Estudio computacional de la interaccion de antibioticos tipo quinolonas con su enzima blanco ADN girasa y sus implicaciones en la resistencia bacteriana de Pseudomonas aeruginosa

Abstract

Uno de los mecanismos responsables de resistencia bacteriana a antibióticos tipo quinolonas en Pseudomonas aeruginosa es el relacionado con mutaciones en el gen gyrA que codifica la subunidad A de la enzima ADN girasa (topoisomerasa II) de la bacteria, diana terapéutica de esta familia de antibióticos. El objetivo de este trabajo fue realizar un estudio computacional de la interacción de antibióticos tipo quinolonas con la enzima ADN girasa, con el fin de acercarnos a comprender desde un punto vista estructural la resistencia antibiótica observada en cepas de Pseudomonas aeruginosa. En primer lugar se construyó un modelo computacional de la estructura terciaria de la subunidad A nativa de la enzima girasa de Pseudomonas aeruginosa, lo que fue llevado a cabo con base en su homología con la proteína de Escherichia coli (código de acceso 2Y3P) y mediante el uso de tres plataformas computacionales (SWISS-MODEL, MODELLER y I-TASSER). En segundo lugar se generaron modelos de la estructura terciaria de tres formas mutantes de la proteína (Thr83Ile, Asp87Asn y Asp87Gly) siguiendo el mismo procedimiento. Finalmente, utilizando la técnica de acoplamiento molecular (docking) se estudió la interacción de todos los modelos teóricos con antibióticos tipo quinolonas (ácido nalidíxico, ciprofloxacina y levofloxacina). El acoplamiento molecular mostró que los antibióticos interactúan con todos los modelos de proteínas a través de un sitio de unión común a ellos, con la única excepción de levofloxacina que se une a un bolsillo de unión diferente en el modelo Asp87Asn. Aunque el bolsillo de unión se mantendría en la mayoría de las estructuras estudiadas, los antibióticos se unen con distintas orientaciones (“poses”) a los distintos modelos estudiados, lo cual genera interacciones con otros aminoácidos de la proteína.

Abstract. One of the mechanisms responsible for bacterial resistance to quinolone antibiotics in Pseudomonas aeruginosa is the one related to mutations in the gyrA gene encoding the A-subunit of bacterial DNA gyrase enzyme (topoisomerase II), a therapeutic target of this family of antibiotics. The aim of this work was to carry on a computational study of the interaction between quinolone antibiotics and the DNA gyrase enzyme in order to understand from a structural point of view the antibiotic resistance observed in clinical isolates of Pseudomonas aeruginosa. First a computational model of the tertiary structure of the native subunit-A of gyrase enzyme of Pseudomonas aeruginosa was constructed, which was carried out based on its homology to the protein of Escherichia coli (access code 2Y3P) and by the use of three computer platforms (SWISS-MODEL, MODELLER and I-TASSER). Secondly, models for the tertiary structure of three mutant forms of the protein (Thr83Ile, Asp87Asn and Asp87Gly) were generated by following the same procedure. Finally, by using the molecular docking technique the interaction between all of these theoretical models and quinolone antibiotics (nalidixic acid, ciprofloxacin and levofloxacin) was studied. The molecular docking showed that antibiotics interact with all protein models through a common binding site to these, with the only exception of levofloxacin that binds to a different binding pocket in the Asp87Asn model. Although the binding pocket would remain in most structures studied, antibiotics bind with different orientations ("poses") to the different models studied, which generates interactions with other amino acids of the protein.