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

Транспортер, который обнаружили профессор Фелипе Кава и аспирант Майкл Гилмор из университета Умео, жизненно важен для целостности клеточной стенки патогена растений Agrobacterium tumefaciens, удобной лабораторной модели некоторых патогенов человека.

Бактерии покрыты защитным экзоскелетом - клеточной стенкой. Клеточная стенка очень важна для бактерий, поскольку она определяет их форму и позволяет им защищаться, а многие из наших лучших антибиотиков нацелены на белки, которые строят и изменяют эту структуру. Когда бактерии растут и делятся, они перестраивают свою клеточную стенку, что приводит к высвобождению фрагментов клеточной стенки, известных как муропептиды. Высвобожденные муропептиды могут попасть в окружающую среду, где они могут оказать далеко идущее влияние на межвидовое взаимодействие, или быть перенесены обратно в клетку для переработки. Для утилизации муропептидов некоторые бактерии используют мембранный транспортер AmpG. Однако многие бактерии не имеют такого транспортера, поэтому неизвестно, как и перерабатывают ли они свою клеточную стенку.

Когда бактерии сталкиваются с антибиотиком, нацеленным на клеточную стенку, таким как пенициллин, высвобождается избыток муропептидов. Некоторые бактерии обнаруживают эти избыточные муропептиды во время переработки и используют их как сигнал для производства ферментов, называемых β-лактамазами, которые разрушают антибиотик. Однако не все бактерии делают это, и процесс переработки муропептидов изучен недостаточно хорошо.

"Нам было очень интересно изучить переработку клеточной стенки, потому что ее назначение плохо изучено. Например, бактерия E. coli производит множество белков для переработки своей клеточной стенки, но блокирование переработки не влияет на ее способность процветать. Чтобы лучше понять этот процесс, мы хотели изучить альтернативные бактерии, которые действуют по-другому", - говорит Майкл Гилмор, первый автор исследования.

Изучая бактерию Agrobacterium tumefaciens, которая вызывает болезнь Краун-Галла у растений, исследователи выявили новый транспортер, который берет на себя роль AmpG в этой и родственных бактериях. Проведя скрининг генов, которые необходимы для роста, когда синтез новой клеточной стенки снижается под действием антибиотика фосфомицина, они обнаружили, что транспортер, принадлежащий к семейству АТФ-связывающих кассет, ABC, стал необходимым для выживания бактерии. Когда они удалили этот транспортер, то обнаружили, что муропептиды накапливаются в среде роста клеток, в то время как внутри клеток муропептиды отсутствуют. Новый обнаруженный транспортер получил название YejBEF-YepA.

Когда исследователи проверили устойчивость мутанта транспортера к β-лактамным антибиотикам, таким как ампициллин, они обнаружили, что он стал чрезвычайно чувствительным. Как и ожидалось, это соответствовало снижению активности фермента β-лактамазы. Примечательно, однако, что мутант транспортера стал даже более чувствительным к ампициллину, чем штамм, у которого полностью отсутствовала β-лактамаза, что означает, что здесь должно происходить нечто большее. Для дальнейшего изучения этого вопроса исследователи попробовали подвергнуть штамм с дефектом рециркуляции стрессу, выращивая его в низкоосмолярной среде, где поддержка, обеспечиваемая клеточной стенкой, становится очень важной. Бактерии росли очень плохо, наблюдалось набухание и лизис, что означает, что целостность клеточной стенки была сильно нарушена.

"Этот транспортер был обнаружен в нашем скрининге и представлял собой идеального кандидата для нового транспортера муропептидов. Мы ожидали увидеть снижение устойчивости к антибиотикам из-за снижения экспрессии β-лактамазы, но то, насколько больными становились бактерии при удалении транспортера, было очень удивительно", - говорит Майкл Гилмор.

Изучая химический состав клеточной стенки более подробно, исследователи обнаружили, что толщина клеточной стенки у мутанта-транспортера была намного меньше нормальной, что соответствовало аналогичному уменьшению молекул-предшественников клеточной стенки. Кроме того, клеточная стенка была менее сшита, чем в норме, и в большей степени зависела от необычного типа сшивающего фермента. Они пришли к выводу, что потеря переработанного материала клеточной стенки должна быть основной причиной чувствительности к антибиотикам и дефектов клеточной стенки, наблюдаемых у бактерий, лишенных транспортера.

Интересно, что об этом транспортере уже сообщалось ранее: он важен для Sinorhizobium meliloti для формирования симбиоза растений и для патогена млекопитающих Brucella melitensis для противостояния антимикробным пептидам. Однако только сейчас была выявлена его функция как транспортера рециркуляции клеточной стенки. Поэтому он может представлять собой перспективную мишень для антибиотиков или адъювантов у некоторых патогенов человека, но также имеет отношение к сельскому хозяйству у патогенов растений или симбионтов.

"Похоже, что общий пептидный транспортер YejBEF был приспособлен для переноса муропептидов благодаря эволюции новой субъединицы, YepA. Интересно, что этот транспортер присутствует во многих других бактериях, включая такие патогены человека, как Brucella и Ochrobactrum, и эта работа - только начало изучения его потенциальной роли, например, в инфекции", - заключает профессор Кава, старший автор исследования.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.