Gramnegatiivisilla bakteereilla, kuten kasvien ja eläinten energiaorganelleilla (kloroplastilla ja mitokondrioilla), on kaksi kalvopuoliskoa, joita kutsutaan ulko-ja sisäkalvoiksi. Näiden kahden kalvon välistä tilaa kutsutaan periplasmaksi. Kauan ennen yksisoluisia eukaryootteja, periplasma kehittyi ensimmäisenä ekstrasytoplasmalokerona, joka tarjosi tärkeän kilpailukykyisen sopeutumisen gramnegatiivisiin bakteereihin. Varhainen tieto ja periplasman löytyminen kehittyivät jo ennen sen morfologista visualisointia. 1960-luvulla tutkijat yrittivät ymmärtää, miten tärkeitä biologisia molekyylejä hajottavat myrkylliset entsyymit, kuten ribonukleaasit ja gramnegatiivisten Escherichia coli-bakteerien tuottamat fosfataasit, eivät olleet myrkyllisiä solulle. Biokemialliset uuttomenetelmät ehdottivat erillistä osastoa, koska tällainen uutto säilytti sisäkalvoon sitoutuneen sytoplasman, ja nämä spheroplastit saattoivat kasvaa uudelleen ja syntetisoida lisää entsyymejä . Elektronimikroskopian kehittyminen johti periplasman erottamien kahden kalvopuoliskon visualisointiin .

lisäkalvo mahdollistaa periplasman syntymisen erillisenä solulokerona, jonka uudet toiminnot tarjosivat todennäköisesti merkittävän ja ehkä vielä merkittävämmän valikoivan edun kuin toksiinin poissulkeminen (Taulukko 1). Nämä uudet toiminnot ovat proteiinin kuljetus, taitto, hapetus, ja laadunvalvonta samanlainen eukaryoottisen solun endoplasminen reticulum. Periplasma mahdollistaa myös sytoplasmassa mahdollisesti myrkyllisten entsyymien sekvestroinnin, tärkeät signalointitoiminnot ja solunjakautumisen säätelyn. Lisäksi se edistää solun kykyä kestää turgor-painetta tarjoamalla rakennejärjestelmiä, jotka toimivat yhdessä ulomman kalvon kanssa, kuten peptidoglykaani ja lipoproteiinit, monilääkeruiskutusjärjestelmät ja erityiset liuokset, jotka edistävät Donnan-tai ionipotentiaalia ulomman kalvon poikki. Periplasm sisältää myös kokoonpano alustoja mukana eritystä yksilöllisesti jäsennelty beeta-barrel proteiinit, lipoproteiinit, ja glyserolifosfolipidit ulomman kalvon (Kuva 1).

kuvassa on ulomman kalvon muodostavien lipopolysakkaridin ja glyserolifosfolipidien epäsymmetrinen kaksikerros. Sisäkalvo on glyserolifosfolipidien symmetrinen kaksikerroksinen. Periplasmatila on näiden kalvojen välinen alue, johon kuuluu erilaisia entsyymejä ja toimintoja, muun muassa proteiinien hapettumista ja laadunvalvontaa. Periplasmatilan sisällä on myös solua ympäröivä ristisilloittuneiden sokereiden ja aminohappojen muodostama kerros peptidoglykaania. Peptidoglykaani liittyy enterobakteerien ulkokalvoon kovalenttisten transpeptidaasiyhteyksien kautta runsaan ulomman kalvolipoproteiini Lpp: n välillä. Sisäkalvossa on erilaisia antureita, joiden periplasmiset domeenit aistivat ympäristön muutoksen ja RCS-järjestelmän tapauksessa rcsf-ulomman kalvolipoproteiinin sijainnin muutoksen. Monikomponenttiset proteiinikompleksit, kuten flagellaarikone, kattavat kaksi kalvoa. IM, sisäkalvo; Lpp, Braunin lipoproteiini; LPS, lipopolysakkaridi; RcsF, kapselisynteesin säätelijä F.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2004935.g001

