La Dra. Laia Grifoll va defensar la seva tesi doctoral on amplia el coneixement dels enzims de la família CE4, amb contribució a l’explotació de les desacetilases de quitina i de peptidoglicà com a biocatalitzadors i com a dianes terapèutiques contra infeccions fúngiques i bacterianes, respectivament.
Dra. Laia Grifoll i Dr. Antoni Planas
L’alarmant augment de microorganismes patògens resistents a antibiòtics demanda la cerca de noves dianes terapèutiques, amb l’objectiu de combatre les malalties infeccioses que escapen als tractaments antimicrobians actuals.
El peptidoglicà és un dels components principals de la paret cel·lular bacteriana, amb les funcions de determinar la forma de la cèl·lula, preservar-ne la integritat, i participar en processos de creixement i divisió cel·lular. Atès que està present exclusivament en gairebé totes les parets cel·lulars bacterianes, el peptidoglicà actua com un excel·lent Patró Molecular Associat a Patògens (PAMP, per les seves sigles en anglès), sent reconegut per receptors eucariòtics en infeccions patogèniques.
Els bacteris patògens utilitzen les modificacions post-sintètiques de l’estructura del seu propi peptidoglicà com una estratègia per evadir el sistema immune dels seus hostes. Un exemple d’aquestes modificacions és la desacetilació dels residus que conformen el peptidoglicà, l’àcid N-acetilmuràmic (MurNAc) i la N-acetilglucosamina (GlcNAc), catalitzada per les desacetilases de peptidoglicà, un tipus d’enzim que pertany a la família 4 d’esterases de carbohidrats (CE4). Aquestes desacetilases han estat proposades com a noves dianes antibacterianes, donat que la inhibició d’aquests enzims pot representar una via prometedora pel desenvolupament de noves teràpies antibiòtiques.
Tot i tenir aquest potencial com a dianes terapèutiques, la informació disponible sobre les deacetilases de peptidoglicà és força escassa, havent-hi un nombre reduït d’enzims caracteritzats.
Per altra banda, algunes desacetilases de peptidoglicà són també actives en altres substrats, com la quitina i el quitosà. Els quitosans i els oligosacàrids de quitosà (COS) són molècules bioactives amb diverses aplicacions, conegudes i potencials, en varis camps. Existeix un interès creixent pel desenvolupament d’aproximacions enzimàtiques per la producció d’oligòmers de quitosà amb estructura definida per tal d’avaluar-ne les funcions biològiques i desenvolupar noves aplicacions, presentant els enzims de la família CE4 un gran potencial pel seu ús com a biocatalitzadors.
Recentment, i formant part del consorci europeu del projecte Nano3Bio, la Dra. Laia Grifoll va defensar la seva tesi doctoral sota el títol “Chitin and peptidoglycan deacetylases: discovery, characterization and engineering”, realitzada dins del grup de recerca de Quimica i Biotecnolgia (GQBB) d’IQS i dirigida pel Professor Dr. Antoni Planas, Cap del Laboratori de Bioquímica del Departament de Bioenginyeria d’ IQS School of Engineering.
Desacetilases de quitina i peptidoglicà
Un dels principals objectius del projecte europeu Nano3Bio va ser el desenvolupament d’estratègies biotecnològiques, incloent la biocatàlisi i la biologia sintètica, per obtenir aquests oligòmers amb patrons d’acetilació definits.
Amb l’objectiu d’incrementar el coneixement disponible sobre l’especificitat de les desacetilases de quitina i peptidoglicà en diferents substrats, i les característiques seqüencials i estructurals que determinen aquestes especificitats, la tesi reporta la caracterització exhaustiva de la desacetilasa de peptidoglicà PdaC del microorganisme Bacillus subtilis (BsPdaC), així com la selecció i caracterització de nous enzims de la família CE4 1,2.
A banda de la caracterització cinètica i bioquímica de l’enzim, i en col·laboració amb el Laboratori de Biologia Estructural del CIC bioGUNE, a Bilbao, en aquesta recerca s’ha determinat l’estructura cristal·logràfica de PdaC3 . La comparació estructural amb desacetilases canòniques de MurNAc i GlcNAc ha dut a proposar que, en base a les seves característiques funcionals i estructurals diferencials, PdaC és el primer membre d’una nova subclasse de desacetilases de MurNAc amb funcions biològiques encara desconegudes.
La caracterització del primer membre d’aquesta subfamília obre les portes a la seva avaluació funcional com a potencial diana terapèutica contra microorganismes patògens.
Per altra banda, s’ha realitzat una cerca de nous enzims de la família CE4 basat en un anàlisi filogenètic i bioinformàtic de la família, identificant 4 noves proteïnes com a potencials desacetilases de quitina que podrien presentar nous patrons d’acció, i proposant una proteïna del microorganisme Bacillus cereus com una nova desacetilasa de peptidoglicà per la seva caracterització addicional.
Els resultats d’aquesta recerca, amb els que s’amplia el coneixement disponible pel que fa a l’especificitat i mode d’acció dels enzims de la família CE4 i amb els que s’han identificat nous enzims candidats a ser caracteritzats, contribuiran a l’explotació de les desacetilases de quitina i de peptidoglicà com a biocatalitzadors i com a dianes terapèutiques contra infeccions fúngiques i bacterianes, respectivament.
This thesis has been supported by the European project “European Union’s Seventh Framework Programme for research, technological development and demonstration” under grant agreement number 613931 (NANO3BIO) and the grant BFU2016-77427-C2-1-R from Ministerio de Economía y Empresa from Spain.
1 L. Grifoll, S. Pascual, H. Aragunde, X. Biarnés, A. Planas;
Chitin deacetylases: structures, specificities, and biotech applications, Polymers 10, 352 (2018).
2 A. Aranda-Martinez, L. Grifoll-Romero, H.Aragunde, E. Sancho-Vaello, X. Biarnés, L. Vicente Lopez-Llorca, A. Planas; Expression and specificity of a chitin deacetylase from the nematophagous fungus Pochonia chlamydosporia potentially involved in pathogenicity, Scientific reports, vol.8 (2018).
3 L.Grifoll-Romero, M.A. Sainz-Polo, D. Albesa-Jové, M.E. Guerin, X. Biarnés, A. Planas ; Structure-function relationships underlying the dual N-acetylmuramic and N-acetylglucosamine specificities of the peptidoglycan deacetylase PdaC from Bacillus subtilis.
Journal of Biological Chemistry 294, 19066-80 (2019)