Pobierz:

• PowerPoint slide
• Powiększ obrazek
• Oryginalny obrazek

Rys. 1. Architektura gram-ujemnej otoczki komórek bakteryjnych.

pokazano asymetryczną dwuwarstwę lipopolisacharydów i glicerolofosfolipidów tworzących błonę zewnętrzną. Błona wewnętrzna jest symetryczną dwuwarstwą glicerolofosfolipidów. Przestrzeń peryplazmiczna to obszar między tymi błonami, który zawiera wiele enzymów i funkcji, w tym utlenianie i kontrolę jakości białek. Również w przestrzeni peryplazmicznej znajduje się warstwa usieciowanych cukrów i aminokwasów zwanych peptydoglikanem, która otacza komórkę. Peptydoglikan jest połączony z błoną zewnętrzną u bakterii jelitowych poprzez wiązania kowalencyjne transpeptydazy pomiędzy obfitymi błonami zewnętrznymi lipoprotein Lpp. W membranie wewnętrznej znajdują się różne czujniki z domenami peryplazmicznymi, wykrywające zmiany środowiskowe, a w przypadku systemu Rcs-zmianę położenia lipoproteiny zewnętrznej membrany rcsf. Wieloskładnikowe kompleksy białkowe, takie jak maszyna flagellarna, obejmują dwie błony. IM, membrana wewnętrzna; Lpp, lipoproteina Brauna; LPS, lipopolisacharyd; RcsF, Regulator syntezy kapsułek F.

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

błona zewnętrzna jest unikalną organellą połączoną z innymi częściami otoczki komórkowej przez peryplazmę. Bakterie Gram-dodatnie nie mają zewnętrznej błony, ale mają bardziej rozbudowany polimer peptydoglikanowy chroniący ich powierzchnię. W przeciwieństwie do bakteryjnej błony wewnętrznej-która jest dwuwarstwą glicerolofosfolipidów podobną do większości błon ssaków i która ma specyficzny przepływ charakteryzujący się boczną dyfuzją-błona zewnętrzna ma ograniczony przepływ . Jest to unikalna dwuwarstwowa, z wewnętrzną ulotką o typowej zawartości glicerolofosfolipidu fosfotydyloetanoloaminy, fosfatydyloglicerolu i kardiolipiny, a zewnętrzną ulotką w dużej mierze złożoną z unikalnego glikolipidu, lipopolisacharydu (LPS) . Fosforany LPS przenoszą ładunek ujemny na powierzchnię, a przez błonę zewnętrzną do peryplazmy powstaje specyficzny potencjał Donnana . Błona zewnętrzna działa jako selektywna bariera, która umożliwia transport cennych składników odżywczych, zapewniając jednocześnie barierę przed związkami toksycznymi, takimi jak kationowe związki przeciwdrobnoustrojowe wytwarzane przez wszystkie organizmy, w tym wiele bakterii gram-dodatnich . Innym składnikiem tej bariery są białka błony zewnętrznej o unikalnej strukturze Beta-beczkowej, które są wprowadzane do błony zewnętrznej poprzez specyficzny system peryplazmatyczny. Białka te gromadzą się w błonie zewnętrznej jako swoiste puncta, co wskazuje, że błona zewnętrzna prawdopodobnie gromadzi się w specyficzne, dyskretne plastry zawierające białko i unikalną asymetryczną dwuwarstwę lipidową . Wśród tych zewnętrznych białek błonowych są poryny, które mogą działać jako selektywne kanały, które umożliwiają hydrofilowe substraty o określonej wielkości wejście do peryplazmy. Na szczęście dla ludzi, poryny te transportują hydrofilowe antybiotyki beta-laktamowe, co umożliwia ich przenikanie do peryplazmy, gdzie kierują się syntezą ważnego elementu strukturalnego ściany komórkowej-polimerowego peptydoglikanu. Błona zewnętrzna u niektórych bakterii jest zakotwiczona w polimerze peptydoglikanowym poprzez obfite lipoproteiny, które są wprowadzane do wewnętrznej ulotki zewnętrznej błony poprzez specyficzne systemy wydzielania . Wiele ważnych kompleksów białkowych funkcjonuje jako nanomachiny i wykorzystuje hydrolizę ATP do wydzielania makrocząsteczek lub obracania organelli ruchliwości określanej jako wić . W związku z tym błona zewnętrzna i błona wewnętrzna są również połączone przez peryplazmę za pomocą kompleksów białkowych obejmujących błonę. W związku z tym błona zewnętrzna składa się z wyraźnie zmontowanych plastrów, które zawierają złożone organelle, które mogą być przyłączone do warstwy peptydoglikanu i błony wewnętrznej poprzez kowalencyjne i niekowalencyjne wiązania białkowe. Połączenie błony zewnętrznej i jej połączenie z peptydoglikanem i cytoplazmą tworzy przestrzeń między błoną wewnętrzną a błoną zewnętrzną, która jest peryplazmą.

