het buitenmembraan is een unieke organel verbonden met andere delen van de celenvelop via het periplasma. De grampositieve bacteriën missen een buitenmembraan maar hebben een uitgebreider peptidoglycaanpolymeer dat hun oppervlakte beschermt. In tegenstelling tot het bacteriële binnenmembraan—dat een dubbellaag van glycerolfosfolipiden gelijkend op dat van de meeste zoogdiermembranen is en die specifieke stroom door laterale diffusie gekenmerkt heeft—heeft het buitenmembraan stroom beperkt . Het is een unieke dubbellaag, met de binnenblader die een typische glycerolfosfolipideinhoud van phosphotidylethanolamine, phosphatidylglycerol, en cardiolipin heeft en de buitenblader die grotendeels uit een unieke glycolipid, lipopolysaccharide (LPS) wordt samengesteld . De fosfaten van LPS verlenen een negatieve last aan de oppervlakte, en een specifiek Donnan potentieel wordt gecreeerd over het buitenmembraan in het periplasma . Het buitenmembraan functioneert als een selectieve barrière die het vervoer van waardevolle voedingsstoffen toestaat terwijl het verstrekken van een barrière tegen giftige samenstellingen, zoals kationische antimicrobial samenstellingen die door alle organismen, met inbegrip van vele gram-positieve bacteriën worden geproduceerd . Een andere component van deze barrière is buitenmembraanproteã nen met een unieke BÃ ta-vatstructuur die in het buitenmembraan door een specifiek periplasmic chaperonesysteem worden ingevoegd . Deze proteã nen assembleren in het buitenmembraan als specifieke puncta, die erop wijzen dat het buitenmembraan waarschijnlijk in specifieke discrete pleisters assembleert die proteã ne en de unieke asymmetrische lipide bilayer bevatten . Inbegrepen onder deze buitenmembraanproteã nen zijn porins, die als selectieve kanalen kunnen dienst doen die hydrofiele substraten van een specifieke grootteingang aan het periplasma toestaan. Gelukkig voor mensen transporteren deze porinen hydrofiele bèta-lactam antibiotica, waardoor ze in het periplasma kunnen doordringen, waar ze zich richten op de synthese van het belangrijke structurele element van de celwand—het polymere peptidoglycaan. Het buitenmembraan in sommige bacteriën is verankerd aan het peptidoglycaanpolymeer door overvloedige lipoproteins, die in de binnenblader van het buitenmembraan door specifieke secretiesystemen worden ingevoegd . Een verscheidenheid van belangrijke eiwitcomplexen functioneert als nanomachines en gebruikt ATP hydrolyse om macromoleculen af te scheiden of een motiliteitsorganelle genoemd flagella te draaien . Daarom worden het buitenmembraan en het binnenmembraan ook verbonden over het periplasma door membraan-overspannende eiwitcomplexen. Vandaar, is het buitenmembraan samengesteld uit duidelijk geassembleerde flarden die een complexe organelle omvatten die aan de peptidoglycanlaag en het binnenmembraan door covalente en noncovalent eiwitverbanden kan worden verbonden. De assemblage van het buitenmembraan en zijn verbinding met peptidoglycan en cytoplasma leidt tot een ruimte tussen het binnenmembraan en het buitenmembraan, dat het periplasma is.

ondanks de belangrijke functies binnen de periplasmische ruimte, is er jarenlang discussie geweest over de intermembrane afstand of grootte van dit compartiment en of er uniformiteit is in de afstand tussen de binnen-en buitenmembranen in de cel. Er was bezorgdheid dat veel van de visualisaties van deze ruimte als zijnde van een specifieke grootte artefacten van fixatie waren voor beeldvorming door elektronenmicroscopie en dat, in feite, de ruimte slechts een potentiële ruimte was. De vroege elektronenmicroscopische studies van Bayer toonden adhesie tussen het buiten-en binnenmembraan aan dat een deel van deze ruimten uitwiste; hij stelde voor dat de punten van adhesie gebieden waren waar het belangrijkste buitenbladlipide, LPS, aan het buitenmembraan van zijn plaats van synthese bij het binnenmembraan werd geleverd . Nochtans, werd zijn werk later in diskrediet gebracht aangezien van observatie van potentiële fixatieartefacten wordt afgeleid, hoewel vele deskundigen vandaag denken dat er echte op eiwit-gebaseerde adhesie tussen de membranen kan zijn omdat sommige efflux en vervoerssystemen geen componenten van voldoende afmetingen bevatten om de gevisualiseerde ruimte overspannen. De aanwezigheid van specifieke gebieden waar de membranen dicht bij elkaar liggen zou verklaren hoe sommige van deze ATP-bindende cassette (ABC) transport-en effluxpompen zouden kunnen werken; deze systemen hebben periplasmic eiwitcomponenten die essentieel zijn voor efflux, LPS, of ander glycolipidetransport maar missen een intrinsieke grootte of polymere aard groot genoeg om het buitenmembraan te bereiken en zo een mechanisme te verstrekken om vervoer te bevorderen. Voorts bevat het periplasma vele andere componenten die minstens één volume voor de periplasmic ruimte vereisen, het meest prominent de peptidoglycan polymere laag die de cel omringt. Op dit moment is het onduidelijk hoe deze transporters rond dit polymeer komen en hoe breed het periplasma in contact komt met het membraan, hoewel recent werk dat aantoont dat buitenmembraan lipoproteïnen de peptidoglycaansynthese kunnen coördineren door direct contact, erop wijst dat ten minste enkele eiwitten door poriën in peptidoglycaan kunnen passen om belangrijke functies

