Diseño de péptidos antimicrobianos derivados de Dermaseptina S4

Abstract

Desde el descubrimiento y desarrollo de los antibióticos, muchas enfermedades infecciosas han sido controladas gracias a la amplia variedad y efectividad de estos medicamentos, favoreciendo la esperanza de vida de humanos y animales. Sin embargo, en los últimos años el tratamiento de las infecciones bacterianas se ha complicado debido al incremento acelerado de resistencia bacteriana contra los antibióticos convencionales, volviendo a ser una de las principales causas de muerte cada año en todo el mundo (Rice, 2003; OMS, 2014; Schmidtchen et al., 2014). Además, el bajo número de nuevos antibióticos que entran en fase de desarrollo clínico contribuye a la insuficiente disponibilidad de medicamentos eficaces (von Nussbaum et al., 2006; Schmidtchen et al., 2014), generando una necesidad urgente de agentes antibacterianos alternativos (Rice 2003; Demain y Sanchez, 2009), como los péptidos antimicrobianos (Schmidtchen et al., 2014). Los péptidos antimicrobianos son pequeñas moléculas producidas por todo tipo de organismos en la naturaleza, tanto eucariotas como procariotas, y funcionan como componentes clave del sistema inmune innato, actuando como la primera barrera de defensa natural contra microorganismos invasores (Lehrer y Ganz, 1996; Zasloff, 2002; Brogden, 2005). Generalmente, este péptidos presentan una rápida y potente actividad (en el rango micromolar) contra un amplio espectro de microorganismos, como bacterias, virus, hongos y protozoos (Feder et al., 2000; Belaid y Hani, 2002; Zasloff, 2002; Lorin et al., 2005; Zairi et al., 2008), incluso contra bacterias resistentes a los antibióticos convencionales, como Staphylococcus aureus resistente a meticilina y Pseudomonas aeruginosa multi-resistente (Yuin Ong et al., 2014). En consecuencia, los péptidos antimicrobianos reciben gran interés para el desarrollo de nuevos agentes antibacterianos que podrían servir como complemento o alternativa a los antibióticos convencionales en una amplia variedad de posibles aplicaciones (Yuin Ong et al., 2014). Los péptidos antimicrobianos se clasifican con base en su estructura secundaria como: hélices-α, láminas-β, extendidos y bucles (Zasloff, 2002; Hancock y Sahl, 2006). Las hélices-α constituyen la mayoría de los péptidos antimicrobianos naturales conocidos (Yeaman y Yount, 2003; Matsuzaki, 2009; Teixeira et al., 2012). Los péptidos β-laminares son clasificados así por la formación de láminas-β antiparalelas estabilizadas por dos o más enlaces disulfuro. La siguiente clase de péptidos antimicrobianos contienen altas proporciones de ciertos aminoácidos como triptófano, histidina y prolina. Por último, la estructura de los péptidos en bucle ocurre por la formación de un solo enlace disulfuro, amida o peptídico (Powers y Hancock, 2003). Desde su descubrimiento (Zasloff, 1987), miles de péptidos antimicrobianos naturales y sintéticos han sido reportados (Wang et al., 2009), pero, muchos de ellos no son adecuados para aplicaciones terapéuticas debido a sus largas secuencias, alto costo de producción, baja potencia antimicrobiana, susceptibilidad a enzimas proteolíticas y alta citotoxicidad contra células de mamífero (por ejemplo, actividad hemolítica). Sin embargo, la gran cantidad de secuencias y la información estructural proporcionada por los péptidos antimicrobianos naturales conocidos, facilita el diseño de nuevos péptidos más potentes, menos tóxicos y con mayor potencial para múltiples aplicaciones (Brogden y Brogden, 2011; Yuin Ong et al., 2014). Un ejemplo de este tipo de péptidos son las dermaseptinas, una familia de péptidos antimicrobianos que se encuentran en la piel de varias especies de ranas sudamericanas del género Phyllomedusa (Mor et al., 1991; 1994). Particularmente, la Dermaseptina S4 es un péptido de 28 residuos que posee débil actividad antibacteriana pero potente actividad hemolítica (Feder et al., 2000). Sin embargo, varios estudios han logrado identificar derivados con actividad antibacteriana mejorada y actividad hemolítica disminuida (Feder et al., 2000; Kustanovich et al., 2002). Estos derivados de Dermaseptina S4 han presentado muy buena actividad contra varios patógenos causantes de infecciones de transmisión sexual como N. gonorrheae, S. aureus, E. coli, P. aeruginosa, E. faecalis, C. albicans (Feder et al., 2000; Kustanovich et al., 2002; Zairi et al., 2007, 2008, 2013), incluso contra virus del herpes simple tipo I (Belaid y Hani, 2002) y virus de inmunodeficiencia humana (VIH) (Lorin et al., 2005). La perspectiva de esta tesis es contribuir con una mayor comprensión de la relación general entre actividad y estructura de los péptidos antimicrobianos derivados de Dermaseptina S4. En el primer capítulo se utilizaron siete péptidos antimicrobianos y se evaluó el efecto de algunas modificaciones en la carga neta positiva sobre la actividad antibacteriana y sobre la toxicidad contra células de mamífero (eritrocitos humanos y espermatozoides bovinos). Tres de los péptidos utilizados fueron diseñados en este trabajo y los otros cuatro fueron previamente diseñados, caracterizados y reportados en otros trabajos (Feder et al., 2000; Kustanovich et al., 2002). El objetivo fue identificar los péptidos con mayor actividad contra bacterias frecuentemente encontradas en semen bovino colectado y con menor toxicidad contra células de mamífero, con el fin de proponer los candidatos más prometedores para su aplicación en diluyentes para criopreservación de semen bovino. En el segundo capítulo se hizo énfasis en el péptido K4S4(1-15)a como modelo para diseñar cinco derivados con diferente distribución de los aminoácidos catiónicos (en este caso lisinas) y estudiar el efecto de estas modificaciones sobre la actividad antibacteriana, contra E. coli y S. aureus, y sobre la actividad hemolítica. K4S4(1-15)a es un derivado de Dermaseptina S4 que, como se muestra en el capítulo I, presentó los mejores resultados en cuanto a actividad antimicrobiana y selectividad celular. Adicionalmente, en colaboración con mis compañeros de laboratorio y el Dr. Sergio Orduz Peralta, se diseñó el programa Peptide ID 1.0, que es una herramienta para analizar secuencias de proteínas y buscar en ellas segmentos de secuencia con características fisicoquímicas similares a las de los péptidos antimicrobianos. Aunque el desarrollo de este programa no hizo parte de los objetivos de esta tesis, fue de gran ayuda para calcular y analizar los parámetros fisicoquímicos y estructurales de los péptidos diseñados.