Una de las vías evolutivas para permitir la supervivencia de organismos multicelulares frente a las infecciones microbianas consiste en la producción endógena de diversos péptidos con actividad antimicrobiana. Recientemente, péptidos con actividad directa antibacteriana (especialmente sobre bacterias Gram negativas) y antifúngica, han sido descubiertos.
Función
El sistema de inmunidad innata se basa en el reconocimiento de patrones moleculares comunes -generalmente inespecíficos- de un importante número de patógenos. Estos patrones moleculares son producto del metabolismo microbiano, y son esenciales para la supervivencia o el mantenimiento de la patogenicidad del microorganismo.
El reconocimiento por parte del sistema de inmunidad innata del "invasor" y la destrucción de los patógenos requiere que los patrones moleculares sean totalmente diferentes a los antígenos del receptor, que es la base para diferenciar entre "propio" y "extraño".
Algunos de los patrones moleculares reconocidos por el sistema de inmunidad innata son los siguientes:
- LPS - Lipopolisacárido (Bacterias Gram-negativas)
- Manosa, Fucosa y otros carbohidratos (mananos, pared celular de levaduras)
- Ácido Tecoico (asociado al peptidoglucano de la pared celular de las bacterias Gram-negativas)
- N-Formil péptidos
Los péptidos antimicrobianos, como parte del sistema de inmunidad innata de los organismos, permiten una respuesta inmediata a procesos infecciosos. Por la función de los péptidos antimicrobianos en el organismo, estos pueden ser producidos constitutivamente (neutrófilos) o en respuesta a la detección de la presencia de componentes de material bacteriano como lipopolisacáridos (endotoxinas, LPS) en el caso de presencia de infección.
Mecanismo de acción
La hipótesis más aceptada sobre el mecanismo de acción de los péptidos antimicrobianos se basa en su capacidad de adherirse a la membrana citoplasmática y de formar poros trans membrana. La formación de los poros trans membrana es muy selectiva y ocurre sólo en la célula microbiana, no en las células del receptor.
Esto es debido a ciertos factores como la presencia de un alto número de fosfolípidos aniónicos en las membranas celulares de microorganismos, comparado con el alto porcentaje de fosfolípidos neutros y colesterol en la membrana de la célula eucariota y por la presencia de un intenso gradiente de potencial eléctrico en la membrana bacteriana.
Una vez formados los canales, dos mecanismos explican la posterior muerte de la bacteria:
1) Un mecanismo químico, que consiste en la pérdida de energía y la formación de un gradiente iónico a través de la membrana dañada, y
2) Un mecanismo bioquímico, consistente en la entrada de concentraciones importantes de péptidos antimicrobianos en la célula que se enlazan a moléculas intracelulares, cuya composición es desconocida y causan una alteración profunda del metabolismo celular.
Distribución en la naturaleza
Los péptidos antimicrobianos se encuentran en la naturaleza en todos los niveles de la escala evolutiva: en plantas, insectos y mamíferos (incluyendo al hombre). Este tipo de bio-moléculas peptídicas han sido aisladas y caracterizadas en tejidos que están en contacto con el ambiente exterior y, por lo tanto, con riesgo de infección por patógenos.
Plantas
Se han descubierto múltiples péptidos antimicrobianos en una gran variedad de plantas, desde plantas de interés agronómico a ornamental (Tabla 1), y se encuentran normalmente en las semillas. La característica común de los diferentes tipos y familias de péptidos antimicrobianos es la función de defender a la planta de la agresión de patógenos.
Muchos de los péptidos aislados y caracterizados en plantas son ricos en cisteína y presentan en su estructura cuatro puentes disulfuro, y tienen actividad antimicrobiana y citotóxica. Esta familia de péptidos se conoce como alfa, beta y gamma tioninas.
Tienen una elevada actividad antifúngica y una baja o nula actividad antibacteriana. Otras familias de péptidos antimicrobianos en plantas descriptas en la literatura presentan una estructura cíclica (Ciclotidos), que presenta tres puentes disulfuro y tienen actividad antibacteriana específica respecto a las bacterias gram positivas y actividad antiviral. De acuerdo con Daly y col., los Ciclotidos son capaces de inhibir la replicación del virus de la inmunodeficiencia adquirida (SIDA).
Los péptidos antimicrobianos con 2 y 3 puentes disulfuros en su estructura han sido también descritos en plantas. Este tipo de péptidos tienen la capacidad de unirse a la quitina, a polisacáridos y se encuentran presentes en muchos hongos patógenos.
Insectos
Al igual que en las plantas, los péptidos antimicrobianos en insectos son parte del sistema de inmunidad innata. Los péptidos antimicrobianos de Drosophila melanogaster han sido los más estudiados por haberse secuenciado su genoma. Está ampliamente demostrado que los péptidos antimicrobianos se generan principalmente en el cuerpo graso y son secretados en la hemolinfa. En Drosophila, la respuesta inmunológica a través de la secreción de péptidos antimicrobianos es altamente específica. La inyección de varios microorganismos produce una expresión diferencial de los genes codificadores de los péptidos antibacterianos y antifúngicos.
