סינתזה של מסארימיצין, מעכב מולקולה קטנה של צמיחת חיידקים גראם חיובית
概要
מוצג פרוטוקול מפורט להכנת הבקטריוסטטי דיאמיד מסארימיצין, בדיקה של מולקולה קטנה המעכבת את צמיחתם של Bacillus subtilis ודלקת ריאות סטרפטוקוקוס על ידי התמקדות בהתדרדרות דופן התא. היישום שלה כבדיקה כימית מודגם במבחני סינרגיה/אנטגוניזם ובמחקרים מורפולוגיים עם B. subtilis ו-S. pneumoniae.
Abstract
פפטידוגליקן (PG) בדופן התא של החיידקים הוא מבנה מקרומולקולרי ייחודי המקנה צורה, והגנה מפני הסביבה. מרכיב מרכזי בהבנת הצמיחה והחלוקה של התאים הוא הידע על האופן שבו פירוק PG משפיע על הביוסינתזה ועל הרכבת דופן התא. לאחרונה דווח על תיוג מטבולי של PG באמצעות הכנסת סוכרים מותאמים או חומצות אמינו. בעוד שחקירה כימית של צעדים ביו-סינטטיים עם מעכבי מולקולות קטנות אפשרית, כלים לביולוגיה כימית לחקר השפלת PG על ידי אוטוליזינים אינם מפותחים מספיק. אוטוליזינים חיידקיים הם סוג רחב של אנזימים המעורבים בפירוק מתואם היטב של PG. כאן מוצג פרוטוקול מפורט להכנת גשושית מולקולה קטנה, masarimycin, שהיא מעכבת של N-אצטיל-גלוקוסאמינידאז LytG ב-Bacillus subtilis, ומטבוליזם של דופן התא בסטרפטוקוקוס דלקת ריאות. הכנת המעכב באמצעות סינתזה אורגנית בסיוע מיקרוגל וקלאסית מסופקת. תחולתו ככלי לחקר פיזיולוגיה גראם-חיובית במבחנים ביולוגיים מוצגת.
Introduction
פפטידוגליקן (PG) הוא פולימר דמוי רשת התוחם את צורת ומבנה התא הן בחיידק גראם חיובי והן בחיידק גראם-שלילי 1,2. הטרופולימר זה הוא מטריצה של סוכרים אמיניים המקושרים על ידי פפטידים קצרים 3,4,5,6 עם עמוד שדרה המורכב משאריות N-אצטילגלוקוסאמין (GlcNAc) ו-N-אצטילמוראמית (MurNAc) המקושרות β(1,4) הקשורות לסירוגין (איור 1)1. מחובר ל-C-3 לקטיל מואטי של MurNAc הוא פפטיד הגבעול. חילוף החומרים של PG כולל מערכת מתואמת היטב של אנזימים ביוסינטטיים ומשפילים כדי לשלב חומר חדש בדופן התא 7,8. השפלה של PG מתבצעת על ידי אנזימים המכונים באופן קולקטיבי אוטוליזינים9 ומסווגים עוד יותר על סמך הספציפיות של הקשר שנבקע. אוטוליסינים משתתפים בתהליכים תאיים רבים, כולל גדילת תאים, חלוקת תאים, תנועתיות, התבגרות PG, כימוטקסיס, הפרשת חלבונים, יכולת גנטית, התמיינות ופתוגניות10,11. חשיפת הפונקציות הביולוגיות הספציפיות של אוטוליזינים בודדים יכולה להיות מרתיעה, בין השאר בשל יתירות תפקודית. עם זאת, מחקרים ביופיזיים אחרונים 8,12,13 ומחקרים חישוביים12 סיפקו תובנות חדשות על תפקידם בחילוף החומרים של PG. בנוסף, הדו”חות האחרונים סיפקו תובנה נוספת לגבי סינתזה14 ו-15,16,17 שלבים בתיווך ממברנה בחילוף החומרים של PG. הבנה מעמיקה של הקשר בין מסלולים מתכלים וסינתטיים של חילוף החומרים של PG עשויה להוליד מטרות אנטיביוטיות שלא נוצלו בעבר.
