Isolation of oxygen-dependent nicotine- and pseudooxynicotine-metabolizing enzymes

Durante décadas, los científicos han estado buscando una forma biológica de romper el control de la adicción a la nicotina. La idea es simple: si se pudiera introducir una enzima en el cuerpo que destruyera rápidamente la nicotina antes de que llegue al cerebro, el deseo de fumar podría desaparecer. La naturaleza ya ha proporcionado un candidato para este trabajo. Una bacteria que se encuentra en el suelo, Pseudomonas putida, produce una enzima llamada NicA2 que puede convertir la nicotina en una sustancia inofensiva. Sin embargo, esta versión natural tiene un fallo importante. Dentro de la bacteria, la enzima funciona como una máquina especializada que necesita un compañero específico, una pequeña proteína llamada citocromo, para funcionar. Sin ese compañero, la enzima es increíblemente lenta, reaccionando con el oxígeno de forma tan perezosa que requeriría dosis masivas e imprakticas para funcionar en un paciente humano. Los investigadores han intentado solucionar esto retocando la estructura de la enzima en el laboratorio, haciéndola más rápida, pero se han topado con un muro. La enzima simplemente se niega a ser mucho más rápida utilizando el oxígeno por sí sola.

Para encontrar una mejor solución, un equipo de investigadores decidió dejar de intentar arreglar la vieja máquina y, en su lugar, buscar una nueva por completo. Salieron a buscar en el suelo y en los desechos de tabaco bacterias que pudieran comer nicotina como su única fuente de alimento, con la esperanza de encontrar una enzima evolucionada naturalmente que trabaje eficientemente con el oxígeno. Encontraron exactamente lo que buscaban en una cepa de bacteria llamada Peribacillus frigoritolerans NIC8. Este microbio, aislado de un cigarrillo sin fumar, posee un conjunto único de enzimas que actúan como verdaderos oxidantes. A diferencia de la lenta y dependiente de un compañero NicA2, estas nuevas enzimas, llamadas Ncox y Pnox, pueden capturar la nicotina y su primo químico, la pseudooxinicotina, y descomponerlas rápidamente utilizando solo el oxígeno del aire. La velocidad a la que trabajan es casi mil veces más rápida que la original NicA2 cuando el oxígeno es el combustible, ofreciendo un nuevo camino prometedor para el tratamiento de la adicción.

El viaje comenzó con una observación simple. Los investigadores tomaron muestras de campos de tabaco y colillas de cigarrillos, colocándolas en placas donde la nicotina era el único alimento disponible. La mayoría de las bacterias murieron de hambre, pero una colonia creció robustamente. El análisis genético identificó a este superviviente como una cepa de Peribacillus frigoritolerans, una especie previamente conocida por existir pero no conocida por comer nicotina. Cuando los investigadores eliminaron un anillo de ADN específico de 123.000 pares de bases, conocido como plásmido, del organismo, este perdió inmediatamente su capacidad de crecer con nicotina. Esto demostró que el secreto de su dieta estaba codificado en esta pieza adicional de material genético. Dentro de ese plásmido, el equipo encontró dos genes situados justo uno al lado del otro, a los que llamaron ncox y pnox. Estos genes producían enzimas que se parecían a la famosa NicA2, pero eran lo suficientemente distintas como para sugerir que habían evolucionado por separado.

Para entender cómo funcionaban estas enzimas, el equipo las produjo en el laboratorio utilizando la bacteria E. coli y las observó en acción. Observaron que cuando la enzima Ncox encontraba la nicotina, pasaba de amarillo a transparente casi instantáneamente, una señal visual de que estaba cambiando químicamente la nicotina. La enzima Pnox hizo lo mismo cuando encontró la pseudooxinicotina, una sustancia que se forma naturalmente cuando el primer producto de la descomposición de la nicotina reposa en el aire. Crucialmente, ninguna de las enzimas necesitaba una proteína compañera para hacer esto; trabajaban directamente con el oxígeno del aire. Cuando los investigadores midieron la velocidad de esta reacción, descubrieron que Ncox podía procesar la nicotina a una tasa de 7,7 veces por segundo, mientras que Pnox procesaba su objetivo a 3,9 veces por segundo. Estas cifras son muy superiores a las de la NicA2 original, que logra apenas unas 0,007 reacciones por segundo cuando se deja trabajar con el oxígeno por sí sola.

