La "evolución" de la resistencia a antibióticos y la deplorable capacidad argumentativa del NCSE (PARTE II) —Casey Luskin, Ralph Seelke

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C. La reseña del NCSE sugiere equivocadamente que los costos de aptitud en bacterias resistentes y otros organismos, no son importantes para los microbiólogos.

La evolución de la resistencia a antibióticos es con frecuencia el resultado de pequeños cambios que facilitan la supervivencia de un microbio u otro organismo, bajo circunstancias especiales en donde el organismo se enfrenta a una presión selectiva muy fuerte debido a la presencia de una sustancia antibiótica. En otros casos, es el resultado de la transferencia de genes de resistencia preexistentes, desde un microorganismo a otro y la selección a favor de tales organismos en determinado ambiente que contiene antibióticos. Incluso en el primer ejemplo, la evolución no produce una función verdaderamente nueva. De hecho y con frecuencia, el cambio producido termina haciendo del microorganismo menos apto cuando el antibiótico se remueve —se reproduce más lento de lo que lo hacía antes de que ocurriese el cambio. Este efecto es bien conocido, y se denomina como costo de aptitud de la resistencia antibiótica. Es la existencia de tales costos y de otros ejemplos de límite de evolución lo que hace nos incita a cuestionar el planteo neo-Darwiniano de la macroevolución.

Los costos de aptitud son reales, y tal fenómeno junto con otros que demarcan el límite de la evolución juega un rol clave en la elaboración de estrategias que se utilizan para combatir la resistencia a antibióticos, la resistencia a antivirales, y la resistencia a pesticidas. De hecho, de no ser por la existencia de tales costos en la aptitud biológica, las bacterias resistentes a antibióticos proliferarían y las cepas resistentes pronto reemplazarían a las no resistentes. Debido a estos costos, las cepas resistentes se encuentran superadas en competencia con respecto a las bacterias no resistentes una vez que la presión selectiva es disminuye, permitiéndoles a los doctores combatir tales resistencias a través de diversos tipos de drogas y estrategias.

Incluso bajo este enfoque adoptado por el National Center for Science Education (NCSE) en su crítica a EE, los organismos son tratados como si fueran ilimitadamente plásticos; la evolución es visualizada como si pudiese hacer cualquier cosa. Si el NCSE estuviera en lo cierto —lo que por suerte no es así— entonces los investigadores médicos deberían tener poca esperanza en la lucha contra los microorganismos resistentes a antibióticos.

No solo estas ideas del NCSE son contrastadas por la evidencia [1], sino que si esto fuera cierto, las implicaciones para la medicina serían drásticas: Si estas realidades biológicas tales como los costos de aptitud y los límites de la evolución no existiesen, debería ser insubstancial para los médicos intentar combatir la resistencia a antibióticos o la resistencia a drogas antivirales, debido a que la evolución siempre podría producir una adaptación tal que volvería a la bacteria resistente sin que ello implique costo de fitness (aptitud). La buena noticia es que Explore Evolution les informa a los estudiantes acerca de la realidad del límite de la evolución bacteriana, lo que le da a los doctores y a los científicos una esperanza basada en datos empíricos en medio de la lucha contra la resistencia a antibióticos.

El NSCE sugiere erróneamente que los costos de aptitud son una cuestión menor y sin importancia para aquellos científicos y médicos que combaten la resistencia a antibióticos y otras formas de resistencia, diciendo, “las mutaciones no necesariamente perjudican al funcionamiento normal de las proteínas ni implican un costo de aptitud.”  Quejándose luego de que “Explore Evolution… afirma que las mutaciones confieren resistencia pero con un ‘costo de aptitud’,” termina concluyendo en que “Explore Evolution, con esta descripción, hace una representación errónea de la aparición de la resistencia a antibióticos”. Desafortunadamente, parece ser que el NCSE no entiende ni a EE ni a la importancia de los costos de aptitud para los biólogos evolutivos.

