¿De dónde salen los antibióticos?

Afinales del sigloXIXx se desarrolló lo que se ha conocido como la Edad de Oro de la Microbiología. El francés Louis Pasteur (1822-1895) puso los cimientos a la teoría de los microbios como causa de ciertas enfermedades. Pero fue el alemán Robert Koch (1843-1910) quien mostrara de forma experimental que las bacterias eran la causa de muchas enfermedades infecciosas. Fue el primero que demostró que una bacteria, Mycobacterium tuberculosis (el bacilo de Koch) era el causante de la tuberculosis. Y lo mismo hizo con Vibrio cholera, el causante del cólera. La aplicación de su metodología (los postulados de Koch) permitió durante aquellos años (desde 1876 hasta 1910) a otros investigadores descubrir los microorganismos causantes de decenas de enfermedades: Escherichia coli, Clostridium tetani, Shigella dysenteriae, Trypanosoma cruzi, Brucella melitensis, Neisseria gonorrhoeae, Streptococcus pneumoniae, Yersinia pestis, Bordetella pertusis… Robert Koch recibió en 1905 uno de los primeros premios Nobel de Medicina que se otorgaron (los Nobel comenzaron a entregarse en 1901).

Cuando ya fuimos conscientes de que muchas enfermedades estaban causadas por los microorganismos, el siguiente reto fue encontrar un arma capaz de acabar con esos malditos microbios patógenos. Paul Ehrlich (1854-1915), contemporáneo de Koch, estaba obsesionado con matar a los microbios, con lo que él llamaba la «bala mágica». Se dedicó a buscar algún compuesto químico capaz de matar o inhibir a las bacterias y que tuviera baja toxicidad para nuestro organismo. En 1909 consiguió, junto con su colega japonés Sahachirō Hata, el preparado 606, después de sintetizar y probar antes otros 605 compuestos distintos. El 606 era un derivado del veneno arsénico, que se comercializó bajo el nombre de Salvarsán, arsénico que salva. Aquel polvo amarillo fue todo un éxito y causó euforia en todo el mundo, especialmente para el tratamiento de la sífilis (se calcula que en aquella época hasta un 15 % de la población europea tenía sífilis). Sin embargo, enseguida se comprobó que aquel derivado del arsénico tenía efectos secundarios tóxicos y uno de cada 200 personas tratadas moría por causa de envenenamiento. A pesar de ello, con el Salvarsán de Paul Ehrlich la búsqueda de agentes químicos capaces de acabar con los microbios patógenos había comenzado.

Pocos años después, en 1927, otro alemán, Gerhard Domgak (1895-1964), basándose en los trabajos de Ehrlich, encontró otro compuesto químico derivado de la sulfonamida, que protegía a los ratones de laboratorio del ataque de la bacteria Streptococcus pyogenes. En los años siguientes se demostró que otros derivados de la sulfonamida eran eficaces contra otras bacterias, como los meningococos y los gonococos. Las sulfonamidas detienen el crecimiento de las bacterias al bloquear la síntesis del ácido fólico, un compuesto imprescindible para la producción de los ácidos nucleicos. Hoy en día, todavía se usan algunos derivados de las sulfonamidas en combinación con otros compuestos para el tratamiento de algunas infecciones concretas. No obstante, la aparición de otros compuestos más activos y los efectos secundarios tóxicos limitaron bastante su uso.

El descubrimiento de los antibióticos

Si preguntamos a cualquiera quién descubrió la penicilina, seguro que la inmensa mayoría dice sin dudar Alexander Fleming (1881-1955). Y es verdad, en 1928 Fleming descubrió la penicilina en el sentido más literal, porque la penicilina estaba ahí, era un compuesto natural producido por los propios microbios. A diferencia del Salvarsán o las sulfonamidas, que son quimioterápicos derivados de sustancias sintetizadas en el laboratorio, la penicilina era un antibiótico, el primer antibiótico, un producto natural producido por un microbio, en este caso un hongo. 

La historia convencional nos cuenta que el descubrimiento de la penicilina fue una de esas casualidades que ocurren en la vida de los científicos. Fleming trabajaba en un pequeño laboratorio en un hospital londinense con la bacteria Staphylococcus y la cultivaba en las típicas placas de Petri. Fleming dejó unas cuantas de estas placas con estafilococos en el laboratorio y se fue unos días. Al volver, analizando las placas antes de tirarlas vio que alguna de ellas se había contaminado con un hongo de color verde y curiosamente el hongo había inhibido el crecimiento de los estafilococos. 

