Les bactéries à gram négatif, comme les organites énergétiques des plantes et des animaux (le chloroplaste et les mitochondries), ont deux bicouches membranaires appelées membranes externe et interne. L’espace entre ces deux membranes est appelé périplasme. Bien avant les eucaryotes unicellulaires, le périplasme a évolué comme le premier compartiment extracytoplasmique à fournir une adaptation compétitive importante aux bactéries à gram négatif. La connaissance précoce et la découverte du périplasme se sont développées avant même sa visualisation morphologique. Dans les années 1960, les scientifiques essayaient de comprendre comment les enzymes toxiques impliquées dans la dégradation de molécules biologiques importantes, telles que les ribonucléases et les phosphatases produites par la bactérie à gram négatif Escherichia coli, n’étaient pas toxiques pour la cellule. Les méthodes d’extraction biochimique suggéraient un compartiment séparé, car une telle extraction préservait le cytoplasme lié à la membrane interne, et ces sphéroplastes pouvaient se développer à nouveau et synthétiser plus d’enzymes. Le développement de la microscopie électronique a conduit à la visualisation des deux bicouches membranaires séparées par le périplasme.

La membrane supplémentaire permet la création du périplasme en tant que compartiment cellulaire séparé dont les nouvelles fonctions ont probablement fourni un avantage sélectif significatif et peut-être même plus important que l’exclusion des toxines (tableau 1). Ces nouvelles fonctions comprennent le transport des protéines, le repliement, l’oxydation et le contrôle de la qualité, similaires au réticulum endoplasmique des cellules eucaryotes. Le périplasme permet également la séquestration d’enzymes qui peuvent être toxiques dans le cytoplasme, des fonctions de signalisation importantes et la régulation de la division cellulaire. De plus, il contribue à la capacité de la cellule à résister à la pression de turgescence en fournissant des systèmes structuraux qui fonctionnent de concert avec la membrane externe, tels que des peptidoglycanes et des lipoprotéines, des systèmes d’efflux multidrogue et des solutés spécifiques qui contribuent à un potentiel Donnane ou ionique à travers la membrane externe. Le périplasme contient également les plates-formes d’assemblage impliquées dans la sécrétion de protéines bêta-barils, de lipoprotéines et de glycérolphospholipides à structure unique vers la membrane externe (Figure 1).

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Fig 1. Architecture de l’enveloppe cellulaire bactérienne à gram négatif.

On voit la bicouche asymétrique de lipopolysaccharides et de glycérolphospholipides qui constituent la membrane externe. La membrane interne est une bicouche symétrique de glycérolphospholipides. L’espace périplasmique est la région entre ces membranes qui comprend une variété d’enzymes et de fonctions, y compris l’oxydation et le contrôle de la qualité des protéines. Dans l’espace périplasmique se trouve également une couche de sucres et d’acides aminés réticulés appelée peptidoglycane, qui entoure la cellule. Le peptidoglycane est lié à la membrane externe chez les bactéries entériques par des liaisons transpeptidases covalentes entre une lipoprotéine Lpp de la membrane externe abondante. Une variété de capteurs se trouvent dans la membrane interne avec des domaines périplasmiques détectant un changement environnemental et, dans le cas du système Rcs, un changement de localisation de la lipoprotéine de la membrane externe RcsF. Des complexes protéiques à plusieurs composants tels que la machine flagellaire couvrent les deux membranes. IM, membrane interne; Lpp, lipoprotéine de Braun; LPS, lipopolysaccharide; RcsF, Régulateur de la synthèse des capsules F.