Muchos trabajos científicos discuten acerca de la cruda realidad de los costos de aptitud, dando sustento al énfasis que EE pone en este tópico. De hecho, un paper citado por la NCSE reconoce que la realidad del costo en la aptitud biológica es vital para ayudar a los científicos a predecir si la resistencia se esparcirá:

“el costo biológico que implique la resistencia podría ser el agorero más relevante del riesgo del desarrollo de tal resistencia” [2]

Otro paper publicado en Environmental Toxicology and Chemistry afirma que “la cuestión de los costos de aptitud es un tema central dentro de la biología evolutiva” debido a que “los costos de aptitud restringen y limitan a la evolución de la resistencia a ambientes de estrés”. [3] Incluso otro paper remarca que “está establecido de forma general que las mutaciones que generan resistencia a drogas terminan reduciendo la aptitud viral” [4]. En lo que concierne al caso específico de la resistencia a antibióticos, un estudio publicado en Journal of Antimicrobial Chemotherapy reportó que “el costo de aptitud biológica que implica la resistencia a antibióticos es un parámetro clave en la determinación en la tasa de surgimiento y esparcimiento de bacterias resistentes a antibióticos”. [5] En efecto, las revistas científicas están repletas de ejemplos documentados de costos de aptitud:

Un artículo publicado en la revista Genetics en 2007 por Marciano et. al. titulado “A Fitnes Cost Associated With the Antibiotic Resistance Enzyme SME-1 β -Lactamase” reporta que el gen blaSME-1 β-lactamasa, que confiere resistencia a antibióticos al uso de carbapenemas, trae implicados costos de aptitud asociados con mutaciones en su secuencia señal. Solo modificando artificialmente el gen que codifica la secuencia señal este costo de aptitud podría ser aliviado; no existió una eliminación natural del costo de aptitud. El artículo remarcó el hecho de que al identificar esta barrera de costo de aptitud para la evolución, les permitió a los investigadores predecir el esparcimiento de aquellas bacterias resistentes:

“La identificación de un costo de aptitud provocado por la SME-1 permitió la aplicación directa de técnicas genéticas que han sido utilizadas a fin de entender las propiedades estructurales en la función y evolución de la β-lactamasa”. —Véase David C. Marciano, Omid Y. Karkouti y Timothy Palzkill, "A Fitness Cost Associated With the Antibiotic Resistance Enzyme SME-1 β-Lactamase," Genetics, Vol. 176: 2381--2392 (Agosto, 2007).

Una publicación en la revista Evolutionary Biology titulada "Acetylcholinesterase alterations reveal the fitness cost of mutations conferring insecticide resistance" reportó que algunos insectos expuestos a insecticidas cuyo blanco es la acetilcolinosterasa, una importante enzima involucrada en el sistema nervioso de los insectos, hacen evolucionar la resistencia aunque esta implica ciertos costos de aptitud biológica. De acuerdo con el artículo, “Nuestros hallazgos sugieren que las alteraciones en la actividad y estabilidad de la acetilcolinosterasa son las que provocan el costo de aptitud asociado con las mutaciones que proveen de resistencia”. Como afirma el Paper, “cuanto mayor sea el numero de mutaciones  [que confieren resistencia], menor será la estabilidad de la enzima mutante”. Cuando se buscó por mutaciones que compensen la perdida de estabilidad en las enzimas mutantes, el estudio termino concluyendo de que “ninguna mutación incrementa la estabilidad de la enzima, todas las combinaciones resultaron inclusive en proteínas menos estables.” En otras palabras, los insectos mutantes que son más resistentes a los insecticidas se enfrentan a un claro costo de aptitud biológica. —Véase David C. Marciano, Omid Y Karkouti y Timothy Palzkill, "A Fitness Cost Associated With the Antibiotic Resistance Enzyme SME-1 β-Lactamase," Genetics, Vol. 176: 2381--2392 (August, 2007).

Un paper que apareció en Journal of Antimicrobial Chemotherapy, titulado "Nitrofurantoin resistance mechanism and fitness cost in Escherichia coli," remarca acerca de la realidad del costo de aptitud al establecer: “el costo de aptitud biológica que implica la resistencia a antibióticos es un parámetro clave en la determinación de la tasa de surgimiento y esparcimiento de bacterias resistentes a antibióticos”. El paper informa que debido al costo de aptitud implicado en aquellas E. coli que son resistentes a la nitrofurantoína, “incluso aunque aparezcan mutantes resistentes en una población bacteriana en la vejiga, estas no serán capaces de establecer una infección debido al deterioro de su crecimiento frente a estas concentraciones de antibiótico terapéutico”. Además el artículo recalca que, “La resistencia a antibióticos muy frecuentemente viene acompañada de un costo de aptitud, es decir, una reducción en la tasa de virulencia.” Irónicamente, el paper citado por este estudio para reforzar esa afirmación —que corrobora las declaraciones de EE acerca del costo de fitness— es Anderson (2006) [véase abajo], el mismo trabajo que cita el NCSE para afirmar de que “¡no todas las mutaciones producen costos de aptitud!” Parece ser que los científicos investigadores han interpretado a Anderson (2006) de forma diferente que el NCSE. —Véase Linus Sandegrem, Anton Lindqvist, Gunnar Kahlmeter, y Dan I. Anderson, “Nitrofurantoin resistence mechanism and fitness cost in Escherichia coli,” Journal of Antimicrobial Chemotherapy, Vol. 62, 495-503 (2008).

