Se estima que la tuberculosis, la enfermedad infecciosa más mortal del mundo, infecta a unos 10 millones de personas cada año y mata a más de un millón. Una vez establecida en los pulmones, la gruesa pared celular de la bacteria le ayuda a combatir el sistema inmunitario del huésped.

Gran parte de esa pared celular está compuesta por moléculas complejas de azúcar conocidas como glicanos, pero no se comprende bien cómo estos glicanos ayudan a defender a las bacterias. Una razón es que no se ha encontrado una manera sencilla de etiquetarlos dentro de las células.

Los químicos del MIT han superado ese obstáculo, demostrando que pueden marcar un glicano llamado ManLAM mediante una molécula orgánica que reacciona con azúcares específicos que contienen azufre. Estos azúcares se encuentran solo en tres especies bacterianas, la más conocida y prevalente de las cuales es Mycobacterium tuberculosis, el microbio causante de la tuberculosis.

Después de marcar el glicano, los investigadores pudieron visualizar dónde se encuentra dentro de la pared celular bacteriana y estudiar qué le sucede durante los primeros días de la infección tuberculosa de las células inmunes del huésped.

Los investigadores ahora esperan utilizar este enfoque para desarrollar un diagnóstico que pueda detectar los glicanos asociados a la tuberculosis, ya sea en cultivo o en una muestra de orina, lo que podría ofrecer una alternativa más económica y rápida a los diagnósticos existentes. Las radiografías de tórax y el diagnóstico molecular son muy precisos, pero no siempre están disponibles en los países en desarrollo, donde las tasas de tuberculosis son altas. En estos países, la tuberculosis se suele diagnosticar mediante el cultivo de microbios de una muestra de esputo, pero esta prueba tiene una alta tasa de falsos negativos y puede ser difícil para algunos pacientes, especialmente niños, proporcionar una muestra de esputo. Esta prueba también requiere varias semanas para que las bacterias crezcan, lo que retrasa el diagnóstico.

“No existen muchas opciones de diagnóstico eficaces, y algunos grupos de pacientes, incluidos los niños, tienen dificultades para proporcionar muestras que puedan analizarse. Existe un gran impulso para desarrollar pruebas muy sencillas y rápidas”, afirma Laura Kiessling, profesora de Química de Novartis en el MIT y autora principal del estudio.

La estudiante de posgrado del MIT, Stephanie Smelyansky, es la autora principal del artículo, que se publica esta semana en las Actas de laAcademia Nacional de Ciencias. Otros autores son Chi-Wang Ma, investigador posdoctoral del MIT; Victoria Marando, doctora en la promoción 2023; Gregory Babunovic, investigador posdoctoral de la Escuela de Salud Pública TH Chan de Harvard; So Young Lee, estudiante de posgrado del MIT; y Bryan Bryson, profesor asociado de ingeniería biológica del MIT.

Etiquetado de glicanos

Los glicanos se encuentran en las superficies de la mayoría de las células, donde realizan funciones críticas como mediar la comunicación entre células. En las bacterias, los glicanos ayudan a los microbios a ingresar a las células huésped y también parecen comunicarse con el sistema inmunológico del huésped, en algunos casos bloqueando la respuesta inmune.

“ Mycobacterium tuberculosis posee una envoltura celular muy elaborada en comparación con otras bacterias, y es una estructura rica compuesta por una gran cantidad de glicanos diferentes”, afirma Smelyansky. “Algo que a menudo se subestima es el hecho de que estos glicanos también pueden interactuar con nuestras células huésped. Cuando nuestras células inmunitarias reconocen estos glicanos, en lugar de enviar una señal de peligro, pueden enviar el mensaje contrario: que no hay peligro”.