אמנם חלה התקדמות משמעותית במתודולוגיה לחקר הגליקוביולוגיה באאוקריוטים, אבל הגליקוביולוגיה החיידקית, ובמיוחד, חילוף החומרים של PG לא התקדם בקצב דומה. הגישות הכימיות הנוכחיות לחקר חילוף החומרים של PG כוללות אנטיביוטיקה מסומנת פלואורסצנטית18, בדיקות פלואורסצנטיות19,20, ותיווג מטבולי 21,22,23,24. גישות חדשות אלה מספקות דרכים חדשות לחקור את חילוף החומרים של דופן תאי החיידקים. בעוד שחלק מהאסטרטגיות הללו מסוגלות לתייג PG in vivo, הן יכולות להיות ספציפיות למין19, או לעבוד רק בזנים שחסרים להם אוטוליזיןמסוים 25. אסטרטגיות תיוג PG רבות מיועדות לשימוש עם דפנות תא מבודדות26 או עם מסלולי ביוסינתזה של PG משוחזרים במבחנה 20,27,28. השימוש באנטיביוטיקה עם תווית פלואורסצנטית מוגבל כיום לצעדים ביו-סינטטיים ולטרנספטידציה18.
הידע הנוכחי על אוטוליזינים חיידקיים ותפקידם בחילוף החומרים של דופן התא מגיע מניתוח ביוכימי גנטי ובמבחנה 11,29,30,31,32. בעוד שגישות אלה סיפקו שפע של מידע על סוג חשוב זה של אנזימים, פענוח תפקידם הביולוגי יכול להיות מאתגר. לדוגמה, בשל יתירות תפקודית33, מחיקה של אוטוליזין ברוב המקרים אינה גורמת לעצירת צמיחת החיידקים. זאת למרות תפקידם המרומז בצמיחת התאיםובחלוקתם 7,12. סיבוך נוסף הוא שמחיקה גנטית של אוטוליזין חיידקי יכולה להוליד מטא-פנוטיפים34. מטא-פנוטיפים נובעים מיחסי הגומלין המורכבים בין המסלול המושפע מהמחיקה הגנטית לבין מסלולים מקושרים אחרים. לדוגמה, מטא-פנוטיפ יכול להיווצר באמצעות השפעה ישירה כגון היעדר אנזים, או השפעה עקיפה כגון הפרעה של הרגולטורים.
נכון לעכשיו, ישנם רק כמה מעכבים של גליקוזידאז אוטוליזינים כגון N-אצטילגלוקוסאמינידס (GlcNAcase) ו- N-acetylmuramidases, אשר יכולים לשמש כבדיקות כימיות כדי לחקור את הפירוק של PG. כדי להתמודד עם זה, הדימיד מסארימיצין (שנקרא בעבר fgkc) זוהה ואופיין35 כמעכב בקטריוסטטי של צמיחת Bacillus subtilis המכוון ל-GlcNAcase LytG32 (איור 1). LytG הוא GlcNAcase36 בעל משחק אקסו-אקטיבי, חבר באשכול 2 במשפחת ההידרולאזים הגליקוזיליים 73 (GH73). זהו ה-GlcNAcase הפעיל העיקרי במהלך צמיחה וגטטיבית32. למיטב ידיעתנו, מסארימיצין הוא המעכב הראשון של GlcNAcase הפועל על ידי PG ומעכב את צמיחת התאים. מחקרים נוספים על מסרימיצין עם דלקת ריאות סטרפטוקוקוס מצאו כי מסרימיצין ככל הנראה מעכב את חילוף החומרים של דופן התא באורגניזם זה37. כאן, ההכנה של masarimycin מדווח לשימוש כבדיקה ביולוגיה כימית כדי לחקור פיזיולוגיה באורגניזמים גראם חיוביים B. subtilis, ו S. pneumoniae. דוגמאות לניתוח מורפולוגי של טיפול בריכוז מעכב תת-מינימלי עם מסרימיצין, כמו גם בדיקת סינרגיה/אנטגוניזם מוצגות. מבחני סינרגיה ואנטגוניזם באמצעות אנטיביוטיקה עם דרכי פעולה מוגדרות היטב יכולים להיות דרך שימושית לחקור קשרים בין תהליכים תאיים 38,39,40.
Protocol
Representative Results
Discussion
Masarimycin הוא מעכב בקטריוסטטי מיקרומולרי יחיד של B. subtilis35 ו S. דלקת ריאות37 צמיחה. ב – B. subtilis, מסארימיצין הוכח כמעכב את GlcNAcase LytG35, בעוד שהמטרה המולקולרית המדויקת בדופן התא של S. pneumoniae לא זוהתה37. סינתזה של masarimycin באמצעות סינתזה אורגנ?…
開示
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחקר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע תחת מענק מספר 2009522. ניתוח NMR של מסרימיצין נתמך על ידי פרס תוכנית מכשור המחקר הגדולה של הקרן הלאומית למדע תחת מענק מספר 1919644. כל הדעות, הממצאים והמסקנות, או ההמלצות המובעות בחומר זה הן של המחברים ואינן משקפות בהכרח את דעותיה של הקרן הלאומית למדע.