Anderson (2006) enfatiza explícitamente en que el costo de fitness es importante para entender si las poblaciones resistentes persistirán luego de que disminuya la presión selectiva:

“Un parámetro clave que influencia a la tasa y trayectoria de la evolución de la resistencia a antibióticos es el costo de aptitud de la resistencia. Estudios recientes han demostrado que la resistencia a antibióticos, si es causada por una alteración puntual u otros mecanismos, generalmente provoca una reducción de fitness, lo cual se expresa en una reducción del crecimiento, virulencia y transmisión. Estos hallazgos implican que la resistencia puede ser reversible, una vez que se reduce el uso de antibióticos. Sin embargo, varios procesos actúan a fin de estabilizar a la resistencia, incluyendo a una evolución compensatoria en donde el costo de aptitud es  mejorado por mutaciones adicionales sin que ello implique la pérdida de la resistencia, la rara ocurrencia de mecanismos de resistencia libres de costo de aptitud y el ligamiento genético o co-selección entre marcadores de la resistencia y otros marcadores. Concebiblemente podemos usar este conocimiento de forma racional a fin de elegir y diseñar agentes y drogas cuyos costos de resistencia sean elevados, y en donde la probabilidad de compensación sea baja”.

Anderson (2006) afirma que “una estrategia racional de diseño sería identificar a los blancos para los cuales el mecanismo de resistencia alcanza los efectos más negativos sobre la aptitud biológica de la bacteria”. Esa es una buena estrategia, pero sería insubstancial si la bacteria no enfrentase límites evolutivos y pudiese evolucionar siempre a fin de evitar los costos de fitness, como argumenta el NCSE. De nuevo, vemos que el costo de aptitud es un fenómeno real y es vitalmente importante a fin de entender, como microbiólogos, cómo ralentizar la expansión de aquellas bacterias resistentes a antibióticos. EE queda justificado al discutir esta cuestión. Véase Dan I Andersson, “The biological cost of mutational antibiotic resistance: any practical conclusions?,” Current Opinion in Microbiology, Vol. 9:461-465 (2006).

Se pueden citar muchos ejemplos similares. Una vez mostrada esta literatura científica, ¿cómo puede el NCSE mantener seriamente su argumento de que EE está equivocado cuando resalta la la importancia del fitness para el proceso evolutivo? El NCSE afirma que EE “representa de forma equivocada cómo surge la resistencia a antibióticos” haciendo referencia a cuando EE declaraba que “los experimentos muestran que una vez que los antibióticos son removidos del ambiente, la cepa original (no resistente) ‘supera en competencia’ a la cepa resistente, que termina por desaparecer en las siguientes generaciones”. Estudios como los que hemos discutido en esta respuesta, corroboran a la afirmación de EE.

D. El NSCSE afirma erróneamente que EE describe mal cómo la resistencia a antibióticos puede evolucionar.

Las siguientes afirmaciones del NCSE de que EE “representa de forma equivocada” la resistencia a antibióticos al afirmar que “una mutación cambia la forma del sitio activo sobre la proteína diana tal que el antibiótico ya no puede reconocer el sitio”. La respuesta del NCSE esta vez se tratará de una explicación de otros mecanismos de la resistencia bacteriana a antibióticos, mecanismos que aunque puedan ser verdaderos, no contradicen a la fiel descripción que hace EE de la forma más común a través de la cual la resistencia a antibióticos se desarrolla.

El mecanismo de resistencia a antibióticos resaltado por EE es en efecto un mecanismo extremadamente importante de resistencia. Por ejemplo, una revisión de los mecanismos de resistencia a antibióticos publicada en Nature por Walsh (2000) encuentra que uno de los tres mecanismos más importantes de resistencia a antibióticos consiste en “reprogramar la estructura diana” en donde las bacterias resistentes a la eritromicina “se sabe que tiene mono o dimetilado un residuo específico de adenina A2058, en el bucle de la peptidil transferasa del componente 23S RNA del ribosoma” lo cual evita que el antibiótico se una a esta diana. [6]

