Gram-negative bakterier, som energi organeller av planter og dyr (kloroplast og mitokondrier), har to membran bilayers kalt ytre og indre membraner. Avstanden mellom disse to membranene kalles periplasma. Langt før encellede eukaryoter utviklet periplasmen seg som det første ekstrakytoplasmatiske rommet for å gi en viktig konkurransedyktig tilpasning til gram-negative bakterier. Tidlig kunnskap og oppdagelsen av periplasma utviklet seg selv før den morfologiske visualiseringen. På 1960-tallet forsøkte forskere å forstå hvordan giftige enzymer involvert i nedbrytning av viktige biologiske molekyler, som ribonukleaser og fosfataser produsert av gram-negative bakterier Escherichia coli, ikke var giftige for cellen. Biokjemiske ekstraksjonsmetoder foreslo et eget rom, fordi slik ekstraksjon bevarte den indre membranbundne cytoplasma, og disse sfæroplastene kunne vokse igjen og syntetisere flere enzymer . Utviklingen av elektronmikroskopi førte til visualisering av de to membranbilagene adskilt av periplasmen .den ekstra membranen tillater dannelsen av periplasma som et separat cellulært rom hvis nye funksjoner sannsynligvis ga en betydelig og kanskje enda viktigere selektiv fordel enn toksinutelukkelse (Tabell 1). Disse nye funksjonene inkluderer proteintransport, folding, oksidasjon og kvalitetskontroll som ligner på eukaryotisk celle endoplasmatisk retikulum. Periplasma tillater også sekvestrering av enzymer som kan være giftige i cytoplasma, viktige signalfunksjoner og celledeling regulering. I tillegg bidrar det til cellens evne til å motstå turgor-trykk ved å gi strukturelle systemer som fungerer sammen med ytre membran, for eksempel peptidoglykan og lipoproteiner, multidrug efflux-systemer og spesifikke oppløsninger som bidrar til Et Donnan eller ionisk potensial over den ytre membranen. Periplasmen inneholder også monteringsplattformene involvert i sekresjon av unikt strukturerte beta-fatproteiner, lipoproteiner og glycerolfosfolipider til ytre membran (Fig 1).

Vist er det asymmetriske dobbeltlaget av lipopolysakkarid og glycerolfosfolipider som utgjør den ytre membranen. Den indre membranen er et symmetrisk dobbeltlag av glycerolfosfolipider. Det periplasmiske rommet er området mellom disse membranene som inneholder en rekke enzymer og funksjoner, inkludert oksidasjon og kvalitetskontroll av proteiner. Også innenfor det periplasmiske rommet er et lag av tverrbundne sukkerarter og aminosyrer kalt peptidoglykan, som omgir cellen. Peptidoglykanen er knyttet til den ytre membranen i enteriske bakterier gjennom kovalente transpeptidasebindinger mellom en rikelig ytre membran lipoprotein Lpp. En rekke sensorer sitter i den indre membranen med periplasmiske domener som senserer miljøendringer og, i Tilfelle Av Rcs-systemet, en endring i plasseringen Av rcsf ytre membran lipoprotein. Multikomponent proteinkomplekser som flagellarmaskinen spenner over de to membranene. IM, indre membran; Lpp, Brauns lipoprotein; LPS, lipopolysakkarid; RcsF, Regulator av kapselsyntese F.

