gramnegativa bakterier, som energiorganeller av växter och djur (kloroplast och mitokondrier), har två membranbilayers benämnda yttre och inre membran. Utrymmet mellan dessa två membran kallas periplasm. Långt före encelliga eukaryoter utvecklades periplasmen som det första extracytoplasmatiska facket för att ge en viktig konkurrenskraftig anpassning till gramnegativa bakterier. Tidig kunskap och upptäckten av periplasmen utvecklades redan före dess morfologiska visualisering. På 1960-talet försökte forskare förstå hur giftiga enzymer involverade i nedbrytning av viktiga biologiska molekyler, såsom ribonukleaser och fosfataser producerade av de gramnegativa bakterierna Escherichia coli, inte var giftiga för cellen. Biokemiska extraktionsmetoder föreslog ett separat fack, eftersom sådan extraktion bevarade den inre membranbundna cytoplasman, och dessa sfäroplaster kunde växa igen och syntetisera fler enzymer . Utvecklingen av elektronmikroskopi ledde till visualisering av de två membranbilagren separerade av periplasmen .

det extra membranet möjliggör skapandet av periplasmen som ett separat cellulärt fack vars nya funktioner sannolikt gav en signifikant och kanske ännu viktigare selektiv fördel än toxinuteslutning (Tabell 1). Dessa nya funktioner inkluderar proteintransport, vikning, oxidation och kvalitetskontroll som liknar det eukaryota cellendoplasmatiska retiklet. Periplasmen möjliggör också sekvestrering av enzymer som kan vara giftiga i cytoplasman, viktiga signalfunktioner och celldelningsreglering. Dessutom bidrar det till cellens förmåga att motstå turgortryck genom att tillhandahålla strukturella system som fungerar i samförstånd med det yttre membranet, såsom peptidoglykan och lipoproteiner, multidrugsutflödessystem och specifika lösta ämnen som bidrar till en Donnan-eller jonpotential över det yttre membranet. Periplasmen innehåller också monteringsplattformarna som är involverade i utsöndring av unikt strukturerade beta-tunnproteiner, lipoproteiner och glycerolfosfolipider till det yttre membranet (Fig 1).

ladda ner:

• PowerPoint-bild
• större bild
• originalbild

Fig 1. Arkitektur av det gramnegativa bakteriecellhöljet.

visas det asymmetriska dubbelskiktet av lipopolysackarid och glycerolfosfolipider som utgör det yttre membranet. Det inre membranet är ett symmetriskt dubbelskikt av glycerolfosfolipider. Det periplasmiska utrymmet är regionen mellan dessa membran som innehåller en mängd olika enzymer och funktioner, inklusive oxidation och kvalitetskontroll av proteiner. Även inom det periplasmiska utrymmet finns ett lager av tvärbundna sockerarter och aminosyror benämnda peptidoglykan, som omger cellen. Peptidoglykanen är kopplad till det yttre membranet i enteriska bakterier genom kovalenta transpeptidasbindningar mellan ett rikligt yttre membranlipoprotein Lpp. En mängd olika sensorer sitter i det inre membranet med periplasmiska domäner som känner av miljöförändringar och, i fallet med Rcs-systemet, en förändring i placeringen av RcsF-yttre membranlipoproteinet. Multikomponentproteinkomplex, såsom flagellärmaskinen, spänner över de två membranen. IM, inre membran; Lpp, Brauns lipoprotein; LPS, lipopolysackarid; RcsF, Regulator för kapselsyntes F.