Materials
| 2-Iodobenzoic acid | SIGMA-ALDRICH | I7675-25G | corrosive, irritant, light yellow to orange-brown powder |
| 2-Propanol | SIGMA-ALDRICH | 109827-4L | flammable, irritant, colorless liquid |
| Acetonitrile | SIGMA-ALDRICH | 34851-4L | flammable, irritant, colorless liquid |
| Aluminum backed silica plates | Sorbtech | 4434126 | silica gel XG F254 on aluminum backed plates |
| chloroform-d | SIGMA-ALDRICH | 151823-50G | solvent for NMR |
| Compact Mass Spectrometer | Advion-Interchim | Advion CMS | compact mass spectrometer equiped with APCI source and atmospheric solids analysis probe |
| Corning Costar 96 well flat bottom plates-sterile | fisher chemical | 07-200-90 | for synergy/antagonism assays |
| cover slips | fisher chemical | 12-547 | for microscopy |
| Cyclohexanecarboxaldehyde | CHEM-IMPEX INT'L INC. | 24451 | flammable, irritant, colorless to pink liquid |
| Cyclohexyl isocyanide | SIGMA-ALDRICH | 133302-5G | irritant, colorless liquid, extremly unpleasant odor |
| Cyclohexylamine | SIGMA-ALDRICH | 240648-100ML | corrosive, flammable, irritant, colorless liquid unless contaminated |
| Ethyl acetate | SIGMA-ALDRICH | 537446-4L | flammable, irritant, colorless liquid |
| flash silica cartridge (12g) | Advion-Interchim | PF-50SIHP-F0012 | pack of flash silica columns (12g) for purification of masarimycin |
| formaldehyde | SIGMA-ALDRICH | F8775-25ML | fixing agent for microscopy |
| HEPES | SIGMA-ALDRICH | H8651-25G | buffer for microscopy fixing solution |
| Hexane, mixture of isomers | SIGMA-ALDRICH | 178918-4L | environmentally damaging, flammable, irritant, health hazard, colorless liquid |
| High performance compact mass spectrometer | Advion | expression | Atmospheric Solids Analysis Probe (ASAP), low resolution |
| High Vac | eppendorf | Vacufuge plus | vacuum aided by centrifugal force and temperature |
| Hydrochloric acid | SIGMA-ALDRICH | 258148-2.5L | corrosive, irritant, colorless liquid |
| hydrochloric acid | SIGMA-ALDRICH | 320331-2.5L | strong acid |
| immersion oil | fisher chemical | 12-365-19 | for microscopy |
| Iodine, resublimed crystals | Alfa Aesar | 41955 | environmentally damaging, irritant, health hazard, dark grey/purple crystals |
| Mestre Mnova | MestreLab Research | software for processing NMR spectra | |
| Methanol | SIGMA-ALDRICH | 439193-4L | flammable, toxic, health hazard, colorless liquid |
| methylene blue | SIGMA-ALDRICH | M9140-25G | microscopy stain for staining cell walls |
| meuller-hinton agar plates + 5% sheep blood | fisher chemical | B21176X | growth media for Streptococcus pneumoniae |
| meuller-hinton broth | fisher chemical | DF0757-17-6 | growth media for Streptococcus pneumoniae |
| microscope slides | fisher chemical | 22-310397 | for microscopy |
| Microwave Synthesis Labstation | MILESTONE | START SYNTH | device that requires the ventilation of a fume hood, equipped with synthesis carousel |
| NMR tubes | SIGMA-ALDRICH | Z562769-5EA | 5mm NMR tubes 600 MHz |
| Nuclear Magnetic Resonance (NMR) | Bruker | Ascend 400 | large superconducting magnet (400MHz) |
| optochin | fisher chemical | AAB21627MC | ethylhydrocupreine hydrochloride |
| petrie plates | Celltreat | 229695 | for preparing agar plates for bacterial growth |
| Primo Star Bright field/Phase contrast Microscope with ERc5s camera | Zeiss | for morphology studies | |
| puriFlash | interchim | XS520plus | flash chromatography purification system |
| resazurin | SIGMA-ALDRICH | R7017-1G | for synergy/antagonism assays |
| Rotary Evaporator | Heidolph | Hei-VAP Value "The Collegiate" | solvent evaporator |
| Sodium bicarbonate | SIGMA-ALDRICH | S6014-500G | irritant, white powder |
| Sodium chloride | fisher chemical | S271-1 | crystalline, colorless |
| Sodium chloride | SIGMA-ALDRICH | S5886-500G | for growth of B.subtilis and preparation of LB media |
| Sodium sulfate | SIGMA-ALDRICH | 7985592-500G | anhydrous, granular, white |
| tryptone | fisher chemical | BP1421-500 | for growth of B.subtilis and preparation of LB media |
| Whitney DG250 Workstation | Microbiology International | DG250 | anaerobic workstation. Anaerobic gas mixture used: 5% hydrogen, 10% carbon dioxide, balance nitrogen |
| yeast extract | fisher chemical | BP1422-500 | for growth of B.subtilis and preparation of LB media |
| Zen Lite (blue) software | Zeiss | for acquiring micrographs |
参考文献
- Vollmer, W., Blanot, D., de Pedro, M. A. Peptidoglycan structure and architecture. FEMS Microbiology Review. 32 (2), 149-167 (2008).
