Miscelaneas

Buenos Aires 01 de Junio del 2022

How Gram-Negative Bacteria Build Cell Walls / Cómo las Bacterias Gram-Negativas Construyen las Paredes Celulares

 

How Gram-Negative Bacteria Build Cell Walls

 

                                     
                                      Daniel Kahne (Professor of Chemistry and Chemical Biology at Harvard University)


                                                                           Nature –March 2019

                                                                 Resumido por :Carmen Leitch

 

 

Gram-negative bacteria are surrounded by an inner cytoplasmic membrane and by an outer membrane, which serves as a protective barrier to limit entry of many antibiotics. The distinctive properties of the outer membrane are due to the presence of lipopolysaccharide (LPS). This large glycolipid, which contains numerous sugars, is made in the cytoplasm; a complex of proteins forms a membrane-to-membrane bridge that mediates transport of lipopolysaccharide from the inner membrane to the cell surface. The inner-membrane components of the protein bridge comprise an ATP-binding cassette transporter that powers transport, but how this transporter ensures unidirectional lipopolysaccharide movement across the bridge to the outer membrane is unknown.
We describe two crystal structures of a five-component inner-membrane complex that contains all the proteins required to extract lipopolysaccharide from the membrane and pass it to the protein bridge. Analysis of these structures, combined with biochemical and genetic experiments, identifies the path of lipopolysaccharide entry into the cavity of the transporter and up to the bridge and also identify a protein gate that must open to allow movement of substrate from the cavity onto the bridge. Lipopolysaccharide entry into the cavity is ATP-independent, but ATP is required for lipopolysaccharide movement past the gate and onto the bridge.
The inner-membrane transport complex controls efficient unidirectional transport of lipopolysaccharide against its concentration gradient.

Researchers have identified a protective outer shell with a tough molecule called  lipopolysaccharide (LPS). Because there are no antibiotics for some Gram-negative infections, learning how the outer membrane is assembled and how to interfere with assembly has major medical implications. 

LPS is a big molecule made in the cytoplasm of bacteria. Two barriers separate it from its destination - the outer membrane. An energy-providing molecule, ATP, powers the production of building blocks that generate LPS, and shuttles them around in the cell. But ATP isn’t able to cross the membranes either.

Scientists have been trying to understand the process of moving LPS to the outer membrane since the 1970s. In this work, it was identified two structures that take LPS from the cytoplasm and get it to a protein bridge, it showed that ATP moved the molecule along a single path and  also determined how LPS can go through the bridge without additional help from ATP; a protein bridge opens and closes, moving LPS up to the outer membrane, like a Pez dispenser. The gate provides an explanation for unidirectional transport.


Drug-resistant bacteria, also known as superbugs, infect around two million people in the United States every year and kill about 23,000 of them, according to the CDC (Centers for Disease Control and Prevention). This research can help scientists design drugs that attack bacterial defenses, like the tough membranes of gram-negative bacteria. Interfering with various processes in these bacteria can also make traditional antibiotics more effective.  

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Las bacterias gramnegativas están rodeadas por una membrana citoplasmática interna y por una membrana externa, que sirve como barrera protectora para limitar la entrada de muchos antibióticos. Las propiedades distintivas de la membrana externa se deben a la presencia de lipopolisacárido (LPS). Este glicolípido grande, que contiene numerosos azúcares, se produce en el citoplasma; un complejo de proteínas forma un puente de membrana a membrana que media el transporte de lipopolisacárido desde la membrana interna hasta la superficie celular. Los componentes de la membrana interna del puente de proteína comprenden un transportador de cassette de unión a ATP que impulsa el transporte, pero se desconoce cómo este transportador asegura el movimiento unidireccional de lipopolisacáridos a través del puente hacia la membrana externa.

Describimos dos estructuras cristalinas de un complejo de membrana interna de cinco componentes que contiene todas las proteínas necesarias para extraer el lipopolisacárido de la membrana y pasarlo al puente de proteína. El análisis de estas estructuras, combinado con experimentos bioquímicos y genéticos, identifica la ruta de entrada de los lipopolisacáridos en la cavidad del transportador y hasta el puente y también identifica una puerta de proteína que debe abrirse para permitir el movimiento del sustrato desde la cavidad hasta el puente. La entrada de lipopolisacáridos en la cavidad es independiente de ATP, pero se requiere ATP para que los lipopolisacáridos pasen por la puerta y lleguen al puente.
El complejo de transporte de la membrana interna controla el transporte unidireccional eficiente de lipopolisacárido contra su gradiente de concentración.

Los investigadores han identificado una cubierta exterior protectora con una molécula resistente llamada lipopolisacárido (LPS). Debido a que no existen antibióticos para algunas infecciones Gram-negativas, aprender cómo se ensambla la membrana externa y cómo interferir con el ensamblaje tiene importantes implicaciones médicas.

El LPS es una molécula grande que se produce en el citoplasma de las bacterias. Dos barreras lo separan de su destino: la membrana exterior. Una molécula proveedora de energía, ATP, impulsa la producción de bloques de construcción que generan LPS y los transporta por la célula. Pero el ATP tampoco puede cruzar las membranas.

Los científicos han estado tratando de comprender el proceso de mover LPS a la membrana externa desde la década de 1970. En este trabajo se identificaron dos estructuras que toman LPS del citoplasma y lo llevan a un puente proteico, se demostró que el ATP movía la molécula a lo largo de un solo camino y también se determinó cómo el LPS puede atravesar el puente sin ayuda adicional del ATP; un puente de proteínas se abre y se cierra, moviendo LPS hacia la membrana externa, como un dispensador de Pez. La puerta proporciona una explicación para el transporte unidireccional.

Las bacterias resistentes a los medicamentos, también conocidas como superbacterias, infectan a alrededor de dos millones de personas en los Estados Unidos cada año y matan a unas 23 000 de ellas, según los CDC (Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades). Esta investigación puede ayudar a los científicos a diseñar fármacos que ataquen las defensas bacterianas, como las membranas resistentes de las bacterias gramnegativas. Interferir con varios procesos en estas bacterias también puede hacer que los antibióticos tradicionales sean más efectivos.