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

det yttre membranet är en unik organell ansluten till andra delar av cellhöljet via periplasmen. Grampositiva bakterier saknar ett yttre membran men har en mer omfattande peptidoglykanpolymer som skyddar deras yta. I motsats till det bakteriella inre membranet—som är ett dubbelskikt av glycerolfosfolipider som liknar det hos de flesta däggdjursmembran och som har ett specifikt flöde som kännetecknas av lateral diffusion—har det yttre membranet begränsat flöde . Det är ett unikt dubbelskikt, med den inre broschyren som har ett typiskt glycerolfosfolipidinnehåll av fosfotidyletanolamin, fosfatidylglycerol och kardiolipin och den yttre broschyren består till stor del av en unik glykolipid, lipopolysackarid (LPS) . LPS-fosfaterna ger en negativ laddning till ytan, och en specifik Donnan-potential skapas över det yttre membranet in i periplasmen . Det yttre membranet fungerar som en selektiv barriär som möjliggör transport av värdefulla näringsämnen samtidigt som det ger en barriär mot giftiga föreningar, såsom katjoniska antimikrobiella föreningar som produceras av alla organismer, inklusive många gram-positiva bakterier . En annan komponent i denna barriär är yttre membranproteiner med en unik beta-fatstruktur som sätts in i det yttre membranet genom ett specifikt periplasmiskt chaperonsystem . Dessa proteiner samlas in i det yttre membranet som specifik puncta, vilket indikerar att det yttre membranet sannolikt monteras i specifika diskreta fläckar som innehåller protein och det unika asymmetriska lipid-dubbelskiktet . Inkluderat bland dessa yttre membranproteiner är porinerna, som kan fungera som selektiva kanaler som tillåter hydrofila substrat av en specifik storlek ingång till periplasmen. Lyckligtvis för människor transporterar dessa poriner hydrofila beta-laktamantibiotika, vilket möjliggör deras penetration i periplasmen, där de riktar sig mot syntesen av det viktiga strukturella elementet i cellväggen—den polymera peptidoglykanen. Det yttre membranet i vissa bakterier förankras till peptidoglykanpolymeren genom rikliga lipoproteiner, som sätts in i det yttre membranets inre broschyr genom specifika sekretionssystem . En mängd viktiga proteinkomplex fungerar som nanomaskiner och använder ATP-hydrolys för att utsöndra makromolekyler eller vända en motilitetsorganell som kallas flagella . Därför är det yttre membranet och det inre membranet också anslutna över periplasmen genom membranspännande proteinkomplex. Därför består det yttre membranet av tydligt sammansatta fläckar som innefattar en komplex organell som kan fästas på peptidoglykanskiktet och det inre membranet genom kovalenta och icke-kovalenta proteinbindningar. Sammansättningen av det yttre membranet och dess länk till peptidoglykan och cytoplasma skapar ett utrymme mellan det inre membranet och det yttre membranet, vilket är periplasmen.