ulompi kalvo on ainutlaatuinen organelle, joka on kiinnittynyt solun kuoren muihin osiin periplasman välityksellä. Grampositiivisilta bakteereilta puuttuu ulompi kalvo, mutta niiden pintaa suojaa laajempi peptidoglykaanipolymeeri. Toisin kuin bakteerien sisäkalvo—joka on kaksikerroksinen glyserolifosfolipidien samanlainen kuin useimmat nisäkkäiden kalvot ja jolla on erityinen virtaus ominaista sivusuunnassa diffuusio-ulompi kalvo on rajoitettu virtaus . Se on ainutlaatuinen kaksikerroksinen, jossa sisempi seloste, jolla on tyypillinen glyserolifosfolipidipitoisuus fosfotidyylietanoliamiinia, fosfatidyyliglyserolia ja kardiolipiiniä ja ulompi seloste koostuu suurelta osin ainutlaatuisesta glykolipidistä, lipopolysakkaridista (LPS) . LPS-fosfaatit antavat pinnalle negatiivisen varauksen, ja erityinen donnanin potentiaali syntyy ulkokalvon poikki periplasmaan . Ulkokalvo toimii selektiivisenä esteenä, joka mahdollistaa arvokkaiden ravintoaineiden kuljetuksen ja samalla estää myrkylliset yhdisteet, kuten kationiset antimikrobiset yhdisteet, joita kaikki eliöt, mukaan lukien monet grampositiiviset bakteerit, tuottavat . Toinen tämän esteen komponentti ovat ulkokalvoproteiinit, joilla on ainutlaatuinen beetatynnyrirakenne, jotka työnnetään ulkokalvolle erityisen periplasmisen esiliinajärjestelmän kautta . Nämä proteiinit kerääntyvät ulompaan kalvoon spesifisenä punctana, mikä viittaa siihen, että ulompi kalvo todennäköisesti kokoontuu tiettyihin erillisiin laastareihin, jotka sisältävät proteiinia ja ainutlaatuista epäsymmetristä lipidikaksikkoa . Näihin uloimpiin kalvoproteiineihin kuuluvat poriinit, jotka voivat toimia selektiivisinä kanavina, joiden kautta periplasmaan pääsee tietynkokoisia hydrofiilisiä substraatteja. Ihmisten onneksi nämä poriinit kuljettavat hydrofiilisiä beetalaktaamiantibiootteja, mikä mahdollistaa niiden tunkeutumisen periplasmaan, jossa ne kohdistavat soluseinän tärkeän rakenneosan—polymeerisen peptidoglykaanin synteesin. Joillakin bakteereilla ulompi kalvo kiinnittyy peptidoglykaanipolymeeriin runsaiden lipoproteiinien avulla, jotka kulkeutuvat ulomman kalvon sisempään selosteeseen erityisten eritysjärjestelmien kautta . Erilaiset tärkeät proteiinikompleksit toimivat nanomakiineina ja hyödyntävät ATP: n hydrolyysiä makromolekyylien erittämiseen tai motiliteettiorganellin eli flagellan kääntämiseen . Tämän vuoksi myös ulkokalvo ja sisäkalvo ovat yhteydessä periplasman poikki kalvoja läpäisevillä proteiinikomplekseilla. Näin ollen ulompi kalvo koostuu selvästi kootuista laikuista, jotka muodostavat monimutkaisen organellin, joka voi kiinnittyä peptidoglykaanikerrokseen ja sisäkalvoon kovalenttisten ja ei-kovalenttisten proteiinisidosten kautta. Ulomman kalvon kokoonpano ja sen yhteys peptidoglykaaniin ja sytoplasmaan luo sisäkalvon ja ulomman kalvon välille tilan, joka on periplasma.