te vervullen.een verscheidenheid aan organellen, waaronder het flagellum en het virulentie-geassocieerde type III secretiesysteem naaldcomplex, vereisen daarentegen de assemblage van polymeren binnen het periplasma dat de twee membranen omspant. In het geval van het flagellum, de staaf of aandrijfas overspant het periplasma, en de lengte wordt bepaald door het polymeer contact met het buitenmembraan. Elegant recent werk van de groep Kelly Hughes heeft aangetoond dat de grootte van het periplasma, of de afstand tussen de twee membranen, grotendeels wordt gecontroleerd in enterische bacteriën door een specifiek lipoproteïne genoemd Braun ‘ s lipoproteïne (of Lpp), die covalent verbindt het buitenmembraan aan de peptidoglycaanlaag . Dit is vrij opmerkelijk omdat Lpp het overvloedigste proteã ne huidig in enterische bacteriën is, die door Braun 48 jaar geleden worden beschreven, en tot dit punt geen specifieke functie aan het was toegeschreven. Dit Alfa-spiraalvormige eiwit wordt door zijn lipideanker in de binnenste folder van het buitenmembraan ingebracht en covalent verbonden met het peptidoglycaanpolymeer door een familie van transpeptidasen . Het verlengen van deze lipoproteïnen die uitbreiding van het periplasma toestaan leidt tot een langere flagellaire staaf en efficiënter zwemgedrag. Deze auteurs interpreteerden dit resultaat als een indicatie dat er andere evolutionair geselecteerde functies moeten zijn die de periplasmische grootte beperken, waardoor een vermindering van de zwemefficiëntie wordt geforceerd. In deze kwestie van PLOS Biologie, wordt één van die belangrijke functies geopenbaard: een signalerende functie van envelopschade die door een andere buitenmembraan lipoprotein, Regelgever van capsulesynthese F (RcsF) wordt gecontroleerd, die wanorde of schade van de envelop waarneemt.

gramnegatieve bacteriën hebben een verscheidenheid aan belangrijke functies die membraanschade en toxische verbindingen, zoals antimicrobiële peptiden, waarnemen die het buitenmembraan beschadigen . Deze sensorsystemen omvatten die die het remodelleren van het bacteriële oppervlak toestaan om meer bestand te zijn tegen giftige samenstellingen—analoog aan ruimteschepen die hun schilden in science fictionverhalen activeren . Sommige van deze het ontdekken systemen zijn receptoren die als sensorkinasen met domeinen in het periplasma functioneren om specifieke molecules of schade te voelen. Echter, een van de meer unieke sensor kinase systemen, aangeduid als de Rcs-systeem—die op het membraan van de schade activeert de synthese van de extracellulaire polysaccharide te bieden cellulaire bescherming en biofilm vorming—heeft een buitenste membraan lipoproteïne RcsF, die samenwerkt met signalering eiwitten met specifieke periplasmatische domeinen op envelop van schade en peptidoglycan stress activeert de synthese van de extracellulaire polysaccharide productie en andere stress-gerelateerde omgaan trajecten . Aldus, brengt de envelopschade op één of andere manier rcsf lipoprotein in grotere nabijheid aan het binnenmembraan-ontdekkend systeem, en zo evolueerde het aan betekeningswanorde in het buitenmembraan en/of peptidoglycan (Fig 2). In dit nummer van PLOS Biology, demonstreren de auteurs overtuigend dat deze sensing vereist dat het periplasma een specifieke grootte omdat mutaties die het zeer overvloedige LPP lipoproteïne anker verlengen van het buitenmembraan naar het peptidoglycaan (resulterend in een verhoogde grootte van het periplasma) afgeschaft signalering tenzij de sensing lipoproteïne (die bij membraanschade moet bereiken om de binnenste membraansensor) ook wordt verlengd . Dit werk toont ook duidelijk een zeer specifieke volgorde en grootte aan het periplasma; de grootte van het periplasma wordt duidelijk gezien aangezien het in associatie met de veranderingen in lipoprotein het verankeren of lengte door cryo-elektronenmicroscopie bestaat. Deze technologie en elektronentomografie gebruikt in het werk van de Hughes group in relatie tot de flagellaire rotor zijn een revolutie in onze kijk op de bacteriële celenvelop en de eiwitcomplexen die het periplasma omspannen om belangrijke functies uit te voeren .

