Mecanismos bactericidas

Los antibióticos son compuestos químicos segregados por distintos microorganismos para cumplir con distintas funciones biológicas. A bajas concentraciones, son la base de la comunicación con microorganismos alrededor al servir como mensajeros y como reguladores de diferentes procesos bioquímicos en comunidades de bacterias. Al segregarse en altas concentraciones sirven como mecanismo de defensa al ser letales para otras cepas que intenten obtener nutrientes de su territorio.

Figura 2. Una ilustración de los distintos mecanismos bactericidas de las familias de antibióticos. A) Ilustración de una E. coli en la cual se señalan y nombran sus distintas partes. B) La acción de los ß-lactámicos se enfoca en inhibir la síntesis de la membrana por lo que se debilita. C) La acción de los amino glucósidos se basa en bloquear la subunidad 30S del ribosoma, lo cual conlleva a síntesis de proteínas con malformaciones y debilitan la membrana. D) La acción de las tetraciclinas inhibe síntesis de proteínas al bloquear los ribosomas. E) La acción de las quinolonas produce inhibición enzimática la cual conlleva a daño en ADN y su ruptura. F) La plata lesiona la membrana celular, interrumpiendo respiración, y permeabilidad por lo que eventualmente daña al ADN.

La familia de los β-lactámicos, como la penicilina, son compuestos que interactúan con proteínas involucradas en la formación de la membrana celular (Figura 2 B). Al ligarse la penicilina con estas proteínas, la membrana se vuelve frágil y con la presión osmótica del interior de la célula, causa que se deforme, rompiéndose en la mayoría de los casos.^6,10En el caso de los amino glucósidos, el mecanismo bactericida no está tan bien definido, pero se sabe que tienen la capacidad de bloquear los ribosomas de la bacteria, en la subunidad 30S, lo cual causa errores en la traducción del mARN. Esto produce proteínas con anomalías, y con estructuras desdobladas, que al incrustarse en la membrana causan un aumento en su porosidad y la despolarización de ésta (Figura 2 C).^7,11,12 El mecanismo de acción de las tetraciclinas está mucho mejor definido y es simple, tienen como blanco el tARN, al bloquearlo, la liga con los ribosomas no es posible y se inhibe la síntesis de proteínas (Figura 2 D).⁸Finalmente, la familia de las quinolonas tiene la capacidad de inhibir las enzimas ADN girasa y la topoisomerasa IV. Estas enzimas son las encargadas de reducir estrés topológico en el ADN durante procesos como la replicación, transcripción y reparo, cuya inhibición causa rupturas en el ADN (Figura 2 E).^9,13 Todos estos mecanismos conducen al arresto en la división celular en la bacteria, y eventualmente a su muerte.

Una de las personas líderes mundiales en el estudio de mecanismos de resistencia en bacterias es el Prof. James Collins, físico de formación, del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Boston. El Prof. Collins desarrolló uno de los trabajos más sobresalientes de los últimos años en del campo de los mecanismos de acción de antibióticos. En su laboratorio se encontró que todos estos antibióticos, aunque tienen blancos y mecanismos distintos de atacar a las bacterias, provocan la muerte de la bacteria con un último paso en común: la producción de especies reactivas como súper óxidos y radicales hidroxilos.¹⁴

Anteriormente, la ciencia de la microbiología se encargaba de comprender los mecanismos de acción, de distintas familias de antibióticos, contra distintas cepas. Sin embargo, en los últimos años se ha alcanzado una mayor comprensión de estos mecanismos con el surgimiento de áreas de la ingeniería como la ingeniería biomédica, ingeniería de sistemas biológicos, biotecnología y la biología sintética. Esto se debe a que dichas áreas del la ingeniería han desarrollado técnicas y sistemas sintéticos que facilitan la obtención de información con alta precisión y exactitud. El alcanzar una mayor comprensión de los mecanismos de acción de las distintas familias de antibióticos le proporciona al ingeniero una variedad de armas para el desarrollo de terapias más potentes. Ya sea que surja de una sinergia entre dos o más familias de antibióticos, o el desarrollo de compuestos químicos complementarios que al combinarse acentúen el efecto microbicida.

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[10] A. Tomasz, Mechanism of the Irreversible Anti-Microbial Effects of Penicillins - How the Beta-Lactam Antibiotics Kill and Lyse Bacteria, Annual Review of Microbiology, 1979. 33, 113-137.
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