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

den ytre membranen er en unik organell koblet til andre deler av cellehylsen via periplasma. Gram-positive bakterier mangler en ytre membran, men har en mer omfattende peptidoglykanpolymer som beskytter overflaten. I motsetning til den bakterielle indre membranen—som er et dobbeltlag av glycerolfosfolipider som ligner på de fleste pattedyrsmembraner, og som har spesifikk strømning preget av lateral diffusjon-har den ytre membranen begrenset strømning . Det er et unikt dobbeltlag, med den indre brosjyren som har et typisk glycerolfosfolipidinnhold av fosfotidyletanolamin, fosfatidylglycerol og kardiolipin og den ytre brosjyren består i stor grad av et unikt glykolipid, lipopolysakkarid (lps) . LPS-fosfatene gir en negativ ladning til overflaten, og et spesifikt donnan-potensial opprettes over den ytre membranen i periplasmen . Den ytre membranen fungerer som en selektiv barriere som tillater transport av verdifulle næringsstoffer, samtidig som den gir en barriere mot giftige forbindelser, som kationiske antimikrobielle forbindelser produsert av alle organismer, inkludert mange gram-positive bakterier . En annen komponent i denne barrieren er ytre membranproteiner med en unik beta-fatstruktur som settes inn i ytre membran gjennom et spesifikt periplasmisk chaperonsystem . Disse proteinene samles inn i den ytre membranen som spesifikk puncta, noe som indikerer at den ytre membranen sannsynligvis samles inn i spesifikke diskrete flekker som inneholder protein og det unike asymmetriske lipid-dobbeltlaget . Inkludert blant disse ytre membranproteinene er porinene, som kan fungere som selektive kanaler som tillater hydrofile substrater av en bestemt størrelse inngang til periplasma. Heldigvis for mennesker transporterer disse porinene hydrofile beta-laktamantibiotika, noe som gjør at de kan trenge inn i periplasma, hvor de retter seg mot syntesen av det viktige strukturelle elementet i cellevegget-det polymere peptidoglykan. Den ytre membranen i noen bakterier er forankret til peptidoglykanpolymeren gjennom rikelig lipoproteiner, som settes inn i den indre brosjyren til den ytre membranen gjennom spesifikke sekresjonssystemer . En rekke viktige proteinkomplekser fungerer som nanomaskiner og utnytter ATP-hydrolyse for å utskille makromolekyler eller slå en motilitetsorganelle kalt flagella . Derfor er den ytre membranen og den indre membranen også forbundet over periplasmen ved membranspennende proteinkomplekser. Derfor består den ytre membranen av tydelig monterte flekker som utgjør en kompleks organell som kan festes til peptidoglykanlaget og den indre membranen gjennom kovalente og ikke-kovalente proteinbindinger. Samlingen av den ytre membranen og dens kobling til peptidoglykan og cytoplasma skaper et mellomrom mellom den indre membranen og den ytre membranen, som er periplasma.

Til Tross for de viktige funksjonene som finnes i det periplasmiske rommet, har det i mange år vært debatt om intermembranavstanden eller størrelsen på dette rommet og om det er ensartet avstand mellom indre og ytre membraner gjennom hele cellen. Det var bekymring for at mange av visualiseringene av dette rommet som en bestemt størrelse var gjenstander av fiksering for bildebehandling ved elektronmikroskopi, og at rommet faktisk bare var et potensielt rom. De tidlige elektronmikroskopiske studiene av Bayer viste adhesjoner mellom ytre og indre membran som utslettet en del av disse mellomrom; han foreslo at adhesjonspunkter var områder hvor den store ytre brosjyren lipid, LPS, ble levert til den ytre membranen fra syntesestedet ved den indre membranen . Imidlertid ble hans arbeid senere diskreditert som avledet fra observasjon av potensielle fikseringsartefakter, selv om mange eksperter i dag tror at det kan være ekte proteinbaserte adhesjoner mellom membranene fordi noen efflux – og transportsystemer ikke inneholder komponenter av tilstrekkelige dimensjoner for å spenne det visualiserte rommet. Tilstedeværelsen av spesifikke områder der membranene er tett sammen, ville forklare hvordan noen AV DISSE ATP-bindende kassett – og effluxpumpene kunne fungere; disse systemene har periplasmiske proteinkomponenter som er essensielle for efflux, LPS eller annen glykolipidtransport, men mangler en egen størrelse eller polymer natur som er stor nok til å nå den ytre membranen og dermed gi en mekanisme for å fremme transport. Videre inneholder periplasma mange andre komponenter som nødvendiggjør minst noe volum for det periplasmiske rommet, mest fremtredende peptidoglykanpolymerlaget som omgir cellen. For tiden er det uklart hvordan disse transportørene kommer seg rundt denne polymeren og bredden av periplasmen for å kontakte membranen, men nylig arbeid som viser at ytre membranlipoproteiner kan koordinere peptidoglykansyntese gjennom direkte kontakt indikerer at i det minste noen proteiner kan passe gjennom porene i peptidoglykan for å oppnå viktige funksjoner

