217 p.-60 fig.-16 tab.-anexos., [EN]Nowadays, antibiotic resistance is one of the most urgent global health issues to be tackled. Among the infective bacteria, Gram-negative ones are the main causative agents of nosocomial infections, causing an important death burden, partly due to anti-microbial resistance. Currently, phage therapy research is experiencing a renaissance as a viable alternative or complement to common antimicrobial chemotherapy. Not only complete virion particles but also phage-derived products have a series of advantages over antibiotics. In particular, phage (endo)lysins are the phage-encoded proteins re-sponsible for bacterial host lysis and subsequent death due to their cell wall lytic activity. Lysins are being repurposed to be exogenously applied, in a purified form, against bac-teria, functioning as lytic antimicrobials, and thus are also called ‘enzybiotics’. Among the many advantages of enzybiotics, we may cite their lower chance to provoke resistance in the target bacteria and their versatility to be screened and engineered using bioinfor-matic and biotechnological tools. The current literature already proves that enzybiotics are efficient in killing Gram-positive bacteria. However, they have been deemed less effective against Gram-negative ones due to the presence of the outer membrane, which acts as a permeability barrier that prevents the access of the exogenously added enzyme to its target (the bacterial peptidoglycan). However, not only some recent engineering efforts have rendered lysins active against Gram-negative ‘from without’, but also there are reports of some lysins from phages that infect Gram-negatives that are intrinsically active against such bacteria. Such an intrinsic activity has been related to antimicrobial peptide-like regions located within the lysins. However, the evolutionary importance of those regions or their actual spread among the Gram-negative phage lysins is still un-known., In this thesis, a full design and development path towards the obtention of phage lysin-based antimicrobials especially directed against Gram-negative pathogens was in-vestigated. Firstly, a comprehensive database of lysin sequences was compiled and an-alysed to detect structural features related to the architecture of the corresponding bac-terial hosts. This analysis supported a widespread appearance of antimicrobial peptide-like subdomains within a relevant subpopulation of lysins from Gram-negative bacteria infecting phages. Making use of this database, a bioinformatic screening method was set up to predict antimicrobial peptide-like regions within the lysin sequences to select a set of enzybiotic candidates with the potential to interact (and disrupt) the Gram-negative outer membrane. In this way, an enzybiotic candidate, named Pae87, was selected for researching its intrinsic activity against Gram-negative pathogens, particularly Pseudo-monas aeruginosa, and to serve as a scaffold for the developing of efficient antimicrobialmolecules. A three-dimensional model of the protein with a bound peptidoglycan frag-ment was obtained in the course of this research. In this way, a putative substrate-bind-ing subdomain was identified within the very catalytic domain of the protein. In addition, the ability of Pae87 to bind and disrupt the Gram-negative outer membrane was proven, and it was related to a specific C-terminal region termed peptide P87. This peptide had an antimicrobial activity of its own, comparable to that of the full protein. Moreover, pep-tide P87 was enhanced by rational point mutation and thus the derived peptide P88 was obtained. Peptide P88 had a greater bactericidal efficiency against a similar range of Gram-negative bacteria but no dramatic increase in its cytotoxic effect against eukaryotic cells was found. In order to improve the therapeutic potential of P88, its synergistic ac-tivity with a set of antibiotics was tested. The peptide displayed a potent in vitro synergy when used in combination with various antibiotics with intracellular targets (namely mac-rolides, chloramphenicol, and tetracycline). Using this strategy, the effective concentra-tion of peptide (and antibiotics) was 4-fold reduced. Additionally, Pae87 activity was en-hanced by fusing it to a calcium-binding domain, giving rise to the Pae87F chimera. The calcium-binding activity