Comprobó que aquel hongo había producido una sustancia nueva, que denominó penicilina, en honor al nombre del hongo Penicillium. Aquel compuesto era muy inestable, muy difícil de obtener y de extraer del medio donde crecía el hongo, se obtenía muy poca cantidad y con muchas impurezas. Fleming publicó su descubrimiento en 1929 y durante diez años pasó bastante desapercibido. Pero ese trabajo fue el punto de partida de la revolución de los antibióticos, que, junto con las vacunas, son los dos descubrimientos médicos que más vidas han salvado. Por eso, su publicación en 1929 ha sido uno de los trabajos más importantes de la historia de la medicina.

Casi diez años después, en 1938 un par de investigadores de la universidad de Oxford decidieron continuar el trabajo de Fleming: Howard W. Florey (1898-1968) y Ernst B. Chain (1906-1979). El hongo era difícil cultivarlo y para obtener una pizca de penicilina había que preparar cientos de litros de Penicillium. Tras varios años de investigación, en plena Segunda Guerra Mundial, ambos investigadores demostraron que la penicilina no era tóxica, que era cientos de veces más activa y potente que las sulfonamidas y mejoraron la producción y purificación de la penicilina a nivel industrial. Si durante la Primera Guerra Mundial, millones de soldados murieron por culpa de heridas infectadas, la penicilina evitó millones de muertes por el mismo motivo durante la Segunda Guerra. En 1945 concedieron el premio Nobel de Medicina a Fleming por el descubrimiento de la penicilina, y a Florey y Chain por su desarrollo. Durante la entrega del premio, Fleming vaticinó: «El uso impropio de la penicilina hará que ésta llegue a ser inefectiva». Proféticas palabras: la guerra entre los antibióticos y las bacterias solo acababa de empezar.

Una lucha entre microbios de hace millones de años

Entre los años 40 y 80 fue el auténtico boom del descubrimiento de los antibióticos: penicilinas, cefalosporinas, aminoglucósidos, tetraciclinas, cloranfenicol, macrólidos y glicopéptidos, quinolonas, fluoroquinolonas y derivados. Ha sido una época en la que se han salvado millones de vidas y algunos llegaron a creer que las enfermedades infecciosas habían sido vencidas de forma definitiva. Pero nada más lejos de la realidad. 

El uso indiscriminado de los antibióticos nos ha traído el grave problema de la resistencia a los antibióticos. Podemos pensar que los antibióticos son un «invento» del ser humano y que la resistencia a los antibióticos la hemos creado nosotros. En realidad, la capacidad de sintetizar antibióticos y de resistir a su acción es una muestra de esa batalla campal que existe entre los microorganismos desde hace cientos o miles de millones de años. Unos sintetizan y segregan al exterior compuestos capaces de inhibir o matar a sus competidores, mientras que otros desarrollan sistemas de defensa para bloquear esos ataques del contrario. Es evolución y selección natural en el mundo microbiano. La síntesis de antibióticos y la resistencia a los mismos es un fenómeno natural, anterior al moderno uso clínico de los antibióticos. 

Recientemente, un grupo de investigadores ha analizado secuencias de ADN antiguo obtenidas de sedimentos del permafrost, suelo congelado de hace más de 30 000 años de edad. Las muestras provenían del Territorio del Yukón, en el norte de Canadá, y habían permanecido sin contaminar e intactas sin descongelar desde entonces. Además de genes de mamuts, caballos, bisontes y plantas del último período interglaciar del Pleistoceno, que confirmaron la antigüedad de las muestras, descubrieron la existencia de genes bacterianos de resistencia a los antibióticos. En concreto, genes de resistencia a la vancomicina, un antibiótico muy empleado desde finales de los años 80 del siglo pasado. Esto confirma el hecho de que este tipo de genes son muy anteriores al uso de los antibióticos. La síntesis de antibióticos es, por tanto, un fenómeno natural muy extendido en el mundo microbiano desde hace millones de años. Fleming simplemente tuvo la suerte (y el honor) de descubrirlo.

Los grandes productores

Un antimicrobiano es una sustancia que destruye o inhibe el crecimiento de un microorganismo. Como ya hemos comentado, la diferencia entre antimicrobianos sintéticos (como el Salvarsán o las sulfamidas) y los antibióticos naturales (como la penicilina) es que los primeros son sustancias químicas con actividad antimicrobiana sintetizadas en laboratorio, y los antibióticos son todos de origen natural, producidos por los propios microorganismos.