I kontrast krever en rekke organeller, inkludert flagellum OG virulensassosiert type III sekresjonssystem nålkompleks, montering av polymerer i periplasmen som spenner over de to membranene. I tilfelle av flagellumet spenner stangen eller drivakslen over periplasma, og lengden bestemmes av polymeren som kontakter den ytre membranen. Elegant nylig arbeid Av Gruppen Kelly Hughes har vist at størrelsen på periplasma, eller avstanden mellom de to membranene, styres i stor grad i enteriske bakterier av Et spesifikt lipoprotein kalt Brauns lipoprotein (Eller Lpp), som kovalent forbinder den ytre membranen til peptidoglykanlaget . Dette er ganske bemerkelsesverdig fordi Lpp er det mest omfattende proteinet som finnes i enteriske bakterier, beskrevet Av Braun for 48 år siden, og til dette punktet hadde ingen spesifikk funksjon blitt tilskrevet den. Dette alfa-spiralformede proteinet settes inn gjennom sitt lipidanker i den indre brosjyren til den ytre membranen og kovalent knyttet til peptidoglykanpolymeren av en familie av transpeptidaser . Forlengelse av disse lipoproteiner som tillater utvidelse av periplasma fører til en lengre flagellar stang og mer effektiv svømming atferd. Disse forfatterne tolket dette resultatet som indikerer at det må være andre evolusjonært utvalgte funksjoner som begrenset periplasmisk størrelse, og tvang en reduksjon i svømmeeffektiviteten. I denne utgaven AV Plos Biologi, er en av de viktige funksjoner avslørt: en signalfunksjon konvolutt skade kontrollert av en annen ytre membran lipoprotein, Regulator av kapsel syntese F (RcsF), som sanser lidelse eller skade på konvolutten.Gram-negative bakterier har en rekke viktige funksjoner som fornemmer membranskader og giftige forbindelser, som antimikrobielle peptider, som skader den ytre membranen . Disse sensorsystemene inkluderer de som tillater remodeling av bakterieoverflaten å være mer motstandsdyktig mot giftige forbindelser-analogt med romskip som energiserer skjoldene sine i science fiction-historier . Noen av disse sensorsystemene er reseptorer som fungerer som sensorkinaser med domener i periplasma for å fornemme bestemte molekyler eller skader. Imidlertid har et av de mer unike sensorkinasesystemene, kalt Rcs—systemet—som på membranskader aktiverer syntese av ekstracellulær polysakkarid for å gi cellulær beskyttelse og biofilmdannelse-en ytre membran lipoprotein RcsF, som interagerer med signalproteiner med spesifikke periplasmiske domener på konvoluttskader og peptidoglykanspenning for å aktivere syntesen av ekstracellulær polysakkaridproduksjon og andre stressrelaterte håndteringsveier . Således bringer konvoluttskader på en eller annen måte rcsf lipoproteinet i større nærhet til det indre membranfølersystemet, og dermed utviklet det seg til å fornemme uorden i ytre membran og / eller peptidoglykan (Figur 2). I denne utgaven AV PLOS Biologi, forfatterne entydig viser at denne sensing krever periplasm å være en bestemt størrelse fordi mutasjoner som forlenger den svært rikelig lpp lipoprotein anker fra den ytre membran til peptidoglykan (som resulterer i en økt størrelse av periplasm) avskaffet signalering med mindre sensing lipoprotein (som på membranskader må nå til den indre membran sensor) er også forlenget . Dette arbeidet viser også tydelig en veldig spesifikk rekkefølge og størrelse til periplasma; størrelsen på periplasmen er tydelig sett som den eksisterer i forbindelse med endringene i lipoproteinforankring eller lengde ved kryo-elektronmikroskopi. Denne teknologien og elektrontomografien som brukes I Hughes-gruppens arbeid i forhold til flagellarrotoren, revolusjonerer vårt syn på bakteriecellehylsen og proteinkompleksene som spenner over periplasmen for å utføre viktige funksjoner .

