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Identification and Characterization of a Novel Fosfomycin Bacillithiol Transferase FosB8 in Paenibacillus illinoisensis

Este estudio identifica y caracteriza a FosB8, una nueva fosfomicina bacitiol transferasa intrínseca en *Paenibacillus illinoisensis* que confiere una resistencia de alto nivel mediante una detoxificación enzimática eficiente, marcándola como el octavo miembro conocido de la familia de enzimas FosB.

Autores originales: Wei Lu, ChunLin Feng, Shihan Zhou, Yunuo Wu, Dongxin Liu, Xueli Ma, Xinxin Zhou, Daojun Yu, Shenghai Wu

Publicado 2026-09-29

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CC BY 4.0

Autores originales: Wei Lu, ChunLin Feng, Shihan Zhou, Yunuo Wu, Dongxin Liu, Xueli Ma, Xinxin Zhou, Daojun Yu, Shenghai Wu

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ⚕️ Esta es una explicación generada por IA de un preprint que no ha sido revisado por pares. No es consejo médico. No tome decisiones de salud basándose en este contenido. Leer descargo de responsabilidad completo

En la batalla en curso entre la medicina y la vida microscópica, las bacterias tienen una larga historia de aprender a sobrevivir a los fármacos diseñados para matarlas. Uno de estos fármacos, la fosfomicina, es un antibiótico antiguo al que los médicos recurren a veces cuando los medicamentos más nuevos fallan, particularmente para infecciones en el tracto urinario o cuando se trata de bacterias persistentes y multirresistentes. El fármaco funciona atacando un paso específico que las bacterias necesitan para construir sus paredes celulares, esencialmente deteniendo su crecimiento. Sin embargo, algunas bacterias han desarrollado un ingenioso mecanismo de defensa: producen una enzima especial que actúa como unas tijeras moleculares, cortando el fármaco en partes antes de que pueda hacer su trabajo. Este proceso, conocido como inactivación, vuelve inútil la medicina. Si bien los científicos han conocido varias versiones de estas enzimas defensivas en bacterias comunes como Staphylococcus, existen muchas bacterias menos comunes que siguen siendo poco comprendidas, lo que deja un vacío en nuestro conocimiento sobre cómo se propaga la resistencia en el mundo microbiano en general.

Investigadores dirigieron recientemente su atención a una bacteria rara llamada Paenibacillus illinoisensis, que fue aislada de la herida de un paciente anciano en un hospital de Hangzhou, China. Esta cepa específica, llamada WP77, resultó ser resistente a la fosfomicina, pero la razón genética de esta resistencia era un misterio. Las búsquedas genéticas estándar no lograron encontrar ninguno de los genes de resistencia conocidos que suelen explicar tal inmunidad. Para resolver este rompecabezas, el equipo secuenció el código genético completo de la bacteria y comenzó una búsqueda detallada del mecanismo oculto. Descubrieron un nuevo gen, al que llamaron fosB8, que nunca había sido visto antes en esta forma específica. Este gen codifica una proteína que funciona como una fosfomicina bacitiol transferasa, un tipo de enzima que modifica químicamente el antibiótico para neutralizarlo. Los investigadores confirmaron que este nuevo gen era, de hecho, la causa de la resistencia al insertarlo en una bacteria de laboratorio inofensiva, la cual se volvió altamente resistente al fármaco, al igual que el aislado original del paciente.

El estudio proporcionó una mirada cercana a cómo funciona esta nueva enzima. El equipo purificó la proteína producida por el gen fosB8 y probó su actividad en un entorno controlado. Encontraron que la enzima se une eficientemente a una pequeña molécula llamada bacitiol al fármaco fosfomicina, rompiendo la estructura del fármaco y volviéndolo inofensivo. Aunque esta nueva enzima era ligeramente menos eficiente en esta tarea que una versión previamente conocida hallada en Staphylococcus, era lo suficientemente poderosa como para proteger completamente a las bacterias. Cuando los investigadores probaron las bacterias que portaban este nuevo gen, la cantidad de fármaco necesaria para detener su crecimiento aumentó por un factor de 256 en comparación con las bacterias sin el gen. Este salto dramático confirmó que el gen era la razón principal por la cual la bacteria original podía sobrevivir al tratamiento.