- Munita, J. M., Bayer, A. S., Arias, C. A. Evolving resistance among Gram-positive pathogens. Clinical Infectious Diseases. 61, 48-57 (2015).
- Vollmer, W., Bertsche, U. Murein (peptidoglycan) structure, architecture and biosynthesis in Escherichia coli. Biochimica Biophysica Acta. 1778 (9), 1714-1734 (2008).
- Vollmer, W., Höltje, J. -. V. The architecture of the murein (peptidoglycan) in Gram-negative bacteria: vertical scaffold or horizontal layer(s). Journal of Bacteriology. 186 (18), 5978-5987 (2004).
- Clarke, A. J. Compositional analysis of peptidoglycan by high-performance anion-exchange chromatography. Analytical Biochemistry. 212 (2), 344-350 (1993).
- Kim, S. J., Chang, J., Singh, M. Peptidoglycan architecture of Gram-positive bacteria by solid-state NMR. Biochimica Biophysica Acta. 1848, 350-362 (2014).
- Koch, A. L., Doyle, R. J. Inside-to-outside growth and turnover of the wall of gram-positive rods. Journal of Theoretical Biology. 117 (1), 137-157 (1985).
- Beeby, M., Gumbart, J. C., Roux, B., Jensen, G. J. Architecture and assembly of the Gram-positive cell wall. Molecular Microbiology. 88 (4), 664-672 (2013).
- Shockman, G. D., Daneo-Moore, L., Kariyama, R., Massidda, O. Bacterial walls, peptidoglycan hydrolases, autolysins, and autolysis. Microbial Drug Resistance. 2 (1), 95-98 (1996).
- Dijkstra, A. J., Keck, W. Peptidoglycan as a barrier to transenvelope transport. Journal of Bacteriology. 178 (19), 5555-5562 (1996).
- Blackman, S. A., Smith, T. J., Foster, S. J. The role of autolysins during vegetative growth of Bacillus subtilis 168. 微生物学. 144, 73-82 (1998).
- Misra, G., Rojas, E. R., Gopinathan, A., Huang, K. C. Mechanical consequences of cell-wall turnover in the elongation of a Gram-positive bacterium. Biophysical Journal. 104 (11), 2342-2352 (2013).
- Wheeler, R., et al. Bacterial cell enlargement requires control of cell wall stiffness mediated by peptidoglycan hydrolases. mBio. 6 (4), 00660 (2015).
- Taguchi, A., Kahne, D., Walker, S. Chemical tools to characterize peptidoglycan synthases. Current Opinion in Chemical Biology. 53, 44-50 (2019).
- Welsh, M. A., Schaefer, K., Taguchi, A., Kahne, D., Walker, S. Direction of chain growth and substrate preferences of shape, elongation, division, and sporulation-family peptidoglycan glycosyltransferases. Journal of the American Chemial Society. 141 (33), 12994-12997 (2019).
- Rubino, F. A., et al. Detection of transport intermediates in the peptidoglycan flippase MurJ identifies residues essential for conformational cycling. Journal of the American Chemical Society. 142 (12), 5482-5486 (2020).
- Sjodt, M., et al. Structure of the peptidoglycan polymerase RodA resolved by evolutionary coupling analysis. Nature. 556 (7699), 118-121 (2018).
- Tiyanont, K., et al. Imaging peptidoglycan biosynthesis in Bacillus subtilis with fluorescent antibiotics. Proceedings of the National Academy of Science U S A. 103 (29), 11033-11038 (2006).