Download:

• PowerPoint slide
• grotere afbeelding
• originele afbeelding

Afb. 2. Het signaleren van RcsF wordt veranderd door een verandering in grootte van de periplasmic ruimte.

De rcsf buitenmembraan lipoproteïne sensor moet contact opnemen met de binnenmembraan signalerende partners om het ontdekken te activeren. Dit ontdekken vereist een specifieke periplasmic afstand omdat het verlengen van de LPP-verbindingen aan peptidoglycan de afstand van het periplasm verhoogt, en tenzij RcsF wordt verlengd, kan het signaleren niet meer voorkomen. In Paneel a: de toestand waarin RcsF niet het signaleren activeert omdat er geen envelopwanorde aan de gang is. In Paneel B: de envelopwanorde leidt tot rcsf fysieke interactie met het binnenmembraan-ontdekkende systeem, en RCS regulon wordt geactiveerd. In panel C, waarin Lpp is verlengd en de periplasmische intermembrane afstand is verlengd, kan de RCS regulon niet worden geactiveerd ondanks envelopwanorde. In Paneel D: het defect van de lange Lpp wordt gecorrigeerd door het verlengen van RcsF. IM, inner membraan; LPP, Braun ‘ s lipoprotein; om, outer membraan; PG, peptidoglycan; RcsF, Regulator van capsule synthese F.

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

hoewel in deze recente studies Lpp is gedefinieerd als een specifieke moleculaire heerser tussen het buitenmembraan en peptidoglycaan, is het niet bekend wat de afstand tussen het binnenmembraan en peptidoglycaan reguleert en wat de polymerisatie of afbraak van het peptidoglycaanpolymeer regelt, zodat het de eiwitten die het periplasma overspannen niet volledig blokkeert. Het definiëren van deze en andere mysteries van de celenvelop kan leiden tot belangrijke praktische vooruitgang naast het voldoen aan onze wetenschappelijke drive om de mysteries van de gramnegatieve bacteriële celenvelop op te lossen. Deze envelop is een opmerkelijk efficiënte en evolutionair geavanceerde moleculaire zeef die de ontwikkeling van antibiotica tegen deze organismen veel moeilijker maakt dan voor grampositieve bacteriën, die het extra membraan en periplasma missen.

verhoogde kennis van gramnegatieve celenvelop is ook cruciaal voor het begrijpen van de mechanismen van antibioticaresistentie omdat veel van onze meest succesvolle antibiotica, waaronder bèta-lactamantibiotica (die peptidoglycaan aanpakken en via de porinen binnenkomen), zich richten op de celenvelop. Gramnegatieve bacteriën en multidrug-resistente organismen blijven evolueren door middel van envelopmutaties en de acquisitie van nieuwe periplasmische enzymen. Er is een gebrek aan nieuwe antibiotica voor gramnegatieve bacteriën in de pijplijn vanwege de moeilijkheid van het doorbreken van de unieke barrière die door het buitenmembraan en het periplasma wordt verstrekt. In dit opzicht, hebben de antibiotica met periplasmic doelstellingen een voordeel ten opzichte van die geconfronteerd met de moeilijkheden om het binnenmembraan te penetreren en significante efflux te vermijden. Het is interessant om te speculeren dat het richten van essentiële periplasmic functies die een periplasmic van specifieke grootte en capaciteit vereisen om verschillende functies te huisvesten belangrijke nieuwe doelstellingen voor antibiotische ontwikkeling zou kunnen bieden. Recente studies hebben nieuwe basisfuncties van de gram-negatieve envelop door bacteriële genetica, structurele biologie, en geavanceerde morfologische technieken blootgelegd. Ondanks decennia van studie, moet nog veel worden geleerd over de Gram-negatieve bacteriële celenvelop. Het blootleggen van andere mysteries op dit gebied zou moeten leiden tot een nieuwe generatie doelen voor de ontwikkeling van antibiotica om ons een stap voor te houden in de wapenwedloop met antibiotica-resistente gram-negatieve bacteriën.