pomimo ważnych funkcji zawartych w przestrzeni peryplazmicznej, od wielu lat toczy się debata na temat odległości międzyczłonowej lub wielkości tego przedziału i czy istnieje jednolitość odstępów między błoną wewnętrzną i zewnętrzną w całej komórce. Pojawiły się obawy, że wiele wizualizacji tej przestrzeni jako określonej wielkości było artefaktami fiksacji do obrazowania za pomocą mikroskopu elektronowego i że w rzeczywistości przestrzeń ta była tylko przestrzenią potencjalną. Wczesne mikroskopowe badania elektronowe Bayera wykazały zrosty między zewnętrzną i wewnętrzną błoną, które zatarły część tych przestrzeni; zasugerował, że punkty adhezji były obszarami, w których główny zewnętrzny lipid ulotkowy, LPS, był dostarczany do zewnętrznej błony z jej miejsca syntezy na wewnętrznej błonie . Jednak jego prace zostały później zdyskredytowane jako pochodzące z obserwacji potencjalnych artefaktów fiksacji, chociaż wielu ekspertów uważa dziś, że mogą istnieć prawdziwe zrosty oparte na białkach między membranami, ponieważ niektóre systemy wypływu i transportu nie zawierają składników o wystarczających wymiarach, aby objąć wizualizowaną przestrzeń. Obecność specyficznych obszarów, w których membrany znajdują się blisko siebie, wyjaśniałaby, w jaki sposób mogą działać niektóre z tych pompek transportujących i odprowadzających ATP-binding cassette (ABC) ; systemy te mają peryplazmiczne składniki białkowe, które są niezbędne do transportu eflux, LPS lub innych glikolipidów, ale nie mają wewnętrznego rozmiaru lub polimerowego charakteru wystarczająco dużego, aby dotrzeć do zewnętrznej błony, a tym samym zapewnić mechanizm wspomagający transport. Ponadto periplazma zawiera wiele innych składników, które wymagają co najmniej pewnej objętości przestrzeni peryplazmicznej, w szczególności polimerowej warstwy peptydoglikanowej otaczającej komórkę. Obecnie nie jest jasne, w jaki sposób te transportery poruszają się wokół tego polimeru i szerokość peryplazmy, aby skontaktować się z błoną, chociaż ostatnie prace wykazujące, że lipoproteiny z zewnętrznej błony mogą koordynować syntezę peptydoglikanów poprzez bezpośredni kontakt, wskazują, że przynajmniej niektóre białka mogą pasować przez pory w peptydoglikanie, aby osiągnąć ważne funkcje