trots de viktiga funktionerna i det periplasmiska utrymmet har det under många år diskuterats om intermembranavståndet eller storleken på detta fack och om det finns enhetlighet i avståndet mellan de inre och yttre membranen i hela cellen. Det fanns oro för att många av visualiseringarna av detta utrymme som av en specifik storlek var artefakter av fixering för avbildning genom elektronmikroskopi och att utrymmet faktiskt bara var ett potentiellt utrymme. De tidiga elektronmikroskopiska studierna av Bayer visade vidhäftningar mellan det yttre och det inre membranet som utplånade en del av dessa utrymmen; han föreslog att vidhäftningspunkter var områden där den stora yttre broschyren lipid, LPS, levererades till det yttre membranet från dess syntesplats vid det inre membranet . Men hans arbete diskrediterades därefter som härledd från observation av potentiella fixeringsartefakter, även om många experter idag tror att det kan finnas verkliga proteinbaserade vidhäftningar mellan membranen eftersom vissa utflödes-och transportsystem inte innehåller komponenter med tillräckliga dimensioner för att spänna över det visualiserade utrymmet. Närvaron av specifika områden där membranen är nära varandra skulle förklara hur några av dessa ATP-bindande kassett (ABC) transport-och utflödespumpar kan fungera; dessa system har periplasmiska proteinkomponenter som är väsentliga för utflöde, LPS eller annan glykolipidtransport men saknar en inneboende storlek eller polymer natur som är tillräckligt stor för att nå det yttre membranet och därmed ge en mekanism för att främja transport. Dessutom innehåller periplasmen många andra komponenter som kräver åtminstone en viss volym för det periplasmiska utrymmet, mest framträdande peptidoglykanpolymerskiktet som omger cellen. För närvarande är det oklart hur dessa transportörer kommer runt denna polymer och periplasmens bredd för att komma i kontakt med membranet, även om det senaste arbetet som visar att yttre membranlipoproteiner kan samordna peptidoglykansyntes genom direktkontakt indikerar att åtminstone vissa proteiner kan passa genom porer i peptidoglykan för att uppnå viktiga funktioner. I fallet med flagellum sträcker sig dess stång eller drivaxel över periplasmen och dess längd bestäms av polymeren som kontaktar det yttre membranet. Elegant nyligen arbete av gruppen Kelly Hughes har visat att storleken på periplasmen, eller avståndet mellan de två membranen, styrs till stor del i enteriska bakterier av ett specifikt lipoprotein benämnt Brauns lipoprotein (eller Lpp), som kovalent länkar det yttre membranet till peptidoglykanskiktet . Detta är ganska anmärkningsvärt eftersom Lpp är det vanligaste proteinet som finns i enteriska bakterier, beskrivet av Braun för 48 år sedan, och fram till denna punkt hade ingen specifik funktion tillskrivits den. Detta alfa-spiralformade protein sätts in genom sitt lipidankare i det yttre membranets inre broschyr och kovalent kopplat till peptidoglykanpolymeren av en familj av transpeptidaser . Förlängning av dessa lipoproteiner som möjliggör expansion av periplasmen leder till en längre flagellär stång och effektivare simningsbeteende. Dessa författare tolkade detta resultat som indikerar att det måste finnas andra evolutionärt utvalda funktioner som begränsade den periplasmiska storleken, vilket tvingade en minskning av simningseffektiviteten. I denna utgåva av PLOS Biology avslöjas en av dessa viktiga funktioner: en signalfunktion för kuvertskador som styrs av ett annat yttre membranlipoprotein, Regulator för kapselsyntes F (RcsF), som känner av störning eller skada på kuvertet.gramnegativa bakterier har en mängd viktiga funktioner som känner av membranskador och giftiga föreningar, såsom antimikrobiella peptider, som skadar det yttre membranet . Dessa avkänningssystem inkluderar de som tillåter ombyggnad av bakterieytan att vara mer motståndskraftig mot giftiga föreningar—analogt med rymdskepp som aktiverar sina sköldar i science fiction-berättelser . Några av dessa avkänningssystem är receptorer som fungerar som sensorkinaser med domäner i periplasmen för att känna av specifika molekyler eller skador. Emellertid har ett av de mer unika sensorkinasesystemen, benämnt RCS-systemet-som på membranskada aktiverar syntes av extracellulär polysackarid för att ge cellulärt skydd och biofilmbildning—ett yttre membranlipoprotein RcsF, som interagerar med signalproteiner med specifika periplasmiska domäner på kuvertskador och peptidoglykanspänning för att aktivera syntesen av extracellulär polysackaridproduktion och andra stressrelaterade hanteringsvägar . Således leder kuvertskador på något sätt RcsF-lipoproteinet i större närhet till det inre membranavkänningssystemet, och därmed utvecklades det till känselstörning i det yttre membranet och/eller peptidoglykan (Fig 2). I denna utgåva av PLOS Biology visar författarna slutgiltigt att denna avkänning kräver att periplasmen är en specifik storlek eftersom mutationer som förlänger det mycket rikliga LPP-lipoproteinankaren från det yttre membranet till peptidoglykanen (vilket resulterar i en ökad storlek på periplasmen) avskaffade signaleringen såvida inte avkänningslipoproteinet (som på membranskador måste nå till den inre membransensorn) också förlängs . Detta arbete visar också tydligt en mycket specifik ordning och storlek på periplasmen; storleken på periplasmen ses tydligt som den existerar i samband med förändringarna i lipoproteinförankring eller längd genom kryoelektronmikroskopi. Denna teknik och elektrontomografi som används i Hughes-gruppens arbete i förhållande till flagellarrotorn revolutionerar vår syn på bakteriecellhöljet och proteinkomplexen som spänner över periplasmen för att utföra viktiga funktioner .

ladda ner:

• PowerPoint-bild
• större bild
• originalbild

Fig 2. Rcsf-signalering förändras genom en förändring i storleken på det periplasmiska utrymmet.

rcsf yttre membranlipoproteinsensorn måste kontakta sina inre membransignaleringspartners för att aktivera avkänning. Denna avkänning kräver ett specifikt periplasmiskt avstånd eftersom förlängning av Lpp-kopplingarna till peptidoglykan ökar periplasmens avstånd, och om inte RcsF förlängs kan signalering inte längre inträffa. I panel A: det tillstånd där RcsF inte aktiverar signalering eftersom ingen kuvertstörning pågår. I panel B: kuvertstörning leder till rcsf fysiska interaktioner med det inre membranavkänningssystemet, och Rcs regulon aktiveras. I panel C, där Lpp har förlängts och det periplasmiska intermembranavståndet förlängts, kan Rcs regulon inte aktiveras trots kuvertstörning. I panel D: felet i den långa Lpp korrigeras genom att förlänga RcsF. IM, inre membran; Lpp, Brauns lipoprotein; OM, yttre membran; PG, peptidoglykan; RcsF, Regulator för kapselsyntes F.

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

även om dessa nya studier har definierat Lpp som en specifik molekylär linjal mellan det yttre membranet och peptidoglykan, är det okänt vad som reglerar avståndet mellan det inre membranet och peptidoglykan och vad som styr polymerisationen eller nedbrytningen av peptidoglykanpolymeren så att den inte helt hindrar proteiner som spänner över periplasmen. Att definiera dessa och andra mysterier i cellhöljet kan leda till viktiga praktiska framsteg förutom att uppfylla vår vetenskapliga drivkraft för att lösa mysterierna i det gramnegativa bakteriecellhöljet. Detta kuvert är en anmärkningsvärt effektiv och evolutionärt avancerad molekylsikt som gör utvecklingen av antibiotika mot dessa organismer mycket svårare än för gram-positiva bakterier, som saknar ytterligare membran och periplasm.

ökad kunskap om gramnegativt cellhölje är också avgörande för att förstå mekanismerna för antibiotikaresistens eftersom många av våra mest framgångsrika antibiotika, inklusive beta-laktamantibiotika (som riktar sig mot peptidoglykan och går in genom porinerna), riktar sig mot cellhöljet. Gramnegativa bakterier och multidrugsresistenta organismer fortsätter att utvecklas genom kuvertmutationer och förvärv av nya periplasmiska enzymer. Det saknas nya antibiotika för gramnegativa bakterier i rörledningen på grund av svårigheten att bryta mot den unika barriären som tillhandahålls av det yttre membranet och periplasmen. I detta avseende har antibiotika med periplasmiska mål en fördel jämfört med de som står inför svårigheterna att penetrera det inre membranet och undvika signifikant utflöde. Det är intressant att spekulera i att inriktning på väsentliga periplasmiska funktioner som kräver en periplasm av specifik storlek och förmåga att rymma olika funktioner kan erbjuda viktiga nya mål för antibiotikautveckling. Nya studier har avslöjat nya grundläggande funktioner i det gramnegativa höljet genom bakteriell genetik, strukturbiologi och avancerade morfologiska tekniker. Trots årtionden av studier återstår mycket att lära sig om det gramnegativa bakteriecellhöljet. Att avslöja andra mysterier på detta område bör leda till en ny generation av mål för utveckling av antibiotika för att hålla oss ett steg före i vapenloppet med antibiotikaresistenta gramnegativa bakterier.