Last ned:

• PowerPoint lysbilde
• større bilde
• originalbilde

RcsF ytre membran lipoprotein sensor må kontakte sine indre membran signal partnere for å aktivere sensing. Denne sensingen krever en spesifikk periplasmisk avstand fordi forlengelse Av lpp-koblingene til peptidoglykan øker avstanden til periplasmen, og med Mindre RcsF forlenges, kan signalering ikke lenger forekomme. I panel A: staten Der RcsF ikke aktiverer signalering fordi ingen konvoluttforstyrrelse pågår. I panel B: konvoluttforstyrrelse fører Til rcsf fysiske interaksjoner med det indre membranfølersystemet, Og Rcs regulon aktiveres. I panel C, Hvor Lpp er forlenget og periplasmisk intermembranavstand forlenget, Kan Rcs regulon ikke aktiveres til tross for konvoluttforstyrrelse. I panel D: feilen på den lange Lpp korrigeres ved å forlenge RcsF. IM, indre membran; Lpp, Brauns lipoprotein; om, ytre membran; PG, peptidoglykan; RcsF, Regulator for kapselsyntese F.

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

Selv om disse nyere studier har definert Lpp som en spesifikk molekylær linjal mellom den ytre membran og peptidoglykan, er det ukjent hva som regulerer avstanden mellom den indre membran og peptidoglykan og hva som styrer polymerisering eller nedbrytning av peptidoglykan polymer slik at det ikke helt hindrer proteiner som spenner over periplasma. Definere disse og andre mysterier i cellekuvertet kan føre til viktige praktiske fremskritt i tillegg til å tilfredsstille vår vitenskapelige stasjon for å løse mysteriene til den gram-negative bakterielle cellekuvertet. Denne konvolutten er en bemerkelsesverdig effektiv og evolusjonært avansert molekylær sil som gjør utviklingen av antibiotika mot disse organismene mye vanskeligere enn for gram-positive bakterier, som mangler ekstra membran og periplasma.Økt kunnskap om gram-negativ cellehylse er også kritisk for å forstå mekanismene for antibiotikaresistens fordi mange av våre mest vellykkede antibiotika, inkludert beta-laktamantibiotika (som retter seg mot peptidoglykan og går inn gjennom porinene), retter seg mot cellehylsen. Gram-negative bakterier og multiresistente organismer fortsetter å utvikle seg gjennom konvoluttmutasjoner og oppkjøp av nye periplasmiske enzymer. Det er mangel på nye antibiotika for gram-negative bakterier i rørledningen på grunn av vanskeligheten med å bryte den unike barrieren fra ytre membran og periplasma. I denne forbindelse har antibiotika med periplasmiske mål en fordel i forhold til de som står overfor vanskeligheter med å trenge inn i den indre membranen og unngå signifikant efflux. Det er interessant å spekulere på at målretting av essensielle periplasmiske funksjoner som krever en periplasma av spesifikk størrelse og evne til å imøtekomme ulike funksjoner, kan gi viktige nye mål for antibiotikautvikling. Nyere studier har avdekket nye grunnleggende funksjoner av gram-negative konvolutten gjennom bakteriell genetikk, strukturbiologi, og avanserte morfologiske teknikker. Til tross for flere tiår med studier, gjenstår mye å bli lært om den gram-negative bakterielle cellekuvertet. Å avdekke andre mysterier på dette området bør føre til en ny generasjon mål for utvikling av antibiotika for å holde oss ett skritt foran i våpenkappløpet med antibiotikaresistente gram-negative bakterier.