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

La membrane externe est un organite unique relié à d’autres parties de l’enveloppe cellulaire via le périplasme. Les bactéries à Gram positif n’ont pas de membrane externe mais ont un polymère peptidoglycane plus étendu protégeant leur surface. Contrairement à la membrane interne bactérienne — qui est une bicouche de glycérolphospholipides similaire à celle de la plupart des membranes de mammifères et qui a un écoulement spécifique caractérisé par une diffusion latérale — la membrane externe a un écoulement restreint. Il s’agit d’une bicouche unique, la foliole interne ayant une teneur typique en glycérolphospholipides de phosphotidyléthanolamine, de phosphatidylglycérol et de cardiolipine et la foliole externe composée en grande partie d’un glycolipide unique, le lipopolysaccharide (LPS). Les phosphates LPS confèrent une charge négative à la surface et un potentiel de Donnan spécifique est créé à travers la membrane externe dans le périplasme. La membrane externe fonctionne comme une barrière sélective qui permet le transport de nutriments précieux tout en fournissant une barrière contre les composés toxiques, tels que les composés antimicrobiens cationiques produits par tous les organismes, y compris de nombreuses bactéries à gram positif. Un autre composant de cette barrière sont les protéines de la membrane externe avec une structure bêta-baril unique qui sont insérées dans la membrane externe par un système de chaperon périplasmique spécifique. Ces protéines s’assemblent dans la membrane externe sous forme de puncta spécifiques, ce qui indique que la membrane externe s’assemble probablement en plaques discrètes spécifiques contenant des protéines et la bicouche lipidique asymétrique unique. Parmi ces protéines membranaires externes figurent les porines, qui peuvent agir comme des canaux sélectifs permettant à des substrats hydrophiles d’une taille spécifique d’entrer dans le périplasme. Heureusement pour l’homme, ces porines transportent des antibiotiques bêta-lactames hydrophiles, ce qui permet leur pénétration dans le périplasme, où elles ciblent la synthèse de l’élément structurel important de la paroi cellulaire — le peptidoglycane polymère. La membrane externe de certaines bactéries est ancrée au polymère peptidoglycanique par l’intermédiaire de lipoprotéines abondantes, qui sont insérées dans le feuillet interne de la membrane externe par des systèmes de sécrétion spécifiques. Une variété de complexes protéiques importants fonctionnent comme des nanomachines et utilisent l’hydrolyse de l’ATP pour sécréter des macromolécules ou transformer un organite de motilité appelé flagelle. Par conséquent, la membrane externe et la membrane interne sont également reliées à travers le périplasme par des complexes protéiques couvrant la membrane. Par conséquent, la membrane externe est composée de patchs distinctement assemblés qui comprennent un organite complexe qui peut être attaché à la couche de peptidoglycane et à la membrane interne par des liaisons protéiques covalentes et non covalentes. L’assemblage de la membrane externe et son lien avec le peptidoglycane et le cytoplasme crée un espace entre la membrane interne et la membrane externe, qui est le périplasme.

Malgré les fonctions importantes contenues dans l’espace périplasmique, il y a eu pendant de nombreuses années un débat sur la distance ou la taille intermembranaire de ce compartiment et sur l’uniformité de l’espacement entre les membranes interne et externe dans toute la cellule. On s’inquiétait du fait que bon nombre des visualisations de cet espace comme étant d’une taille spécifique étaient des artefacts de fixation pour l’imagerie par microscopie électronique et que, en fait, l’espace n’était en fait qu’un espace potentiel. Les premières études au microscope électronique de Bayer ont démontré des adhérences entre la membrane externe et la membrane interne qui oblitéraient une partie de ces espaces; il a suggéré que les points d’adhésion étaient des zones où le principal lipide de la foliole externe, le LPS, était délivré à la membrane externe à partir de son site de synthèse au niveau de la membrane interne. Cependant, son travail a ensuite été discrédité comme étant dérivé de l’observation d’artefacts de fixation potentiels, bien que de nombreux experts pensent aujourd’hui qu’il peut y avoir de véritables adhérences à base de protéines entre les membranes car certains systèmes d’efflux et de transport ne contiennent pas de composants de dimensions suffisantes pour couvrir l’espace visualisé. La présence de zones spécifiques dans lesquelles les membranes sont rapprochées expliquerait comment certaines de ces pompes de transport et d’évacuation de cassettes de liaison à l’ATP (ABC) pourraient fonctionner; ces systèmes ont des composants protéiques périplasmiques essentiels à l’efflux, au LPS ou à d’autres transports de glycolipides, mais n’ont pas de taille intrinsèque ou de nature polymérique suffisamment grande pour atteindre la membrane externe et fournir ainsi un mécanisme pour favoriser le transport. De plus, le périplasme contient de nombreux autres composants qui nécessitent au moins un certain volume pour l’espace périplasmique, en particulier la couche polymère de peptidoglycane entourant la cellule. À l’heure actuelle, on ne sait pas comment ces transporteurs contournent ce polymère et la largeur du périplasme pour entrer en contact avec la membrane, bien que des travaux récents démontrant que les lipoprotéines de la membrane externe peuvent coordonner la synthèse du peptidoglycane par contact direct indiquent qu’au moins certaines protéines peuvent traverser les pores du peptidoglycane pour accomplir des fonctions importantes

