Molecola del Mese
di David S. Goodsell
traduzione di Mauro Tonellato

Vancomicina


Molecola del Mese di Dicembre 2015
Parole chiave: penicillina, antibiotici glicopeptidici, resistenza agli antibiotici, evoluzione della resistenza

Introduzione
La maggior parte dei nostri antibiotici deriva da batteri e funghi, i più grandi esperti al mondo nel combattere le infezioni. Questi organismi si proteggono usando una incredibile varietà di molecole esotiche che si sono evolute per attaccare ogni punto debole dei loro competitori. La maggior parte di questi antibiotici, come la penicillina (mdm 5/2002), attaccano enzimi batterici, ne bloccano l'azione, e in questo modo uccidono il batterio infettante. La vancomicina, invece, attacca la molecola che deve essere elaborata dall'enzima batterico.

Fermare la sintesi
I batteri costruiscono una robusta parete cellulare formata da catene di zuccheri intrecciate con piccoli peptidi che costituisce una struttura a rete chiamata peptidoglicano. Questa rete è costruita in più passaggi: all'inizio vengono formate catene di zuccheri e poi queste vengono unite da piccole catene di peptidi. La vancomicina agisce nella seconda parte di questo processo. Un'estremità del peptide di reticolazione termina con due amminoacidi strani, due D-alanine che possiedono un centro stereochimico opposto (D, destro) a quello dei normali amminoacidi che sono tutti L (sinistri). Per realizzare la reticolazione, l'alanina terminale deve essere eliminata e così il peptide viene legato al peptide vicino. Come si può vedere nell'immagine qui a fianco (PDB 1fvm), la vancomicina si lega strettamente alla sequenza dei due amminoacidi D-alanina-D-alanina, impedendo così al peptidoglicano di reticolarsi.

Gram Positivi e Negativi
Solo alcuni batteri sono sensibili alla vancomicina. Batteri come lo Stafilococco hanno uno spesso strato di peptidoglicano che circonda la cellula e sono chiamati gram-positivi per il fatto che assorbono il primo dei coloranti di Gram e appaiono viola al microscopio. La vancomicina è efficace nel bloccare la formazione di questo tipo di parete cellulare e quindi viene usata come ultima risorsa per curare le infezioni dei batteri gram-positivi resistenti agli altri antibiotici.
I batteri gram-negativi come Escherichia coli, invece, costruiscono il loro peptidoglicano al di sotto di una membrana protettiva più esterna dove rimane inacessibile al colorante viola di Gram e anche alla vancomicina. In questi casi, per entrare all'interno di questi batteri, è più utile usare piccoli antibiotici come la penicillina.


Antica Resistenza
I batteri sono diventati resistenti alla vancomicina liberandosi del suo bersaglio, la coppia di D-alanine. La proteina VanA, con l'aiuto di altre due proteine, sostituisce un gruppo lattato al posto della D-alanina alla fine della catena peptidica di peptidoglicano. Questo peptide modificato è ancora capace di fare la reticolazione, ma non è riconosciuto dall'antibiotico. La struttura mostrata qui è quella della proteina VanA di un antico batterio, ricostruita dal DNA recuperato da sedimenti di permafrost vecchi di 30.000 anni (PDB 3se7). In rosso si vede la molecola di ATP necessaria all'enzima per svolgere la sua azione. E' incredibilmente simile alla proteina VanA dei batteri moderni e questo dimostra che la guerra tra antibiotici e resistenza è cominciata molto prima che la moderna medicina scoprisse l'utilità degli antibiotici. Potete confrontare voi stessi le strutture della proteina antica e di quella moderna usando lo strumento "Structure Comparison Tool" nel sito PDB.












Esplorando la Struttura

Possiamo comprendere meglio l'evoluzione della proteina VanA osservando altre proteine batteriche.
VanA è una D-alanina - D-lattato ligasi, infatti aggiunge lattato alla catena in crescita di peptidoglicano.
L'enzima che sintetizza il normale peptidoglicano, invece, è una
D-alanina - D-alanina ligasi perchè lega D-alanina di una catena alla D-alanina del peptide vicino.
Confrontando le due strutture, (PDB 1e4e e 2dln), vediamo che sono molto simili. Questa è una prova che la resistenza si è evoluta a partire dall'enzima normale.
Per esplorare queste due strutture in maggior dettaglio, passate col mouse sull'immagine qui a lato per alternare la visione di VanA con D-ala - D-ala ligasi. Notate che tutte e due le proteine hanno bisogno di ATP (rosa) e di due ioni magnesio (magenta) per svolgere la loro azione.









Spunti per Ulteriori Esplorazioni

Potete esplorare una varietà di antibiotici simili e di enzimi coinvolti nella loro sintesi cercando "glycopeptide antibiotics".
Esaminate la proteina VanX (PDB 1r44), anche questa è necessaria per la resistenza alla vancomicina. Si tratta di un piccolo enzima che rompe ogni peptide che possiede la sequenza D-alanina - D-alanina nella parete cellulare. In questo modo consente alla VanA di costruire i suoi peptidi modificati.


Bibliografia
3se7: V. M. D'Costa, C. E. King, L. Kalan, M. Morar, W. W. L. Sung, C. Schwarz, D. Froese, G. Zazula, F. Calmels, R. Debruyne, G. B. Golding, H. N. Poinar & G. D. Wright (2011) Antibiotic resistance is ancient. Nature 477, 457-461.
1fvm: Y. Nitanai, T. Kikuchi, K. Kakoi, S. Hanamaki, I. Fujisawa & K. Aoki (2009) Crystal structures of the complexes between vancomycin and cell-wall precursor analogs. Journal of Molecular Biology 385, 1422-1432.
1e4e: D. I. Roper, T. Huyton, A. Vagin & G. Dodson (2000) The molecular basis of vancomycin resistance in clinically relevant Enterococci: crystal structure of D-alanyl-D-lactate ligase (VanA). Proceedings of the National Academy of Sciences USA 97, 8921-8925.
2dln: C. Fan, P. C. Moews, C. T. Walsh & J. R. Knox (1994) Vancomycin resistance: structure of D-alanine:D-alanine ligase at 2.3 A resolution. Science 266, 439-443.
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