D-aminosyror har roll i stressinducerad respons hos kolerabakterie

Felipe Cava, Institutionen för molekylärbiologi

BildMattias Pettersson

– Dessa fynd fördjupar vår kunskap om bakteriellt beteende och kan påverka utvecklingen av strategier för att manipulera bakteriepopulationer eller kontrollera bakterieinfektioner, säger Felipe Cava, professor vid Institutionen för molekylärbiologi vid Umeå universitet.

Resultaten avslöjar en ny roll för D-aminosyror i stressdrivna bakteriella kemotaxi. Med hjälp av spjutspetsteknologi identifierade forskarna en tidigare inte karaktäriserad kemoreceptor, MCPDRK, specifik för D-aminosyrorna D-arginin och D-lysin. Den dubbla funktionen hos dessa D-aminosyror som giftiga föreningar och stresssignaler tyder på en roll i att forma mikrobiella samhällen och påverka nischval.

Kemotaxi, det vill säga bakteriernas förmåga att reagera på miljösignaler och navigera i omgivningen, är ett utbrett fenomen som fortfarande delvis är outforskat. Medan kärnkomponenterna i kemotaxivägen bevaras över bakterier, förblir de specifika signalerna som utlöser kemotaktiska svar i stort sett oidentifierade. Detta gör det svårt att reda ut de underliggande faktorerna som bestämmer bakteriell navigering mot gynnsamma miljöer eller deras undvikande av skadliga förhållanden.

Schematisk skiss över kolerabakteriens strategier

BildUmeå universitet

Medan L-aminosyrornas roll som signalmolekyler har undersökts i stor utsträckning, är den exakta funktionen hos deras D-motsvarigheter i kemotaxi fortfarande i stort sett okänd. Dessa spännande molekyler, genererade från L-aminosyror av racemasenzymer, spelar olika och specifika roller i olika cellulära processer, inklusive cellväggsbildning, biofilmstabilitet, sporspiring och interbakteriella interaktioner.

Vibrio cholerae är en marin bakterie som orsakar den akuta diarrésjukdomen kolera och släpper ut höga koncentrationer av D-aminosyror. Deras specifika roll i bakteriellt beteende är dock fortfarande underutforskad. I denna studie fann forskarna att en mutant som inte producerade extracellulära D-aminosyror uppvisade minskad simkapacitet. En djupare titt pekade D-arginin och D-lysin som motbjudande kemotaktiska signaler.

– Denna bakterie har ett mycket sofistikerat kemotaxissystem som innehåller minst 45 kemoreceptorer. För att minska risken för funktionell redundans använde vi strategiskt tvådimensionell termisk proteomprofilering istället för vanliga mutagenesmetoder. Denna strategi gjorde det möjligt för oss att effektivt screena och identifiera den specifika kemoreceptorn som är ansvarig för D-arginin och D-lysinavkänning, som vi kallade MCPDRK, säger Oihane Irazoki, MIMS, laboratoriet för molekylär infektionsmedicin Sverige vid Umeå universitet och första författare till studien.

Den strukturella karakteriseringen av det sensoriska proteinet i komplex med båda D-aminosyrorna möjliggjorde identifiering av de viktigaste ligandbindande resterna och förutsägelse av funktionella ortologer hos andra arter.

Oihane Irazoki, Laboratoriet för Molekulär Infektionsmedicin Sverige, MIMS.

BildPrivat

–Även om vår studie främst fokuserar på V. Cholerae, bevaras MCPDRK bland flera arter, men dess specificitet för D-arginin och D-lysin verkar vara begränsad till de receptorer som är transkriptionellt kopplade till bredspektrumracemaser. Därför behöver tillämpligheten av dessa fynd på andra bakteriearter undersökas ytterligare, säger Oihane Irazoki-

Ett viktigt resultat av studien är D-arginins mångfacetterade roll i att forma den biologiska mångfalden och strukturdynamiken i mikrobiella samhällen. Å ena sidan fungerar den som en mekanism för att rensa miljön från potentiella konkurrenter, medan den å andra sidan orkestrerar samhällets migration mot mer gynnsamma ekologiska nischer. V. cholerae har utvecklat en "fight and flight" -strategi, där generna som kodar för D-argininkemoreceptorn och bredspektrumracemet som är ansvarigt för D-aminosyraproduktionen placeras i tandem inom en enda operon. Mer intressant styrs detta arrangemang av stresssigmafaktorn RpoS. Genom synkroniserad produktion av D-arginin och dess motsvarande MCP  etablerar V. cholerae en mycket effektiv stressresponsiv mekanism, samtidigt som den förhindrar dess meningslösa aktivering under gynnsamma förhållanden.

– En uppenbar fråga för framtiden kommer att vara hur bakterier integrerar och kontextualiserar D-aminosyrasignalering som en del av ett förvirrande nätverk av miljökemotaktiska signaler och receptorer. Att förstå detta beslutsfattande kommer att ge djupare insikter om den ekologiska betydelsen av D-aminosyror för att möjliggöra bakteriell anpassning till stress, säger Felipe Cava.

Studien, som publiceras i tidskriften Nature Microbiology, genomfördes genom ett samordnat samarbete mellan team från olika institutioner vid Umeå universitet, EMBL och Max Planck-institutet för terrestrisk mikrobiologi.