En revanche, une variété d’organites, y compris le flagelle et le complexe d’aiguilles du système de sécrétion de type III associé à la virulence, nécessitent l’assemblage de polymères dans le périplasme qui s’étendent sur les deux membranes. Dans le cas du flagelle, sa tige ou son arbre d’entraînement s’étend sur le périplasme et sa longueur est déterminée par le polymère en contact avec la membrane externe. Des travaux récents et élégants du groupe de Kelly Hughes ont montré que la taille du périplasme, ou la distance entre les deux membranes, est contrôlée en grande partie chez les bactéries entériques par une lipoprotéine spécifique appelée lipoprotéine de Braun (ou Lpp), qui relie de manière covalente la membrane externe à la couche de peptidoglycane. Ceci est tout à fait remarquable car la Lpp est la protéine la plus abondante présente dans les bactéries entériques, décrite par Braun il y a 48 ans, et jusqu’à présent aucune fonction spécifique ne lui avait été attribuée. Cette protéine alpha-hélicoïdale est insérée par son ancrage lipidique dans le feuillet interne de la membrane externe et liée de manière covalente au polymère peptidoglycanique par une famille de transpeptidases. L’allongement de ces lipoprotéines qui permettent l’expansion du périplasme entraîne une tige flagellaire plus longue et un comportement de nage plus efficace. Ces auteurs ont interprété ce résultat comme indiquant qu’il devait y avoir d’autres fonctions évolutivement sélectionnées qui limitaient la taille périplasmique, forçant une réduction de l’efficacité de la nage. Dans ce numéro de PLOS Biology, l’une de ces fonctions importantes est révélée: une fonction de signalisation des dommages de l’enveloppe contrôlée par une autre lipoprotéine de la membrane externe, Régulateur de la synthèse de la capsule F (RcsF), qui détecte le désordre ou l’endommagement de l’enveloppe.

Les bactéries à Gram négatif ont une variété de fonctions importantes qui détectent les dommages à la membrane et les composés toxiques, tels que les peptides antimicrobiens, qui endommagent la membrane externe. Ces systèmes de détection comprennent ceux qui permettent au remodelage de la surface bactérienne d’être plus résistant aux composés toxiques — analogues aux vaisseaux spatiaux dynamisant leurs boucliers dans les histoires de science-fiction. Certains de ces systèmes de détection sont des récepteurs qui fonctionnent comme des kinases capteurs avec des domaines dans le périplasme pour détecter des molécules spécifiques ou des dommages. Cependant, l’un des systèmes de kinases à capteurs les plus uniques, appelé système Rcs — qui, lors d’une lésion membranaire, active la synthèse de polysaccharides extracellulaires pour assurer une protection cellulaire et la formation de biofilms — a une lipoprotéine RcsF de la membrane externe, qui interagit avec des protéines de signalisation avec des domaines périplasmiques spécifiques sur les dommages à l’enveloppe et le stress peptidoglycanique pour activer la synthèse de la production de polysaccharides extracellulaires et d’autres voies d’adaptation liées au stress. Ainsi, les dommages à l’enveloppe amènent d’une certaine manière la lipoprotéine RcsF à une plus grande proximité du système de détection de la membrane interne, et donc elle a évolué pour détecter un trouble dans la membrane externe et / ou le peptidoglycane (Figure 2). Dans ce numéro de PLOS Biology, les auteurs démontrent de manière concluante que cette détection nécessite que le périplasme soit d’une taille spécifique car les mutations qui allongent l’ancrage des lipoprotéines Lpp très abondantes de la membrane externe au peptidoglycane (entraînant une augmentation de la taille du périplasme) ont aboli la signalisation à moins que la lipoprotéine de détection (qui lors d’une lésion membranaire doit atteindre le capteur membranaire interne) ne soit également allongée. Ce travail montre également clairement un ordre et une taille très spécifiques au périplasme; la taille du périplasme est clairement vue telle qu’elle existe en association avec les changements d’ancrage ou de longueur des lipoprotéines par cryo-microscopie électronique. Cette technologie et la tomographie électronique utilisées dans les travaux du groupe de Hughes sur le rotor flagellaire révolutionnent notre vision de l’enveloppe cellulaire bactérienne et des complexes protéiques qui s’étendent sur le périplasme pour remplir des fonctions importantes.