huolimatta periplasmiseen sisältyvistä tärkeistä tehtävistä on jo vuosien ajan keskusteltu tämän osaston intermembraanietäisyydestä tai koosta ja siitä, onko sisä-ja ulkokalvojen väli yhdenmukainen koko solussa. Huolena oli, että monet tämän tietyn kokoisen tilan visualisoinneista olivat elektronimikroskopian avulla kuvantamista varten kiinnitettyjä esineitä ja että itse asiassa tila oli todellisuudessa vain potentiaalinen tila. Bayerin varhaisissa elektronimikroskooppitutkimuksissa ilmeni ulomman ja sisemmän kalvon välisiä kiinnikkeitä, jotka hävittivät osan näistä tiloista; hän ehdotti, että kiinnittymispisteet olivat alueita, joissa tärkein ulompi lipidi, LPS, kulkeutui ulompaan kalvoon sen synteesipaikasta sisäkalvosta . Hänen työnsä on kuitenkin myöhemmin todettu olevan peräisin havainnoimalla mahdollisia kiinnitysesineitä, vaikka monet asiantuntijat nykyään ajattelevat, että kalvojen välillä voi olla todellisia proteiinipohjaisia kiinnikkeitä, koska jotkut efflux-ja kuljetusjärjestelmät eivät sisällä riittävän mittaisia komponentteja, jotka ulottaisivat visualisoidun tilan. Tietyt alueet, joilla kalvot ovat lähekkäin, selittäisivät, miten jotkin näistä ATP: tä sitovista KASETTIPUMPUISTA (ABC) voisivat toimia; näissä järjestelmissä on periplasmisia proteiinikomponentteja, jotka ovat välttämättömiä ulosvirtaukselle, LPS: lle tai muulle glykolipidikuljetukselle, mutta niiltä puuttuu luontainen koko tai polymeerinen luonne, joka on riittävän suuri ulomman kalvon saavuttamiseen ja siten ne tarjoavat mekanismin kuljetuksen edistämiseksi. Lisäksi periplasmassa on monia muita komponentteja, jotka edellyttävät ainakin jonkin verran tilavuutta periplasmitilaan, näkyvimpänä solua ympäröivä peptidoglykaanipolymeerikerros. Tällä hetkellä on epäselvää, miten nämä transportterit pääsevät tämän polymeerin ympärille ja kuinka leveä periplasma on kalvoon kosketukseen, vaikka viimeaikaiset tutkimukset, jotka osoittavat, että ulomman kalvon lipoproteiinit voivat koordinoida peptidoglykaanisynteesiä suoran kosketuksen kautta, osoittavat, että ainakin osa proteiineista saattaa mahtua peptidoglykaanin huokosten läpi tärkeiden toimintojen toteuttamiseksi

sitä vastoin erilaiset organellit, mukaan lukien flagellum ja virulenssiin liittyvä tyypin III eritysjärjestelmän neulakompleksi, vaativat polymeerien kokoamista periplasmaan, joka ulottuu näiden kahden kalvon välille. Kun kyseessä on flagellum, sen sauva tai vetoaisa ulottuu periplasmaa, ja sen pituus määräytyy polymeerin kontaktissa ulomman kalvon. Kelly Hughesin ryhmän elegantti viimeaikainen työ on osoittanut, että periplasman kokoa eli kahden kalvon välistä etäisyyttä kontrolloidaan enterobakteereissa suurelta osin erityisellä lipoproteiinilla, jota kutsutaan Braunin lipoproteiiniksi (tai Lpp), joka kovalenttisesti yhdistää ulomman kalvon peptidoglykaanikerrokseen . Tämä on varsin merkittävää, koska Lpp on runsain proteiini läsnä enterobakteerien, kuvattu Braun 48 vuotta sitten, ja tähän mennessä mitään erityistä tehtävää ei ollut katsottu sen. Tämä alfa-kierteinen proteiini työnnetään lipidiankkurinsa kautta ulomman kalvon sisäselosteeseen ja transpeptidaasiryhmä liittää sen kovalenttisesti peptidoglykaanipolymeeriin . Näiden lipoproteiinien pidentäminen, jotka mahdollistavat periplasman laajenemisen, johtaa pitempään lipputankoon ja tehokkaampaan uintikäyttäytymiseen. Nämä kirjoittajat tulkitsivat tämän tuloksen osoittavan, että täytyy olla muita evolutionaarisesti valittuja funktioita, jotka rajoittivat periplasmakokoa, pakottaen alentamaan uintitehokkuutta. Tässä PLOS-biologian numerossa paljastuu yksi näistä tärkeistä toiminnoista: kirjekuoren vaurion signalointitoiminto, jota ohjaa toinen ulompi kalvolipoproteiini, Kapselisynteesin F (RcsF) säätelijä, joka havaitsee kuoren häiriön tai vaurion.