w przeciwieństwie do tego, wiele organelli, w tym wici i kompleksu igłowego systemu wydzielania wirulencji typu III, wymagają montażu polimerów w obrębie peryplazmy, które obejmują dwie błony. W przypadku wici, jej pręt lub wał napędowy rozciąga się przez peryplazm, a jego długość jest określona przez polimer kontaktujący się z zewnętrzną membraną. Ostatnie prace grupy Kelly Hughes wykazały, że wielkość peryplazmy lub odległość między dwiema błonami jest kontrolowana w dużej mierze w bakteriach jelitowych przez specyficzną lipoproteinę określaną lipoproteiną Brauna (lub Lpp), która kowalencyjnie łączy zewnętrzną błonę z warstwą peptydoglikanu . Jest to dość niezwykłe, ponieważ Lpp jest najbardziej obfitym białkiem obecnym w bakteriach jelitowych, opisanym przez Brauna 48 lat temu i do tego momentu nie przypisano mu żadnej konkretnej funkcji. To białko Alfa-spiralne jest wprowadzane przez kotwicę lipidową do wewnętrznej ulotki zewnętrznej błony i kowalencyjnie połączone z polimerem peptydoglikanowym przez rodzinę transpeptydaz . Wydłużenie tych lipoprotein, które umożliwiają rozszerzenie peryplazmy, prowadzi do dłuższego pręta flagellar i bardziej efektywnego zachowania pływackiego. Autorzy Ci zinterpretowali ten wynik jako wskazujący, że muszą istnieć inne ewolucyjnie wybrane funkcje, które ograniczają rozmiar peryplazmiczny, wymuszając zmniejszenie wydajności pływania. W tym wydaniu PLOS Biology ujawnia się jedna z tych ważnych funkcji: funkcja sygnalizacyjna uszkodzenia otoczki kontrolowana przez inną zewnętrzną lipoproteinę błonową, Regulator syntezy kapsułek F (RcsF), która wyczuwa zaburzenia lub uszkodzenie otoczki.

bakterie Gram-ujemne mają wiele ważnych funkcji, które wyczuwają uszkodzenie błony i toksyczne związki, takie jak peptydy przeciwdrobnoustrojowe, które uszkadzają błonę zewnętrzną . Te systemy wykrywania obejmują te, które umożliwiają przebudowę powierzchni bakterii, aby była bardziej odporna na toksyczne związki—analogicznie do statków kosmicznych zasilających swoje tarcze w opowiadaniach science fiction . Niektóre z tych systemów wykrywania są receptorami, które działają jako kinazy sensorowe z domenami w peryplazmie w celu wyczuwania określonych cząsteczek lub uszkodzeń. Jednak jeden z bardziej unikalnych systemów kinaz czujnikowych, zwany systemem Rcs-który na uszkodzenia błony aktywuje syntezę zewnątrzkomórkowego polisacharydu w celu zapewnienia ochrony komórkowej i tworzenia biofilmu – ma zewnętrzną lipoproteinę błonową rcsf, która współdziała z białkami sygnalizacyjnymi o określonych domenach peryplazmowych na uszkodzeniu otoczki i naprężeniu peptydoglikanowym, aby aktywować syntezę zewnątrzkomórkowej produkcji polisacharydów i innych związanych ze stresem szlaków radzenia sobie ze stresem . Tak więc, uszkodzenie obwiedni w jakiś sposób powoduje, że lipoproteina rcsf znajduje się w większej odległości od systemu wykrywania błony wewnętrznej, a zatem ewoluowała do wyczuwania zaburzeń w błonie zewnętrznej i/lub peptydoglikanie (Fig. W tym wydaniu PLoS Biology autorzy jednoznacznie wykazali, że to wykrywanie wymaga, aby peryplazma była określonej wielkości, ponieważ mutacje, które wydłużają bardzo obfite kotwice lipoprotein Lpp z zewnętrznej błony do peptydoglikanu (powodując zwiększenie rozmiaru peryplazmy), zniosły sygnalizację, chyba że wykrywająca lipoproteina (która na uszkodzeniu błony musi dotrzeć do wewnętrznego czujnika membrany) jest również Wydłużona . Praca ta wyraźnie pokazuje również bardzo specyficzny porządek i wielkość peryplazmy; wielkość peryplazmy jest wyraźnie widoczna, ponieważ istnieje w związku ze zmianami w kotwiczeniu lub długości lipoprotein za pomocą mikroskopii krioelektronowej. Ta technologia i tomografia elektronowa zastosowana w pracach grupy Hughes w odniesieniu do wirnika flagellarnego rewolucjonizują nasz widok na otoczkę komórek bakteryjnych i kompleksy białkowe, które obejmują peryplazmę, aby pełnić ważne funkcje .