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Fig 2. La signalisation RcsF est modifiée par un changement de taille de l’espace périplasmique.

Le capteur de lipoprotéines de la membrane externe RcsF doit contacter ses partenaires de signalisation de la membrane interne pour activer la détection. Cette détection nécessite une distance périplasmique spécifique car l’allongement des liaisons Lpp au peptidoglycane augmente la distance du périplasme, et à moins que le RcsF ne soit allongé, la signalisation ne peut plus se produire. Dans le panneau A: l’état dans lequel RcsF n’active pas la signalisation car aucun trouble de l’enveloppe n’est en cours. Dans le panneau B: le désordre de l’enveloppe entraîne des interactions physiques du RcsF avec le système de détection de la membrane interne, et le régulateur Rcs est activé. Dans le panneau C, dans lequel Lpp a été allongé et la distance intermembranaire périplasmique allongée, le régulateur Rcs ne peut pas être activé malgré un trouble de l’enveloppe. Dans le panneau D: le défaut du Lpp long est corrigé en allongeant le RcsF. IM, membrane interne; Lpp, lipoprotéine de Braun; OM, membrane externe; PG, peptidoglycane; RcsF, Régulateur de la synthèse de la capsule F.

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

Bien que ces études récentes aient défini le Lpp comme une règle moléculaire spécifique entre la membrane externe et le peptidoglycane, on ignore ce qui régule la distance entre la membrane interne et le peptidoglycane et ce qui contrôle la polymérisation ou la dégradation du polymère du peptidoglycane afin qu’il n’obstrue pas complètement les protéines qui couvrent le périplasme. La définition de ces mystères et d’autres de l’enveloppe cellulaire pourrait conduire à d’importantes avancées pratiques en plus de satisfaire notre volonté scientifique de résoudre les mystères de l’enveloppe cellulaire bactérienne à gram négatif. Cette enveloppe est un tamis moléculaire remarquablement efficace et évolutivement avancé qui rend le développement d’antibiotiques contre ces organismes beaucoup plus difficile que pour les bactéries à gram positif, qui n’ont pas la membrane et le périplasme supplémentaires.

Une connaissance accrue de l’enveloppe cellulaire à gram négatif est également essentielle pour comprendre les mécanismes de résistance aux antibiotiques, car bon nombre de nos antibiotiques les plus efficaces, y compris les antibiotiques bêta-lactamines (qui ciblent le peptidoglycane et pénètrent par les porines), ciblent l’enveloppe cellulaire. Les bactéries à Gram négatif et les organismes multirésistants continuent d’évoluer grâce à des mutations de l’enveloppe et à l’acquisition de nouvelles enzymes périplasmiques. Il y a un manque de nouveaux antibiotiques pour les bactéries à gram négatif dans le pipeline en raison de la difficulté de franchir la barrière unique fournie par la membrane externe et le périplasme. A cet égard, les antibiotiques à cibles périplasmiques ont un avantage sur ceux confrontés aux difficultés de pénétration de la membrane interne et d’éviter un efflux important. Il est intéressant de spéculer que le ciblage de fonctions périplasmiques essentielles qui nécessitent un périplasme de taille spécifique et de capacité à accueillir différentes fonctions pourrait offrir de nouveaux objectifs importants pour le développement d’antibiotiques. Des études récentes ont découvert de nouvelles fonctions de base de l’enveloppe gram-négative grâce à la génétique bactérienne, à la biologie structurale et à des techniques morphologiques avancées. Malgré des décennies d’études, il reste beaucoup à apprendre sur l’enveloppe cellulaire bactérienne à gram négatif. La découverte d’autres mystères dans ce domaine devrait conduire à une nouvelle génération de cibles pour le développement d’antibiotiques afin de nous garder une longueur d’avance dans la course aux armements avec les bactéries gram négatives résistantes aux antibiotiques.