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Nature Communications volume 13, número do artigo: 7962 (2022) Citar este artigo
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A atividade d, d-transpeptidase das proteínas de ligação à penicilina (PBPs) é o alvo primário bem conhecido dos antibióticos β-lactâmicos que bloqueiam a polimerização do peptidoglicano. A morte bacteriana induzida por β-lactâmicos envolve respostas complexas cujas causas e consequências são difíceis de resolver. Aqui, usamos a substituição funcional de PBPs por uma l, d-transpeptidase insensível a β-lactama para identificar genes essenciais para mitigar os efeitos da inativação de PBP por β-lactâmicos em bactérias em divisão ativa. As funções dos 179 genes condicionalmente essenciais identificados por esta abordagem vão muito além dos parceiros da l, d-transpeptidase para a polimerização do peptidoglicano, incluindo proteínas envolvidas na resposta ao estresse e na montagem de polímeros da membrana externa. Os efeitos inesperados dos β-lactâmicos incluem a perda da ligação covalente mediada por lipoproteínas que liga a membrana externa ao peptidoglicano, a desestabilização do envelope celular, apesar da reticulação eficaz do peptidoglicano, e o aumento da permeabilidade da membrana externa. O último efeito indica que o modo de ação dos β-lactâmicos envolve a penetração autopromovida através da membrana externa.
Bactérias Gram-negativas, como Escherichia coli, possuem um envelope multicamadas que sustenta a pressão de turgescência do citoplasma (peptidoglicano da parede celular) e atua como uma barreira química seletiva para nutrientes, resíduos e compostos tóxicos (membranas internas e externas) (Fig. 1a)1. Vários polímeros contendo porções proteicas, peptídicas, glicanas e lipídicas garantem as propriedades mecânicas e as funções de transporte do envelope. O peptidoglicano (PG), que está covalentemente ligado à membrana externa através da lipoproteína de Braun, é uma macromolécula gigante em forma de rede (ca. 109 Da) polimerizada a partir de uma unidade dissacarídeo-pentapeptídeo (Fig. 1b). As glicosiltransferases catalisam a formação de ligações glicosídicas β-1,4 entre dissacarídeos para formar cadeias de glicano que são subsequentemente reticuladas entre si por transpeptidases (Fig. 1c). Estas últimas enzimas, as d,d-transpeptidases, são também referidas como proteínas de ligação à penicilina (PBPs), uma vez que são os alvos essenciais dos antibióticos β-lactâmicos. Para a polimerização de peptidoglicano, os PBPs interagem com a extremidade d-Ala4-d-Ala5 de uma haste pentapeptídica (daí a designação d, d) e formam uma ligação covalente entre d-Ala4 e seu resíduo Ser do sítio ativo com a liberação concomitante de d -Ala5. Na etapa seguinte, a enzima acil resultante reage com o segundo substrato, mais frequentemente uma haste tetrapeptídica, para formar um dímero Tetra-Tetra reticulado 4 → 3 com a liberação concomitante do PBP (Fig. 1c; Fig. Complementar. S1a)2. Em cooperação com proteínas de andaime e endopeptidases, as d,d-transpeptidases medeiam a inserção de filamentos de glicano na macromolécula em expansão semelhante a uma rede PG, determinando assim a forma bacteriana e garantindo uma barreira mecânica contra a pressão osmótica do citoplasma durante toda a célula ciclo3,4,5,6,7.
a O envelope é composto por membranas interna (IM, cinza) e externa (OM, preta). Peptidoglicano (PG, azul) garante proteção osmótica da célula bacteriana. O IM é uma bicamada lipídica composta principalmente por fosfolipídios (PL). A OM é uma bicamada lipídica assimétrica: o folheto interno é composto por PL e o folheto externo por lipopolissacarídeos (LPS) e fosfatidilglerídeos substituídos pelo antígeno enterobacteriano comum (ECAPGL). b Estrutura da subunidade PG (GlcNAc, N-acetil-glucosamina; MurNAc, ácido N-acetil-murâmico). c PG é uma macromolécula em forma de rede feita de cadeias de glicano (polígonos azul-violeta) interligadas por hastes peptídicas curtas (círculos coloridos). Os PBPs catalisam a formação de ligações cruzadas 4 → 3 conectando a 4ª posição de uma haste doadora de acil à 3ª posição do aceitador. Dois membros da família LDT (YcbB e YnhG) catalisam a formação de ligações cruzadas 3 → 3. Três LDTs (ErfK, YbiS e YcfS) ancoram a lipoproteína de Braun (Lpp) ao PG. A ligação do DAP na 3ª posição de uma haste doadora de PG à extremidade Arg-Lys do Lpp fornece uma ligação covalente entre o OM e o PG. A ligação PG-Lpp é hidrolisada pelo YafK LDT46,47. d Perfil rpHPLC de muropeptídeos da cepa BW25113 (ycbB, relA') cultivados sem ceftriaxona. A estrutura é inferida a partir dos fragmentos obtidos por digestão de PG com muramidases que clivam a ligação MurNAc-GlcNAc β-1,4. e Estrutura dos muropeptídeos deduzida de análises de espectrometria de massa. Os dados de origem são fornecidos como um arquivo de dados de origem.