Cuando Florey fue a EE. UU. a continuar sus investigaciones una de las cosas que descubrió fue que la penicilina que desarrollaron en Reino Unido era diferente de la americana: había distintos tipos de estos antibióticos. Cuando describieron la estructura química de la penicilina se dieron cuenta de que las distintas penicilinas tenían estructuras químicas diferentes pero un núcleo químico central en forma de anillo común a todas ellas (que se denomina anillo beta-lactámico). Por tanto, en realidad no podemos hablar de la penicilina, sino de las penicilinas, una familia de antibióticos con distintas estructuras químicas. En la búsqueda de nuevos antibióticos en seguida descubrieron que había más microorganismos distintos del hongo Penicillium capaces de producir muchos tipos diferentes de antibióticos. La mayoría son producidos por microorganismos del suelo, hongos y bacterias, que es donde ocurre esa lucha entre ellos por los nutrientes. Veamos algunos de los grandes productores de antibióticos.

STREPTOMYCES

Es el género más extenso de las actinobacterias, un grupo de bacterias grampositivas que son prácticamente ubicuas en la naturaleza. Los estreptomicetos raramente son patógenos. Se caracterizan por poseer un metabolismo secundario (el metabolismo no necesario para la supervivencia) muy complejo. Se calcula que el 80 % de los antibióticos de uso clínico de origen natural que conocemos están producidos por esta bacteria, como son la estreptomicina, eritromicina, neomicina, gentamicina, kanamicina, tetraciclinas, vancomicina, rifampicina, cloranfenicol y muchos otros. También producen numerosos compuestos antifúngicos de importancia médica, que incluyen nistatina, anfotericina B, natamicina y otros; e incluso antiparasitarios, como la ivermectina, e inmunosupresores.

Son bacterias aerobias filamentosas que producen hifas vegetativas bien desarrolladas con ramificaciones. Forman un complejo micelio e hifas aéreas de las que, en condiciones de falta de nutrientes, surgen esporas que tienen un ciclo de vida latente, es decir, son capaces de dormir o permanecer inactivas por largos periodos en el suelo. Las colonias son de aspecto algodonoso o rugoso, de colores que varían desde el blanco, crema, grisáceo, hasta el negro, razón por la que a veces han sido confundidos con hongos. Muchas especies de Streptomyces, de las que hay más de 500 descritas, son importantes en la descomposición de la materia orgánica en el suelo y contribuyen a la fertilidad del mismo. S. coelicolor contribuye a la producción de geosmina, la sustancia química responsable del olor típico cuando la tierra se humedece. S. griseus es el primer estreptomiceto que se usó para la producción industrial de la estreptomicina, cuyo descubrimiento le valió el premio Nobel de Medicina a Selman Waksman en 1952.

Cerca del 50% de los estreptomicetos conocidos son productores de antibióticos y no podemos descartar que todavía haya muchas más especies sin descubrir. Se necesita mucha información genética (muchos genes) para la síntesis de antibióticos. Por eso, los genomas de Streptomyces son típicamente más grande que los de otras bacterias (más de 7800 genes, casi el doble que en Escherichia coli). La bacteria produce los antibióticos dependiendo de determinadas señales ambientales, como la cantidad de nutrientes, la temperatura o la acidez (el pH) del suelo. Para ello, Streptomyces es capaz de sentir estas señales ambientales y regular la producción de antibióticos. 

Los investigadores han identificado unos sistemas de regulación denominados Sistemas de Dos Componentes. Se llaman así porque están constituidos por dos proteínas, una sensora que recibe una señal ambiental y otra que regula la respuesta, haciendo que los genes se expresen o no. Se sabe que Streptomyces posee unos 67 sistemas de este tipo, siendo una de las bacterias con mayor número de Sistemas de Dos Componentes. Esta abundancia refleja una compleja red de regulación necesaria para que esta bacteria se adapte y sobreviva en condiciones tan cambiantes y adversas como puede ser el suelo. Sin embargo, la función concreta de la mayoría de estos sistemas es desconocida. Hoy en día, mediante las técnicas de secuenciación, metagenómica y biología sintética, se pueden reconstruir circuitos biológicos en Streptomyces y reprogramar rutas de biosíntesis de nuevos compuestos y fármacos con nuevas o mejores propiedades bioactivas. Mejorar cepas de Streptomyces para producir más, nuevos y mejores antibióticos.

BACILLUS

El género Bacillus son bacterias grampositivas aerobias productoras de endosporas como formas de resistencia, no de reproducción. Su hábitat es el suelo, principalmente. La producción de endosporas requiere muchos genes y algunos de estos también están relacionados con la síntesis de antibióticos. Muchas especies del género Bacillus son grandes productores de antibióticos. Por ejemplo, B. subtilis, B. cereus, B. megaterium y otras especies de Bacillus producen bacteriocinas, pequeños péptidos con acción bactericida. La bacitracina fue el primer péptido antibiótico obtenido de cultivos de B. licheniformis, y ha sido ampliamente empleada en medicina y en veterinaria con éxito durante muchos años, por ser activa contra bacterias grampositivas y gramnegativas. Otros antibióticos producidos por Bacillus son la polymixina, colistina, tyrocidina, gramicidina, circulina… Normalmente estos antibióticos se liberan al medio cuando la bacteria entra en las fases finales de su crecimiento y va a comenzar a esporular.