Pobierz:

• PowerPoint slide
• większy obraz
• oryginalny obraz

Rys. 2. Sygnalizacja RcsF jest zmieniana przez zmianę wielkości przestrzeni peryplazmicznej.

Czujnik lipoprotein z zewnętrznej membrany rcsf musi skontaktować się ze swoimi partnerami sygnalizacyjnymi z wewnętrznej membrany, aby aktywować wykrywanie. Wykrywanie to wymaga określonej odległości peryplazmatycznej, ponieważ wydłużenie wiązań Lpp z peptydoglikanem zwiększa odległość peryplazmy, a jeśli rcsf nie zostanie wydłużony, sygnalizacja nie może już wystąpić. W panelu a: stan, w którym RcsF nie aktywuje sygnalizacji, ponieważ nie ma zaburzeń obwiedniowych. W panelu B: zaburzenie obwiedni prowadzi do fizycznych interakcji RcsF z wewnętrznym systemem wykrywania membrany, a regulon RCS jest aktywowany. W panelu C, w którym wydłużono Lpp i wydłużono peryplazmatyczną odległość międzybłonową, regulon Rcs nie może być aktywowany pomimo zaburzenia obwiedni. W panelu D: usterka długiego Lpp jest korygowana przez wydłużenie RcsF. IM, błona wewnętrzna; LPP, lipoproteina Brauna; OM, błona zewnętrzna; PG, peptydoglikan; RcsF, Regulator syntezy kapsułek F.

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

chociaż te ostatnie badania zdefiniowały Lpp jako swoistą linijkę molekularną między błoną zewnętrzną a peptydoglikanem, nie wiadomo, co reguluje odległość między błoną wewnętrzną a peptydoglikanem i co kontroluje polimeryzację lub degradację polimeru peptydoglikanu, aby nie blokował on w pełni białek rozciągających się na peryplazmę. Zdefiniowanie tych i innych tajemnic koperty komórkowej może prowadzić do ważnych postępów praktycznych, oprócz zaspokojenia naszego naukowego dążenia do rozwiązania tajemnic koperty komórkowej bakterii gram-ujemnych. Ta otoczka jest niezwykle wydajnym i ewolucyjnie zaawansowanym sitem molekularnym, które sprawia, że rozwój antybiotyków przeciwko tym organizmom jest znacznie trudniejszy niż w przypadku bakterii gram-dodatnich, którym brakuje dodatkowej błony i peryplazmy.

zwiększona wiedza o gram-ujemnej otoczce komórek jest również krytyczna dla zrozumienia mechanizmów oporności na antybiotyki, ponieważ wiele z naszych najbardziej skutecznych antybiotyków, w tym antybiotyki beta-laktamowe (które celują w peptydoglikan i przedostają się przez poryny), celują w otoczkę komórkową. Bakterie Gram-ujemne i organizmy oporne na wiele leków nadal ewoluują poprzez mutacje otoczkowe i pozyskiwanie nowych enzymów peryplazmatycznych. W rurociągu brakuje nowych antybiotyków dla bakterii gram-ujemnych z powodu trudności z przekroczeniem unikalnej bariery zapewnianej przez błonę zewnętrzną i peryplazmę. W tym względzie antybiotyki z celami peryplazmatycznymi mają przewagę nad tymi, które mają trudności z penetracją błony wewnętrznej i uniknięciem znaczącego wypływu. Interesujące jest spekulowanie, że ukierunkowanie na istotne funkcje peryplazmatyczne, które wymagają peryplazmy o określonej wielkości i zdolności do dostosowania się do różnych funkcji, może zaoferować ważne nowe cele w rozwoju antybiotyków. Ostatnie badania odkryły nowe podstawowe funkcje gram-ujemnej koperty poprzez genetykę bakterii, biologię strukturalną i zaawansowane techniki morfologiczne. Pomimo dziesięcioleci badań, wiele pozostaje do nauczenia się o gram-ujemnej otoczce komórek bakteryjnych. Odkrywanie innych tajemnic w tej dziedzinie powinno prowadzić do nowej generacji celów rozwoju antybiotyków, aby utrzymać nas o krok do przodu w wyścigu zbrojeń z odpornymi na antybiotyki bakteriami gram-ujemnymi.