Los glicanos son notoriamente difíciles de marcar con cualquier tipo de sonda, ya que, a diferencia de las proteínas o el ADN, no tienen secuencias distintivas ni reactividades químicas que puedan ser diana. Y, a diferencia de las proteínas, no están codificados genéticamente, por lo que las células no pueden modificarse genéticamente para producir azúcares marcados con marcadores fluorescentes, como la proteína verde fluorescente.

Uno de los glicanos clave de M. tuberculosis, conocido como ManLAM, contiene un azúcar raro llamado MTX, cuya peculiaridad reside en que contiene un tioéter (un átomo de azufre intercalado entre dos átomos de carbono). Este grupo químico brindó la oportunidad de utilizar una etiqueta de molécula pequeña previamente desarrollada para el marcado de metionina, un aminoácido que contiene un grupo similar.

Los investigadores demostraron que podían usar esta etiqueta, conocida como oxaziridina, para marcar ManLAM en M. tuberculosis. Los investigadores vincularon la oxaziridina a una sonda fluorescente y demostraron que, en M. tuberculosis, esta etiqueta aparecía en la capa externa de la pared celular. Al exponer la etiqueta a Mycobacterium smegmatis, una bacteria relacionada que no causa enfermedad y no contiene el azúcar MTX, no observaron señal fluorescente.

"Este es el primer enfoque que realmente nos permite visualizar de forma selectiva un glicano en particular", afirma Smelyansky.

Mejores diagnósticos

Los investigadores también demostraron que, tras marcar ManLAM en células de M. tuberculosis, podían rastrearlas mientras infectaban a macrófagos, células inmunitarias. Algunos investigadores de la tuberculosis habían planteado la hipótesis de que las células bacterianas liberan ManLAM una vez dentro de la célula huésped, y que esos glicanos libres interactúan entonces con el sistema inmunitario del huésped. Sin embargo, el equipo del MIT descubrió que el glicano parece permanecer en las paredes celulares bacterianas durante al menos los primeros días de la infección.

Las bacterias aún conservan sus paredes celulares adheridas. Por lo tanto, es posible que se libere algo de glicano, pero la mayor parte se retiene en la superficie celular bacteriana, algo nunca antes demostrado, afirma Smelyansky.

Los investigadores planean ahora utilizar este enfoque para estudiar qué les sucede a las bacterias tras el tratamiento con diferentes antibióticos o la estimulación inmunitaria de los macrófagos. También podría utilizarse para estudiar con más detalle cómo se ensambla la pared celular bacteriana y cómo ManLAM ayuda a las bacterias a penetrar en los macrófagos y otras células.

“Poder seguir el rastro de las bacterias es realmente valioso, y permitirá visualizar procesos, tanto en células como en modelos animales, que antes eran invisibles”, afirma Kiessling.

También espera utilizar este enfoque para crear nuevos diagnósticos para la tuberculosis. Actualmente se está desarrollando un diagnóstico que utiliza anticuerpos para detectar ManLAM en una muestra de orina. Sin embargo, esta prueba solo funciona bien en pacientes con casos muy activos de tuberculosis, especialmente en personas inmunodeprimidas por el VIH u otras afecciones.

Utilizando su sensor de molécula pequeña en lugar de anticuerpos, el equipo del MIT espera desarrollar una prueba más sensible que pueda detectar ManLAM en la orina incluso cuando sólo haya pequeñas cantidades presentes.

“Este es un enfoque elegante y atractivo para etiquetar selectivamente la superficie de las micobacterias, lo que permite monitorear en tiempo real la dinámica de la pared celular en esta importante familia bacteriana. Estas investigaciones contribuirán al desarrollo de nuevas estrategias para diagnosticar, prevenir y tratar las enfermedades micobacterianas, en particular la tuberculosis, que sigue siendo un problema de salud mundial”, afirma Todd Lowary, investigador distinguido del Instituto de Química Biológica de la Academia Sínica de Taipéi, Taiwán, quien no participó en la investigación.

La investigación fue financiada por el Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas, los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias y la Beca Croucher.

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