Gramnegatiivisilla bakteereilla on useita tärkeitä tehtäviä, jotka aistivat kalvovaurioita ja myrkyllisiä yhdisteitä, kuten antimikrobisia peptidejä, jotka vaurioittavat ulkokalvoa . Näihin aistinjärjestelmiin kuuluvat ne, joiden avulla bakteerin pinnan remodelointi kestää paremmin myrkyllisiä yhdisteitä—mikä on verrattavissa avaruusalusten kilpien energisointiin science fiction-tarinoissa . Osa näistä aistinjärjestelmistä on reseptoreita, jotka toimivat sensorikinaaseina periplasmassa olevien domeenien kanssa aistiakseen tiettyjä molekyylejä tai vaurioita. Kuitenkin yksi ainutlaatuisimmista sensorikinaasijärjestelmistä, jota kutsutaan Rcs-järjestelmäksi—joka kalvovaurioilla aktivoi solunulkoisen polysakkaridin synteesiä solusuojan ja biofilmin muodostumisen tarjoamiseksi-on ulompi kalvolipoproteiini RcsF, joka vuorovaikuttaa signalointiproteiinien kanssa, joilla on erityisiä periplasmisia domeeneja kirjekuorivaurioissa ja peptidoglykaanistressissä aktivoimaan solunulkoisen polysakkaridituotannon synteesiä ja muita stressiin liittyviä selviytymisreittejä . Näin kuorivaurio jollain tavalla tuo rcsf-lipoproteiinin lähemmäksi sisäkalvon aistinjärjestelmää, ja näin se kehittyi aistimaan häiriötä ulommassa kalvossa ja/tai peptidoglykaanissa (kuva 2). Tässä PLOS-biologian numerossa kirjoittajat osoittavat vakuuttavasti, että tämä aistiminen vaatii periplasman olevan tietyn kokoinen, koska mutaatiot, jotka pidentävät erittäin runsasta LPP-lipoproteiinin ankkuria ulommasta kalvosta peptidoglykaaniin (jolloin periplasman koko kasvaa) lakkasivat signaloimasta, ellei sensing lipoproteiinia (joka kalvovaurion on ulotuttava sisäkalvon anturiin) myös pidennetä . Tässä teoksessa näkyy myös selvästi periplasmalle hyvin erityinen järjestys ja koko; periplasman koko näkyy selvästi, koska se esiintyy yhdessä kryoelektronimikroskoopilla tapahtuvien lipoproteiinin ankkuroitumisen tai pituuden muutosten kanssa. Tämä teknologia ja elektronitomografia, jota käytetään Hughesin ryhmän työssä flagellar-roottorin suhteen, mullistavat käsityksemme bakteerisolun kuoresta ja proteiinikomplekseista, jotka kattavat periplasman tärkeisiin tehtäviin .

