo del computer!), sembrano promettenti candidati per diventare nuovi farmaci o coadiuvanti in grado di contrastare la resistenza ai macrolidi. Le nostre simulazioni suggeriscono che questi composti si legano saldamente e stabilmente ai loro bersagli proteici, il che è un requisito fondamentale per un’azione inibitoria efficace.

Certo, siamo ancora all’inizio di un lungo percorso. Questi sono risultati in silico, cioè computazionali. Il prossimo passo, fondamentale, sarà validare queste scoperte in laboratorio, con studi in vitro (su cellule e batteri) e poi, se tutto va bene, in vivo. Ma la strada è tracciata, e la speranza di avere nuove armi contro i superbatteri è un po’ più concreta.
La natura, ancora una volta, potrebbe custodire la chiave per risolvere alcune delle nostre sfide mediche più pressanti. E con l’aiuto della tecnologia computazionale, possiamo esplorare questo tesoro nascosto in modi sempre più efficienti e mirati. Non è affascinante?

Fonte: Springer