Los investigadores también observaron cómo estas enzimas manejan la molécula de oxígeno. En un proceso llamado cinética transitoria, mezclaron las enzimas con oxígeno en una máquina de flujo rápido para medir la velocidad exacta de la reacción. Descubrieron que Ncox y Pnox reaccionan con el oxígeno a tasas de 51.100 y 81.000 por segundo por unidad de concentración, respectivamente. Estas tasas son comparables a otras enzimas altamente eficientes en la naturaleza que son conocidas como verdaderos oxidantes, y son miles de veces más rápidas que la NicA2. Esto confirmó que las nuevas enzimas no son solo versiones ligeramente mejoradas de las antiguas, sino máquinas fundamentalmente diferentes diseñadas por la evolución para trabajar en un entorno rico en oxígeno sin necesidad de un socio citocromo.

Para demostrar que estas enzimas podían realmente reemplazar al compañero ausente en un sistema biológico, el equipo realizó un experimento de rescate. Tomaron una cepa de la bacteria original Pseudomonas putida que había sido modificada genéticamente para carecer de su socio citocromo, lo que la dejaba incapaz de comer nicotina. Cuando le dieron a esta bacteria lisiada el gen de la nueva enzima Ncosa, la bacteria recuperó inmediatamente la capacidad de crecer con nicotina. De hecho, la bacteria creció más rápido con la nueva enzima Ncox que con la mejor versión de la antigua NicA2 evolucionada en el laboratorio. Esto demostró que la nueva enzima podía funcionar de forma independiente y eficiente en un sistema vivo, evitando la necesidad de la compleja maquinaria celular que requería la enzima original.

El estudio también reveló cómo la bacteria regula estas enzimas. Al comparar la actividad genética de la bacteria cuando crecía con nicotina frente a cuando crecía con otra fuente de alimento, los investigadores vieron que los genes para Ncox y Pnox se activaban al máximo cuando la nicotina estaba presente. Esto sugiere que la bacteria utiliza naturalmente estas enzimas para digerir la nicotina cuando la encuentra en su entorno. El análisis genético mostró además que estas enzimas probablemente evolucionaron de un ancestro común encontrado en otras bacterias, pero tomaron un camino evolutivo diferente al de la NicA2 que se encuentra en las bacterias del suelo. Mientras que la NicA2 permaneció ligada al sistema de citocromos, estas nuevas enzimas de Peribacillus evolucionaron para usar el oxígeno directamente, quizás porque el entorno específico en el que habitan favorecía este método más simple y rápido.

Las implicaciones de este descubrimiento son significativas para el futuro del tratamiento de la adicción. El objetivo principal de utilizar enzimas para tratar la adicción a la nicotina es limpiar la droga del torrente sanguíneo lo suficientemente rápido como para evitar que el cerebro sienta el "subidón". La enzima NicA2 original era demasiado lenta para hacer esto sin requerir dosis enormes que serían difíciles y costosas de producir. La nueva enzima Ncox, con su capacidad de trabajar rápidamente con el oxígeno, ofrece una solución mucho más práctica. Es una herramienta que ocurre naturalmente y es altamente eficiente, que no requiere los complejos socios celulares que limitan el rendimiento de sus predecesoras. Si bien los investigadores señalan que la enzima aún necesita más pruebas para ver si puede optimizarse para el uso humano, el descubrimiento proporciona un candidato poderoso que la naturaleza ya ha refinado para trabajar a la velocidad necesaria para un efecto terapéutico.