En Drosophila han sido descritas dos vías específicas que son responsables de la expresión de los péptidos antifúngicos y antibacterianos: TOLL e IMD, respectivamente. Muchos de los péptidos antimicrobianos encontrados en los insectos son cecropinas y defensinas.
Las defensinas se encuentran también en mamíferos. Las defensinas de insectos se caracterizan por estar constituidas por una hélice alfa y una estructura beta planar anfipática y catiónica, estabilizada por tres puentes disulfuros. Esta estructura se repite en muchas defensinas de plantas, insectos y otros invertebrados. Estudios realizados con resonancia magnética nuclear muestran que las defensinas de insectos y las gama-tioninas de ciertas plantas (trigo y endosperma de cebada) tienen una estructura tridimensional similar, que indicarían un origen genético común. Las 3-cecropinas tienen un segmento anfipático N-Terminal y un segmento hidrofóbico C-Terminal.
En solución, estos péptidos pierden su estructura y adquieren la conformación de hélice alfa con carácter anfipático cuando se insertan dentro de la estructura de la membrana celular microbiana. Las cecropinas presentan actividad lítica, citotóxica y actividad antibacteriana respecto a múltiples bacterias Gram positiva y negativa.
Mamíferos
Las defensinas encontradas en mamíferos tienen características estructurales diferentes a las encontradas en plantas e insectos. Las defensinas de mamíferos son péptidos con estructura beta-planar constituida entre 29 y 40 aminoácidos y tres enlaces intramoleculares por puentes disulfuro. Las alfa y beta defensinas difieren en la posición y conexión de los seis residuos de cisteína.
Las protegrinas son miembros de una familia de cinco péptidos catiónicos antimicrobianos ricos en cisteína. Las protegrinas tienen dos puentes disulfuro paralelos que estabilizan la estructura beta-sheet. Son sintetizados por un precursor de dominio de catelicidina y tienen un pequeño tamaño (menos de 2 Kda). El mecanismo de acción propuesto consiste en la formación de oligómeros que destruyen la integridad de la membrana microbiana.
Aplicaciones
Se han descrito varias aplicaciones de los péptidos antimicrobianos. En los últimos años, en el campo de la protección vegetal se han presentado numerosas patentes europeas y norteamericanas sobre la aplicación de péptidos antimicrobianos en el control de patógenos de plantas. Estos péptidos han sido obtenidos mediante la transformación de bacterias, células de levadura, células de plantas o plantas enteras empleando uno o más vectores recombinantes.
De esta forma se consigue elevados niveles de expresión de péptidos antimicrobianos que han sido efectivos, tanto in vitro como in vivo respecto a diversos patógenos de plantas (hongos y bacterias Gram negativas). Se ha demostrado que los péptidos antimicrobianos pueden ser útiles tanto en protección de cultivos (hongos y bacterias) como en postcosecha. Una aplicación interesante de los péptidos antimicrobianos es la obtención mediante ingeniería genética de variantes de mosquitos resistentes a la malaria.
Los mosquitos que transportan el vector de la malaria incrementan el nivel local y sistémico de defensinas en el intestino después de la alimentación de sangre infectada con Plasmodium berghei. Algunas variantes genéticamente seleccionadas de mosquitos no permiten la supervivencia y el desarrollo del parásito, que es destruido en el intestino o es encapsulado o reabsorbido.
Conclusiones
Hace más de 20 años Steiner y otros investigadores describieron los primeros péptidos antimicrobianos, específicamente, las cecropinas en la pupa del gusano de seda. Desde entonces, y especialmente en los últimos tres años, el número de péptidos antimicrobianos descritos han crecido de forma exponencial, actualmente más de 800 péptidos antimicrobianos han sido descritos y catalogados.
El conocimiento sobre los péptidos antimicrobianos se ha incrementado en los últimos años: al principio sólo se encontraron en ciertos órganos de insectos y anfibios, pero ahora se sabe que se encuentran en órganos de otras especies (desde plantas a humanos). Además, se sabe que ciertas familias de péptidos antimicrobianos han sido encontrados en organismo de diferente nivel filogenético (por ejemplo las tioninas están presentes en plantas e insectos y las cecropinas se encuentran en insectos y mamíferos).
También se conoce que los péptidos antimicrobianos no sólo tienen actividad antibacteriana sino que en algunos casos presentan actividad antifúngica. Los péptidos antimicrobianos son producidos constitutivamente o secretados en respuesta a una infección o lesión. Su actividad específica está relacionada con su estructura. Los péptidos antimicrobianos endógenos son moléculas catiónicas que contienen aminoácidos como arginina, lisina o histidina en su estructura.
Muchos de estos péptidos presentan puentes disulfuro que estabilizan en su estructura las cadenas beta-sheet. Estos enlaces son esenciales para los péptidos antimicrobianos, ya que permiten la actividad en las condiciones de salinidad extracelular. En la última década se ha desarrollado un número creciente de estudios sobre la caracterización, secuencia, estructura y mecanismos de acción de los péptidos antimicrobianos y su aplicación en el ámbito agrícola. BIOIBÉRICA ha descubierto biomoléculas (péptidos caracterizados) como el P-370, que tiene una elevada actividad y gran selectividad antimicrobiana respecto a patógenos de plantas.
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