was expected to improve the outer membrane-disrupting ability of the enzyme or its attachment to it by binding the cations that usually stabilize the outer membrane. In this way, the use of this kind of domain as enhancing modules for engi-neering enzybiotics was for the first time demonstrated., Finally, a strategy for the in vivo enzybiotics behaviour enhancement was developed. Since lysins in vivo half-life is known to be rather short (30-60 min), one of the currently explored approaches for enzybiotics administration is encapsulation and controlled re-lease. Based on the Streptococcus pneumoniae surface structure, which stands out for the presence of choline residues that serve as anchorage for physiologically relevant surface proteins, a chitosan-based polymer was designed. Such a polymer was grafted with diethylaminoethanol (DEAE) moieties which can act as a structural and functional analogue of choline. Therefore, the nanoparticles prepared with chitosan-DEAE were able to specifically bind choline-binding proteins. Due to this ability, the treatment of pneumococcal cultures with chitosan-DEAE nanoparticles provoked the chaining of the bacterial cells because of the competitive inhibition of housekeeping choline-binding pro-teins responsible for daughter cell separation. The chitosan-DEAE nanoparticles were thus also able to bind choline-binding enzybiotics, such as the antipneumococcal Cpl-711, and release it in a controlled manner, although with some cytotoxic effect against eukaryotic cells. Altogether, the results presented in this thesis investigate state-of-the-art tools and methods for the development of alternative, phage-derived antimicrobials to tackle some of the most relevant public health issues that we have to face in the years to come., [ES]Hoy en día, la resistencia a antibióticos es uno de los problemas de salud mundial más urgentes que deben abordarse. Entre las bacterias infecciosas, las Gram-negativas son los principales agentes causantes de infecciones nosocomiales, provocando una importante mortalidad, en parte debido a la resistencia a antimicrobianos. Actualmente, la investigación en terapia fágica está experimentando un renacimiento, entendida como alternativa viable o complemento de la quimioterapia antimicrobiana común. No solo las partículas fágicas completas sino también los productos derivados de fagos tienen una serie de ventajas sobre los antibióticos. En particular, las (endo)lisinas fágicas son las proteínas codificadas por los fagos que son responsables de la lisis y muerte bacteriana debido a su actividad enzimática que hidroliza la pared celular. Las lisinas se están re-utilizando para aplicarlas exógenamente en forma purificada contra bacterias, funcio-nando como antimicrobianos líticos y, por ello, también se denominan "enzibióticos". Entre las muchas ventajas de los enzibióticos, podemos citar su menor probabilidad de provocar resistencias en las bacterias diana y su versatilidad para ser detectadas y di-señadas utilizando herramientas bioinformáticas y biotecnológicas. La literatura actual prueba que los enzibióticos son altamente eficaces contra bacterias Gram-positivas. Sin embargo, se han considerado menos efectivos contra las Gram-negativas, debido a la presencia de la membrana externa que actúa como una barrera de permeabilidad que impide el acceso de la enzima exógenamente añadida a su diana (el peptidoglicano bacteriano). Sin embargo, no solo existen recientes estrategias de ingeniería de proteí-nas que han producido lisinas activas contra Gram negativas "desde fuera", sino que, además, hay ejemplos en la literatura de algunas lisinas de fagos que infectan a Gram-negativas que son intrínsecamente activas contra dichas bacterias. Tal actividad intrín-seca se ha relacionado con regiones similares a péptidos antimicrobianos presentes en las propias lisinas. Sin embargo, aún se desconoce la importancia evolutiva de esas regiones o su propagación real entre las lisinas de fagos que infectan a bacterias Gram-negativas., En esta tesis se ha llevado a cabo una estrategia completa de diseño y desarrollo de antimicrobianos basados en lisinas fágicas, especialmente dirigidos contra patógenos Gram-negativos. En primer lugar, se compiló y analizó una base de datos exhaustiva de secuencias de lisinas para detectar características estructurales relacionadas