Más allá de solo identificar el gen, los investigadores mapearon sus alrededores dentro del genoma bacteriano para comprender cómo podría propagarse. Encontraron que el gen fosB8 se encuentra en el cromosoma principal de la bacteria, en lugar de estar en un pequeño anillo de ADN móvil llamado plásmido, que es a menudo cómo los genes de resistencia saltan entre diferentes especies. El área alrededor del gen no mostró signos de los elementos genéticos móviles habituales que facilitan la transferencia rápida. Sin embargo, los investigadores observaron que este gen específico parece estar presente naturalmente en muchas cepas diferentes de Paenibacillus, lo que sugiere que este género de bacterias podría actuar como un reservorio natural, manteniendo este rasgo de resistencia durante largos periodos. El estudio también reveló que el genoma de la bacteria tiene unos 6,64 millones de pares de bases de longitud y contiene casi 6.000 genes, proporcionando un plano genético completo para este organismo raro.

El descubrimiento de fosB8 es significativo porque representa el octavo tipo conocido de esta enzima de resistencia específica, ampliando el catálogo de formas en que las bacterias pueden derrotar a los antibióticos. Los investigadores confirmaron que la enzima es específica para la fosfomicina y no confiere resistencia a otros tipos de antibióticos como la tetraciclina o la gentamicina. Esta especificidad ayuda a explicar por qué la bacteria es resistente a algunos fármacos pero permanece vulnerable a otros. El estudio concluye que, si bien este gen de resistencia se encuentra actualmente en el cromosoma y puede no estar propagándose rápidamente entre diferentes especies, su presencia en una amplia variedad de cepas de Paenibacillus significa que podría transferirse potencialmente a patógenos más peligrosos en el futuro. Al caracterizar esta nueva enzima y su hogar genético, el estudio proporciona una imagen más clara de las defensas ocultas que poseen las bacterias, ofreciendo una mejor base para comprender cómo evoluciona y persiste la resistencia en entornos clínicos.

Resumen Técnico: Identificación y Caracterización de una Nueva Fosfomicina Bacilitiol Transferasa FosB8 en Paenibacillus illinoisensis

Planteamiento del Problema
La aparición de patógenos con resistencia antimicrobiana constituye una amenaza crítica para la salud pública mundial, lo que requiere la reevaluación de antibióticos más antiguos como la fosfomicina. Si bien la fosfomicina sigue siendo eficaz contra diversas infecciones resistentes a los fármacos, los mecanismos de resistencia son cada vez más prevalentes. El mecanismo conocido principal involucra enzimas de inactivación de la fosfomicina, específicamente las fosfomicina bacilitiol transferasas (FosB), que están ampliamente distribuidas en microbios Gram-positivos como Staphylococcus aureus y Bacillus cereus. Sin embargo, el género Paenibacillus, particularmente Paenibacillus illinoisensis, presenta un vacío de conocimiento. Aunque estas bacterias son aisladas con mayor frecuencia en entornos clínicos y exhiben multirresistencia a fármacos, sus mecanismos de resistencia específicos a la fosfomicina y la caracterización molecular de los posibles genes de resistencia siguen siendo, en gran medida, inexplorados.

Metodología
El estudio utilizó un enfoque multidisciplinario que combinó microbiología clínica, secuenciación de genoma completo (WGS), bioinformática, clonación molecular y cinética enzimática:

Aislamiento e Identificación de la Cepa: Se obtuvo un aislado clínico, WP77, de un paciente con una infección de tejidos blandos. La identificación se confirmó mediante VITEK 6, MALDI-TOF MS, secuenciación del ARNr 16S y análisis de Identidad de Nucleótidos Promedio (ANI).
Análisis Genómico: Se realizó la secuenciación del genoma completo utilizando Illumina HiSeq 2500. Los datos se ensamblaron mediante SPAdes y se anotaron utilizando Prokka y Bakza. Los genes de resistencia se analizaron mediante la base de datos de Resistencia Antibiótica Integral (CARD) y las bases de datos no redundantes de NCBI.
Caracterización Funcional: Los genes candidatos se clonaron en vectores de expresión (pCold1 y pUCP20) y se transformaron en E. coli (BL21 y DH5α) y S. aureus (RN4220). Las Concentraciones Mínimas Inhibitorias (MIC) se determinaron mediante la técnica de dilución en agar para evaluar el impacto de la expresión génica en la resistencia a la fosfomicina.
Ensayos Enzimáticos: La proteína recombinante FosB8 fue purificada y su actividad catalítica se midió mediante ensayos de consumo de tiol (titulación DTNB) y análisis de cinética de estado estacionario (ecuaciones de Michaelis-Menten) para determinar los valores de $k_{cat}$ y $K_m$ .
Contexto Genético: El entorno genómico que rodea a fosB8 se analizó para identificar elementos genéticos móviles y comparar la sintenia con otras cepas de Paenibacillus.

Contribuciones Clave y Resultados

Descubrimiento de fosB8: El estudio identificó un nuevo gen de resistencia a la fosfomicina, fosB8, en el aislado clínico P. illinoisensis WP77. Este gen codifica una presunta fosfomicina bacilitiol transferasa.
Confirmación Fenotípica: La cepa WP77 exhibió una alta resistencia a la fosfomicina (MIC = 512 mg/L). La expresión funcional de fosB8 en cepas recombinantes resultó en un aumento significativo de la resistencia a la fosfomicina:
- En S. aureus RN4220, la expresión de fosB8 aumentó la MIC en 128 veces.
- En E. coli BL21, la expresión de fosB8 aumentó la MIC en 256 veces.
- No se observó una resistencia significativa contra otros antibióticos probados (p. ej., tetraciclina, gentamicina, vancomicina), lo que indica especificidad hacia la fosfomicina.
Caracterización Bioquímica: La proteína purificada FosB8 demostró una actividad de transferencia de tiol dependiente de Mn²⁺, catalizando la adición de bacilitiol (BSH) a la fosfomicina. La enzima exhibió una eficiencia catalítica ( $k_{cat}/K_m$ ) de $(7.9 \pm 0.8) \times 10^3 \text{ M}^{-1} \text{ s}^{-1}$ . Si bien esta eficiencia es aproximadamente 2.9 veces menor que la de FosB3, es suficiente para conferir una resistencia sustancial.
Análisis de Secuencia y Filogenia: FosB8 comparte identidades de aminoácidos que van desde el 43.1% (con FosB3) hasta el 62.2% (con FosB5) con las enzimas FosB conocidas (FosB1–FosB6). El análisis filogenético sitúa a FosB8 como un linaje distinto estrechamente relacionado con FosB2.
Entorno Genético: A diferencia de muchos genes de resistencia portados por plásmidos, fosB8 se localiza en el cromosoma de P. illinoisensis WP77. La región genética circundante carece de elementos genéticos móviles obvios, aunque el gen está ampliamente distribuido entre las especies de Paenibacillus, lo que sugiere que puede ser un determinante de resistencia intrínseco y evolutivamente conservado.

Significancia
Este estudio reporta la primera caracterización de una nueva fosfomicina bacilitiol transferasa, FosB8, y su gen codificante, fosB8. La investigación establece que P. illinoisensis posee un mecanismo intrínseco de resistencia a la fosfomicina mediado por esta enzima. Al identificar a fosB8 como el octavo miembro descubierto de la familia FosB, tras el reciente descubrimiento de fosB7, el estudio amplía el repertorio conocido de los mecanismos de inactivación de la fosfomicina. Los hallazgos destacan a las especies de Paenibacillus como posibles reservorios de genes de resistencia a la fosfomicina, lo que podría representar un riesgo si estos genes se transfieren a otros patógenos. La secuencia del genoma completo de P. illinoisensis WP77 y los datos cinéticos detallados proporcionan un recurso fundamental para futuras investigaciones sobre la evolución, regulación y propagación de la resistencia a la fosfomicina en patógenos clínicos poco comunes.

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