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ESTUDO IN SILICO DA DIVERSIDADE ENTRE ENZIMAS RESPONSÁVEIS PELA RESISTÊNCIA BACTERIANA A DIFERENTES CLASSES DE ANTIMICROBIANOS COM FOCO PRINCIPAL EM BETA-LACTAMASES
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Abstract in Portuguese
Bactérias podem se tornar resistentes à ação dos antibióticos por diferentes mecanismos, mas a produção de enzimas inativadoras é considerada o mecanismo mais eficiente e capaz de se disseminar com maior facilidade. Dentre essas enzimas, as beta-lactamases se destacam pelo seu impacto clínico, diversidade e distribuição entre espécies e ambientes distintos. As beta-lactamases foram utilizadas como modelo no presente estudo, para a concepção de uma metodologia baseada em similaridade de sequências capaz de identificá-las e classificá-las em níveis hierárquicos. Os critérios classificatórios foram então aplicados a outras atividades enzimáticas relacionadas com a resistência aos antibióticos. Inicialmente, um conjunto curado de beta-lactamases foi utilizado para determinar os thresholds de agrupamento, que em seguida foram validados utilizando um conjunto expressivo e não-redundante de sequências Perfis de Modelos Ocultos de Markov (Hidden Markov Models, HMM) foram construídos para cada classe de beta-lactamase. Estes foram testados e aprimorados a partir de informações de bancos de dados como CATH e UniProt/Swiss-Prot. São descritos aqui cinco níveis classificatórios hierárquicos baseados na estrutura das beta-lactamases. Os perfis HMM apresentados são capazes de identificar as classes (terceiro nível) com alta especificidade. A classe SCD, composta de beta-lactamases bifuncionais, é proposta nesta tese. Todas as subclasses de beta-lactamases foram encontradas em Proteobacteria. A subclasse SD1 e a classe ME foram os grupos de beta-lactamases mais distribuídos entre os diferentes filos analisados. Através da análise dos demais grupos enzimáticos inativadores de antibióticos, concluímos que as beta-lactamases são as mais diversas. Esse trabalho permitiu analisar a diversidade de diferentes atividades enzimáticas relacionadas com a resistência sobre uma perspectiva comum, além de mostrar que a metodologia para uma anotação aprimorada de beta-lactamases conforme apresentada aqui pode contribuir na elaboração de estudos sobre evolução, dispersão e prevalência dessa atividade enzimática crítica.
Abstract
Bacteria may become resistant to the action of antibiotics by different mechanisms, but the production of inactivating enzymes is considered the most efficient mechanism, with great dispersal. Among these enzymes, beta-lactamases stand out for their clinical impact, diversity and distribution between species and different environments. Beta-lactamases were used as a model in the present study, to design a methodology based on sequence similarity capable of identifying and classifying them in hierarchical levels. Classification criteria were then applied to other enzymatic activities related to antibiotic resistance. Initially, a cured set of beta-lactamases was used to determine the clustering thresholds, which were then validated using an expressive and non-redundant set of sequences. Profiles Hidden Markov Models (HMM) were constructed for each class of beta-lactamase. These have been tested and calibrated from database informations such as CATH and UniProt/Swiss-Prot. Five hierarchical classificatory levels based on the structure of beta-lactamases are described here. The presented profiles HMM can identify the classes (third level) with high specificity. The class SCD, composed of bifunctional beta-lactamases, is proposed in this thesis. All subclasses of beta-lactamases were found in Proteobacteria. The subclass SD1 and class ME were the groups of beta-lactamases most distributed among the different phyla analyzed. By analyzing the other enzymatic inactivating groups of antibiotics, we conclude that beta-lactamases are the more diverse group. This work allowed the analysis of the diversity of different enzymatic activities related to resistance from a common perspective, besides demonstrating that the methodology for an improved annotation of beta-lactamases presented here can contribute to the elaboration of studies on the evolution, dispersion and prevalence of this critical enzymatic activity.
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