Ny transportör för återvinning av bakteriers cellvägg upptäckt

Professor Felipe Cava och doktorand Michael Gilmore, Institutionen för molekylärbiologi.

BildMattias Pettersson

Den transportör som professor Felipe Cava och doktorand Michael Gilmore vid Umeå universitet har upptäckt är avgörande för cellväggens integritet hos växtpatogenen Agrobacterium tumefaciens, som är en lämplig laboratoriemodell för vissa mänskliga patogener.

Bakterier är omslutna av ett skyddande exoskelett, cellväggen. Cellväggen är viktig för bakterier eftersom den bestämmer deras form och gör det möjligt för dem att skydda sig. Många av våra bästa antibiotika är inriktade på de proteiner som bygger upp och omformar denna struktur. När bakterier växer och delar sig omformar de sin cellvägg, vilket resulterar i att cellväggsfragment som kallas muropeptider frigörs. De frigjorda muropeptiderna kan hamna i miljön, där de kan ha en långtgående inverkan på interaktioner mellan arter, eller transporteras tillbaka in i cellen för återvinning. För att återvinna muropeptider använder vissa bakterier en membrantransportör som kallas AmpG. Många bakterier har dock inte denna transportör och därför vet man inte hur eller om de återvinner sin cellvägg.

När bakterier stöter på ett antibiotikum som riktar sig mot cellväggarna, till exempel penicillin, frigörs överskott av muropeptider. Vissa bakterier upptäcker dessa överskott av muropeptider under återvinningen och använder detta som en signal för att producera enzymer som kallas β-laktamaser som bryter ner antibiotikan. Det är dock inte alla bakterier som gör detta, och muropeptidåtervinningen är inte ordentligt utforskad.

– Vi var verkligen intresserade av att studera återvinning av cellväggar eftersom dess syfte är dåligt förstått. Bakterien E. coli till exempel producerar flera proteiner för att återvinna sin cellvägg, men att blockera återvinningen har ingen effekt på dess förmåga att trivas. För att förstå denna process bättre ville vi studera alternativa bakterier som gör saker och ting annorlunda, säger Michael Gilmore, försteförfattare till studien.

Genom att studera bakterien Agrobacterium tumefaciens, en bakterie som orsakar krongallsjukan hos växter, identifierade forskarna en ny transportör som tar över AmpG:s roll i denna och besläktade bakterier. Genom att söka efter gener som krävs för tillväxt när syntesen av nya cellväggar minskas av antibiotikumet Fosfomycin fann de att en transportör som tillhör ABC-familjen (ATP-binding cassette) tycktes vara nödvändig för att bakterien skall överleva. När de tog bort transportören fann de att muropeptider ackumulerades i cellernas tillväxtmedium, medan inga muropeptider fanns i cellerna. Den nyfunna transportören har fått namnet YejBEF-YepA.

När forskarna testade transportörmutantens resistens mot β-laktamantibiotika som ampicillin fann de att den blev extremt känslig. Som förväntat motsvarade detta en minskning av aktiviteten hos ett β-laktamasenzym. Anmärkningsvärt är dock att transportörmutanten blev ännu känsligare för ampicillin än en stam som helt saknade β-laktamaset, vilket innebär att det måste vara mer som händer. För att undersöka detta ytterligare försökte forskarna stressa den återvinningsdefekta stammen genom att odla den i ett lågosmolärt medium där det stöd som cellväggen ger blir mycket viktigt. Bakterierna växte mycket dåligt och uppvisade svullnad och lysis, vilket innebär att cellväggens integritet var kraftigt reducerad.

– Den här transportören dök upp i vår screening och utgjorde en idealisk kandidat för en ny transportör av muropeptider. Vi förväntade oss att se en minskning av antibiotikaresistensen på grund av lägre β-laktamasuttryck, men hur sjuka bakterierna blev när transportören togs bort var mycket överraskande, säger Michael Gilmore.

När forskarna studerade cellväggens kemi mer i detalj fann de att cellväggens tjocklek i transportörmutanten var mycket lägre än normalt, vilket motsvarade en liknande minskning av cellväggens prekursormolekyler. Dessutom var cellväggen mindre tvärbunden än normalt och den förlitade sig mer på en ovanlig typ av tvärbindande enzym. De drog slutsatsen att förlusten av återvunnet cellväggsmaterial måste vara en viktig orsak till den antibiotikakänslighet och de cellväggsdefekter som ses hos bakterier som saknar transportören.

Intressant nog har transportören faktiskt rapporterats tidigare, som viktig för att Sinorhizobium meliloti ska kunna bilda en växtsymbios och för att däggdjurspatogenen Brucella melitensis ska kunna motstå antimikrobiella peptider. Det är dock inte förrän nu som dess funktion som en transportör för återvinning av cellväggar har avslöjats. Den skulle därför kunna utgöra en lovande måltavla för antibiotika eller adjuvans i vissa mänskliga patogener, men är också relevant för jordbruket i antingen växtpatogener eller symbionter.

– Det verkar som om en allmän peptidtransportör, YejBEF, har blivit koopterad för att transportera muropeptider genom evolutionen av en ny underenhet, YepA. Intressant nog finns transportören i många andra bakterier, inklusive humanpatogener som Brucella och Ochrobactrum, och det här arbetet är bara början för att karaktärisera dess potentiella roll i till exempel infektioner, säger professor Cava, huvudförfattare till studien.

Resultaten publiceras i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications. Professor Felipe Cava och doktoranden Michael Gilmore tillhör institutionen för molekylärbiologi vid Umeå universitet och är även knutna till Laboratoriet för molekylär infektionsmedicin Sverige (MIMS), Umeå centrum för mikrobiell forskning och (UCMR) och Integrated Science Lab (Icelab).