Según el NCSE, EE esta errado al plantear que esos cambios que confieren resistencia puedan tener efectos negativos sobre el organismo, pero es claro que EE no se equivoca al hacer esta generalización. Un artículo titulado “The origins and molecular basis of antibiotic resistence,” en British Medical Journal establece que “alteraciones en el sitio activo primario pueden significar que el antibiótico penetra en la celula y alcanza el sitio diana, pero es incapaz de inhibir la actividad del objetivo debido a los cambios estructurales producidos en la molécula”. [7] Este artículo explica que “mutantes de Streptococcus pyogenes que son resistentes a la penicilina y sintetizan proteínas de unión a la penicilina que se encuentran alteradas, pueden ser seleccionadas en el laboratorio,” pero nótese que estos mutantes resistentes “no han sido vistos en pacientes, posiblemente debido a que la pared celular ya no puede mantener ligada a la proteína anti-fagocitica M” [énfasis añadido]. Así pues, la alteración de la encima produce resistencia pero imposibilita la unión de una proteína importante que protege a la célula de la respuesta inmune del paciente hospedador, lo cual es un costo severo de aptitud. Como lo hace notar Marciano (2007) en la revista Genetics, “la resistencia  a antibióticos que ocurre vía mutación de una diana de antibióticos, con frecuencia resulta en un costo de aptitud para la bacteria en condiciones tolerantes”. [8] ¿Por qué el NCSE ataca al contenido de EE en lo que respecta a costo de fitness, lo cual concuerda con la visión científica convencional?

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Autores: Casey Luskin. Es abogado, con estudios de postgrado en ciencia y leyes. Obtuvo su B.S. y M.S. en Ciencias de la Tierra de la Universidad de California en San Diego. Su Licenciatura en Derecho la obtuvo en la misma universidad. Trabaja en el Discovery Institute como Coordinador del Center for Science and Culture. Anteriormente, realizó una investigación geológica en la Scripps Institution for Oceanography (1997-2002).

Ralph Seelke: Obtuvo un BS de Clemson University en 1973. Graduado de University of Minnesota y Mayo Graduate School of Medicine, con un Ph. D en Microbiología. Actualmente trabaja como profesor de Biología en University of Wisconsin-Superior. 

Traducción: Daniel Alonso. Estudia Licenciatura Ciencias Biológicas en UNT (Universidad Nacional de Tucumán), Argentina. 

Fuente: http://www.exploreevolution.com/exploreEvolutionFurtherDebate/2009/02/antibiotic_resistance_revisite.php

REFERENCIAS:

[1] Véase R. Seelke y S. Ebnet. "An unexpectedly low evolutionary potential for a trpA 49V,D60N double mutant In Escherichia coli.," Presentado en el 107th Annual Meeting, Abstract R-055, American Society for Microbiology, Toronto, Canada, May 21-25, 2007; R. P. Mortlock (ed.),Microorganisms as Model Systems for Studying Evolution (Plenum Press, New York, 1984). Nota: Este libro contiene siete ejemplos de situaciones en las cuales la evolución fracasa en producir una función biológica nueva.

[2] Dan I Andersson, "The biological cost of mutational antibiotic resistance: any practical conclusions?," Current Opinion in Microbiology, Vol. 9:461--465 (2006).

[3] Lingtian Xie and Paul L. Klerks, "Fitness costs constrain the evolution of resistance to environmental stress in populations," Environmental Toxicology and Chemistry, Vol. 23(6):1499--1503 (2004).

[4] M. Cong, D.E. Bennett, W, Heneine and J.G. García-Lerma, "Fitness Cost of Drug Resistance Mutations is Relative and is Modulated by Other Resistance Mutations: Implications for Persistance of Transmitted Resistance," Antiviral Therapy, Vol. 10, Suppl 1:S169 (Junio 7-11, 2005).

[5] Linus Sandegren, Anton Lindqvist, Gunnar Kahlmeter, and Dan I. Andersson, "Nitrofurantoin resistance mechanism and fitness cost in Escherichia coli," Journal of Antimicrobial Chemotherapy,

Vol. 62, 495--503 (2008).

[6] Christopher Walsh, "Molecular mechanisms that confer antibacterial drug resistance," Nature, Vol. 406:775-781 (17 de agosto, 2000).

[7] Peter M Hawkey, "The origins and molecular basis of antibiotic resistance," British Medical Journal, Vol. 317(7159):657--660 (5 de Septiembre, 1998) (enfasis añadido)

[8] David C. Marciano, Omid Y. Karkouti and Timothy Palzkill, "A Fitness Cost Associated With the Antibiotic Resistance Enzyme SME-1 β-Lactamase," Genetics, Vol. 176: 2381--2392 (Agosto, 2007) (enfasis añadido).