con la ar-quitectura de los hospedadores bacterianos correspondientes. En este análisis se ob-servó la presencia generalizada de subdominios similares a péptidos antimicrobianos dentro de una subpoblación relevante de lisinas de fagos de Gram-negativas. Haciendo uso de esta base de datos, se estableció un método de cribado bioinformático para predecir regiones similares a péptidos antimicrobianos dentro de las secuencias de lisi-nas con el objetivo de obtener un conjunto de candidatos a enzibióticos con el potencial de interactuar (y desestructurar) la membrana externa Gram-negativa. De esta manera, un enzibiótico candidato, denominado Pae87, fue seleccionado para investigar su acti-vidad intrínseca contra patógenos Gram-negativos, particularmente Pseudomonas ae-ruginosa, y para servir como base para el desarrollo de moléculas antimicrobianas efi-cientes. En el curso de la investigación, se obtuvo un modelo tridimensional de esta proteína conteniendo un fragmento de peptidoglicano unido. De esta manera, se identi-ficó un posible subdominio de unión a sustrato dentro del propio dominio catalítico de la proteína. Además, se demostró la capacidad de Pae87 para unirse y permeabilizar la membrana externa Gram-negativa, y esta actividad se relacionó con una región C-ter-minal específica denominada péptido P87. Este péptido mostró actividad antimicrobiana propia, comparable a la de la proteína completa. Además, el péptido P87 se potenció mediante mutaciones puntuales racionales y como resultado se obtuvo el péptido deri-vado P88. El péptido P88 mostró una mayor eficacia bactericida contra un rango similar de bacterias Gram-negativas, pero sin un aumento importante en su efecto citotóxico contra células eucariotas. Para mejorar el potencial terapéutico de P88, se probó su actividad sinérgica con un conjunto de antibióticos. El péptido mostró una potente siner-gia in vitro cuando se usó en combinación con varios antibióticos con dianas intracelu-lares (a saber, macrólidos, cloranfenicol y tetraciclina). Usando esta estrategia, la con-centración efectiva de péptidos (y antibióticos) se redujo 4 veces. La actividad de Pae87 también se mejoró, en este caso, fusionándola con un dominio de unión a calcio, dando lugar a la quimera Pae87F, esperando que la actividad de unión al calcio mejorara la capacidad de alteración de la membrana externa de la enzima o bien su unión a ella mediante la unión de los cationes que normalmente estabilizan la membrana externa. De esta forma, se ha demostrado por primera vez el posible uso de este tipo de dominios como módulos para mejorar enzibióticos mediante ingeniería de proteínas., Finalmente, se desarrolló una estrategia para mejorar el comportamiento in vivo de enzibióticos. Dado que se sabe que la vida media in vivo de las lisinas es bastante corta (30-60 min), uno de los enfoques actualmente explorados para la administración de en-zibióticos es su encapsulación y liberación controlada. Basándonos en la estructura su-perficial de Streptococcus pneumoniae, que destaca por la presencia de residuos de colina que sirven de anclaje para proteínas superficiales fisiológicamente relevantes, se diseñó un polímero a base de quitosano. Dicho polímero se derivatizó con dietila-minoetanol (DEAE) que pueden actuar como un análogo estructural y funcional de la colina. Por ello, las nanopartículas preparadas con quitosano-DEAE resultaron ser ca-paces de unir específicamente proteínas de unión a colina. Debido a esta capacidad, el tratamiento de cultivos neumocócicos con nanopartículas de quitosano-DEAE provocó el encadenamiento de las células bacterianas debido a la inhibición competitiva de las proteínas de unión a colina responsables de la separación de las células hijas. Las na-nopartículas de quitosano-DEAE también fueron capaces de unir enzibióticos de unión a colina, como el antineumocócico Cpl-711, y liberarlo de forma controlada, aunque con cierto efecto citotóxico en las células eucariotas.En conjunto, los resultados presentados en esta tesis proporcionan herramientas y métodos de última generación para el desarrollo de antimicrobianos alternativos deriva-dos de fagos para abordar algunos de los problemas de salud pública más relevantes que tendremos que enfrentar en los próximos años., Rroyecto SAF2017-88664-R del Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO)