Обнаружен новый транспортер для рециклинга клеточной стенки бактерий

Исследователи из Университета Умео (Швеция) обнаружили транспортер, который некоторые бактерии используют для рециклинга фрагментов своей клеточной стенки. Они выяснили, что этот транспортер контролирует устойчивость к определённым видам антибиотиков, нацеленных на клеточную стенку.

Транспортер, найденный профессором Фелипе Кава и аспирантом Майклом Гилмором, жизненно важен для целостности клеточной стенки у фитопатогена Agrobacterium tumefaciens — удобной лабораторной модели некоторых человеческих патогенов.

Бактерии окружены защитным экзоскелетом — клеточной стенкой. Она необходима, так как определяет форму бактерий и позволяет им защищаться. Многие из наших лучших антибиотиков нацелены на белки, которые строят и ремоделируют эту структуру. По мере роста и деления бактерии ремоделируют свою клеточную стенку, что приводит к высвобождению её фрагментов — муреиновых пептидов (муропептидов). Высвобожденные муропептиды могут попасть в окружающую среду, где оказывают широкое влияние на межвидовые взаимодействия, или быть транспортированы обратно в клетку для рециклинга. Для рециклинга муропептидов некоторые бактерии используют мембранный транспортер AmpG. Однако у многих бактерий этого транспортера нет, и оставалось неизвестным, как (и происходит ли вообще) рециклинг их клеточной стенки.

Когда бактерии сталкиваются с антибиотиком, нацеленным на клеточную стенку (например, пенициллином), высвобождается избыток муропептидов. Некоторые бактерии детектируют эти избыточные муропептиды во время рециклинга и используют это как сигнал для производства ферментов β-лактамаз, которые разрушают антибиотик. Однако так делают не все бактерии, и процесс рециклинга муропептидов изучен плохо.

Изучая бактерию Agrobacterium tumefaciens (возбудитель корончатого галла у растений), исследователи идентифицировали новый транспортер, который берёт на себя роль AmpG у этой и родственных бактерий. Проводя скрининг генов, необходимых для роста при снижении синтеза новой клеточной стенки антибиотиком фосфомицином, они обнаружили, что транспортер из семейства ABC (ATP-binding cassette) становится критически важным для выживания бактерий. При удалении этого транспортера муропептиды накапливались в среде для роста клеток, в то время как внутри клеток их не было. Новый транспортер назван YejBEF-YepA.

Когда исследователи проверили устойчивость мутанта по транспортеру к β-лактамным антибиотикам (например, ампициллину), оказалось, что она резко снизилась. Как и ожидалось, это соответствовало снижению активности фермента β-лактамазы. Однако мутант стал даже более чувствительным к ампициллину, чем штамм, полностью лишённый β-лактамазы, что указывало на дополнительные механизмы. Чтобы исследовать это дальше, учёные попытались создать стресс у штамма с дефектом рециклинга, выращивая его в среде с низкой осмолярностью, где поддержка со стороны клеточной стенки становится очень важной. Бактерии росли очень плохо, демонстрировали набухание и лизис, что означало значительное снижение целостности клеточной стенки.

Изучив химию клеточной стенки подробнее, исследователи обнаружили, что её толщина у мутанта по транспортеру была намного меньше нормы, что соответствовало аналогичному снижению количества молекул-предшественников клеточной стенки. Кроме того, клеточная стенка была менее сшита, чем обычно, и больше зависела от необычного типа фермента, осуществляющего сшивку. Был сделан вывод, что потеря рециклируемого материала клеточной стенки должна быть основной причиной наблюдаемых у бактерий без транспортера дефектов клеточной стенки и чувствительности к антибиотикам.

Интересно, что этот транспортер уже упоминался ранее как важный для формирования симбиоза с растениями у Sinorhizobium meliloti и для устойчивости к антимикробным пептидам у патогена млекопитающих Brucella melitensis. Однако только сейчас раскрыта его функция как транспортера для рециклинга клеточной стенки. Следовательно, он может представлять собой перспективную мишень для антибиотиков или адъювантов у некоторых человеческих патогенов, а также быть актуальным для сельского хозяйства в контексте либо фитопатогенов, либо симбионтов.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.