PENICILLIUM Y CEPHALOSPORIUM

A diferencia de los anteriores, Penicillium y Cephalosporium no son bacterias, sino hongos, en concreto del grupo de los Ascomicetos. Son los hongos más abundantes en el suelo, su nutrición es muy simple y son aerobios. Liberan gran cantidad de enzimas, que digieren y descomponen materia animal y vegetal. Forman una red de filamentos denominada hifas que acaban formando micelios aéreos con esporas. De Penicillium hay más de 300 especies diferente: P. chrysogenum y P. notatum son productoras de las penicilinas, y P. griseofulvum de griseofulvina. P. notatum, que fue la especie que aisló Alexander Fleming, produce muy poca cantidad de penicilina. Años después se aisló una nueva especie en un melón en descomposición, la P. chrysogenum, que resultó ser mucho más productiva de penicilina. Más tarde se seleccionaron mutantes superproductores y se mejoraron las técnicas de cultivo.

Para la producción de penicilina es fundamental un control detallado de las condiciones de cultivo del hongo, que hay que ajustar para conseguir un rendimiento máximo. Por ejemplo, cuando se quiere producir una penicilina particular, se debe añadir al medio de cultivo un precursor determinado. Una vez que ha finalizado la fermentación, se separa el hongo y se purifica el antibiótico del medio de cultivo. Luego, esa penicilina básica puede modificarse químicamente en el laboratorio para producir las diferentes penicilinas semisintéticas. Así, de la penicilina natural (también denominada penicilina G) se obtienen otras como la ampicilina, meticilina, carbenicilina, oxacilina y otras.

Por su parte, Cephalosporium es el hongo productor de las cefalosporinas. Penicilinas y cefalosporinas son antibióticos con un modo de acción similar (inhibir la síntesis de la pared celular bacteriana) y comparten una estructura química común, el anillo beta-lactámico. Por eso, estos antibióticos se denominan betalactámicos. La historia de las cefalosporinas comenzó en 1948, cuando se aísla una cepa de C. acremonium procedente de una alcantarilla de la isla de Cerdeña. El hongo producía una sustancia que tenía actividad bactericida y del cultivo se obtuvierontres compuestos diferentes, que se denominaron cefalosporinas P, N y C.

A partir de ellos, y de forma similar a las penicilinas, se desarrollaron nuevas cefalosporinas semisintéticas que con el tiempo se han ido denominando de 2a, 3a, 4a y hasta de 5a generación: la cefazolina, cefuroxina, cefotaxima, cefepima, y otras.

Nuevos antibióticos

La investigación sobre antibióticos ha disminuido significativamente y en los últimos 25 años prácticamente no se ha descubierto ninguno nuevo. Una de las razones ha sido la baja rentabilidad económica para las empresas farmacéuticas. Pero otra razón importante está relacionada con la dificultad de hacer crecer y cultivar en laboratorio muchos de estos microorganismos. Con las técnicas de metagenómica hoy sabemos de la inmensidad de microbios que hay en la naturaleza, pero la inmensa mayoría de ellos (algunos calculan que cerca del 99 %) no son cultivables. 

En 2015 fue noticia el descubrimiento de un nuevo antibiótico, la teixobactina. Se trata de un inhibidor de la síntesis de la pared celular bacteriana. En realidad, este antibiótico presenta algunas limitaciones, sobre todo que no es activo frente a muchas bacterias gramnegativas, como la E. coli. Sin embargo, lo original de este trabajo no fue tanto su descripción como el método utilizado para descubrirlo. Los investigadores desarrollaron un dispositivo multicanal de membranas semipermeables (que denominaron iChip, en español cápsula de aislamiento), que hace creer a los microorganismos que se están desarrollando en su medio natural, en este caso el suelo. El dispositivo permite colocar a los microorganismos aislados pero rodeados de tierra, en un sistema que posibilita que tengan acceso a los factores ambientales del suelo necesarios para su crecimiento. 

Así, los investigadores fueron capaces de cultivar bacterias que no se habían podido desarrollar con anterioridad en el laboratorio. Analizaron cerca de 10 000 microorganismos diferentes procedentes de muestras de suelo y solo 25 producían algún tipo de sustancia con potencial antibiótico. Una de esas bacterias, que denominaron Eleftheria terrae, era la productora del nuevo antibiótico teixobactina. Quizá este método permita descubrir nuevos antimicrobianos, tan necesarios hoy en día debido al problema de la resistencia a los antibióticos, que algunos ya califican como la nueva pandemia del siglo XXI.