rcsf: n ulkokalvon lipoproteiinianturin on kosketettava sisäkalvon signalointikumppaneitaan tunnistuksen aktivoimiseksi. Tämä aistiminen vaatii tietyn periplasmisen etäisyyden, koska LPP-sidosten pidentyminen peptidoglykaaniin lisää periplasman etäisyyttä, ja ellei RcsF: ää pidennetä, signalointia ei voi enää esiintyä. Paneelissa a: tila, jossa RcsF ei aktivoi signalointia, koska kirjekuorihäiriö ei ole käynnissä. Paneelissa B: kirjekuorihäiriö johtaa rcsf: n fyysiseen vuorovaikutukseen sisäkalvon aistivan järjestelmän kanssa, ja Rcs regulon aktivoituu. Paneelissa C, jossa Lpp on pidentynyt ja periplasminen intermembraanietäisyys pidentynyt, RCS Regulonia ei voida aktivoida kirjekuorihäiriöstä huolimatta. Paneelissa D: pitkän Lpp: n vika korjataan pidentämällä RcsF: ää. IM, sisäkalvo; Lpp, Braunin lipoproteiini; OM, ulkokalvo; PG, peptidoglykaani; rcsf, kapselisynteesin säätelijä F.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2004935.g002

vaikka nämä viimeaikaiset tutkimukset ovat määritelleet Lpp: n erityiseksi molekyylitason mittaajaksi ulomman kalvon ja peptidoglykaanin välillä, ei tiedetä, mikä säätelee sisäkalvon ja peptidoglykaanin välistä etäisyyttä ja mikä kontrolloi peptidoglykaanipolymeerin polymeroitumista tai hajoamista niin, että se ei täysin estä periplasmaa läpäiseviä proteiineja. Näiden ja muiden solun kuoren mysteerien määrittely voisi johtaa tärkeisiin käytännön edistysaskeliin sen lisäksi, että se tyydyttää tieteellisen pyrkimyksemme ratkaista gramnegatiivisen bakteerisolukuoren mysteerit. Tämä kirjekuori on huomattavan tehokas ja evolutionaarisesti kehittynyt molekyyliseula, joka tekee antibioottien kehittymisestä näitä organismeja vastaan paljon vaikeampaa kuin grampositiivisille bakteereille, joilta puuttuu ylimääräinen kalvo ja periplasma.

lisääntynyt tietämys gramnegatiivisista solukuorista on myös kriittistä antibioottiresistenssin mekanismien ymmärtämisen kannalta, koska monet menestyneimmistä antibiooteistamme, mukaan lukien beetalaktaamiantibiootit (jotka kohdistuvat peptidoglykaaniin ja menevät poriinien läpi), kohdistuvat solukuoreen. Gramnegatiiviset bakteerit ja monilääkeresistentit organismit kehittyvät edelleen kirjekuorimutaatioiden ja uusien periplasmisten entsyymien hankinnan kautta. Gramnegatiivisille bakteereille ei ole saatavilla uusia antibiootteja putkistossa, koska niiden on vaikea murtaa ulkokalvon ja periplasman tarjoamaa ainutlaatuista estettä. Tässä suhteessa periplasmatoksisilla antibiooteilla on etulyöntiasema verrattuna niihin, joilla on vaikeuksia tunkeutua sisäkalvoon ja välttää merkittäviä poistumia. On mielenkiintoista spekuloida, että sellaisten keskeisten periplasmafunktioiden kohdentaminen, jotka edellyttävät tietyn kokoista periplasmaa ja kykyä sopeutua eri toimintoihin, voisi tarjota tärkeitä uusia tavoitteita antibioottien kehittämiselle. Viimeaikaiset tutkimukset ovat paljastaneet gramnegatiivisen kuoren uusia perustoimintoja bakteerigenetiikan, rakennebiologian ja kehittyneiden morfologisten tekniikoiden avulla. Vuosikymmenten tutkimisesta huolimatta gramnegatiivisesta bakteerisolukuoresta on vielä paljon opittavaa. Muiden mysteerien paljastaminen tällä alalla johtanee siihen, että antibioottien kehittämiselle luodaan uusi sukupolvi tavoitteita, jotka pitävät meidät askeleen edellä antibioottiresistenttien gramnegatiivisten bakteerien kilpavarustelussa.