- Lebar, M. D., et al. Reconstitution of peptidoglycan cross-linking leads to improved fluorescent probes of cell wall synthesis. Journal of the American Chemical Society. 136 (31), 10874-10877 (2014).
- Do, T., Page, J. E., Walker, S. Uncovering the activities, biological roles, and regulation of bacterial cell wall hydrolases and tailoring enzymes. Journal of Biological Chemistry. 295 (10), 3347-3361 (2020).
- Liang, H., et al. Metabolic labelling of the carbohydrate core in bacterial peptidoglycan and its applications. Nature Communications. 8, 15015 (2017).
- DeMeester, K. E., et al. Metabolic incorporation of N-acetyl muramic acid probes into bacterial peptidoglycan. Current Protocol in Chemical Biology. 11 (4), 74 (2019).
- Lazor, K. M., et al. Use of Bioorthogonal N-acetylcysteamine (SNAc) analogues and peptidoglycan O-acetyltransferase B (PatB) to label peptidoglycan. The FASEB Journal. 32, 630 (2018).
- Wang, Y., Leimkuhler-Grimes, C. Fluorescent labeling of the carbohydrate backbone of peptidoglycan to track degradation in vivo. The FASEB Journal. 29, (2015).
- Kuru, E., et al. In probing of newly synthesized peptidoglycan in live bacteria with fluorescent D-amino acids. Angewandte Chemie International Edition. 51 (50), 12519-12523 (2012).
- Zhou, R., Chen, S., Recsei, P. A dye release assay for determination of lysostaphin activity. Analytical Biochemistry. 171 (1), 141-144 (1988).
- Qiao, Y., et al. Lipid II overproduction allows direct assay of transpeptidase inhibition by β-lactams. Nature Chemical Biology. 13 (7), 793-798 (2017).
- Lebar, M. D., et al. Forming cross-linked peptidoglycan from synthetic Gram-negative lipid II. Journal of the American Chemical Society. 135 (12), 4632-4635 (2013).
- Chen, R., Guttenplan, S. B., Blair, K. M., Kearns, D. B. Role of the D-dependent autolysins in Bacillus subtilis population heterogeneity. Journal of Bacteriology. 191 (18), 5775-5784 (2009).
- Yukie, S., Miki, K., Yoshio, N., Kuniaki, T., Yoshihisa, Y. Identification and characterization of an autolysin-encoding gene of Streptococcus mutans. Infection and Immunity. 73 (6), 3512-3520 (2005).
- Domenech, M., García, E., Moscoso, M. In vitro destruction of Streptococcus pneumoniae biofilms with bacterial and phage peptidoglycan hydrolases. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 55 (9), 4144-4148 (2011).
- Horsburgh, G. J., Atrih, A., Williamson, M. P., Foster, S. J. LytG of Bacillus subtilis is a novel peptidoglycan hydrolase: the major active glucosaminidase. 生化学. 42 (2), 257-264 (2003).
- Vermassen, A., et al. Cell wall hydrolases in bacteria: insight on the diversity of cell wall amidases, glycosidases and peptidases toward peptidoglycan. Frontiers in Microbiology. 10, 331 (2019).
- Martin-Galiano, A. J., Yuste, J., Cercenado, M. I., de la Campa, A. G. Inspecting the potential physiological and biomedical value of 44 conserved uncharacterised proteins of Streptococcus pneumoniae. BMC Genomics. 15, 652 (2014).
- Nayyab, S., et al. Diamide inhibitors of the Bacillus subtilis N-acetylglucosaminidase LytG that exhibit antibacterial activity. ACS Infectioius Diseases. 3 (6), 421-427 (2017).
- Lipski, A., et al. Structural and biochemical characterization of the β-N-acetylglucosaminidase from Thermotoga maritima: Toward rationalization of mechanistic knowledge in the GH73 family. Glycobiology. 25 (3), 319-330 (2014).
- Haubrich, B. A., et al. Inhibition of Streptococcus pneumoniae autolysins highlight distinct differences between chemical and genetic inactivation. bioRxiv. , 300541 (2020).
- Farha, M. A., et al. Inhibition of WTA synthesis blocks the cooperative action of PBPs and sensitizes MRSA to β-lactams. ACS Chemical Biology. 8 (1), 226-233 (2013).
- Lehár, J., et al. Chemical combination effects predict connectivity in biological systems. Molecular Systems Biology. 3 (1), 80 (2007).
- Farha, M. A., et al. Antagonism screen for inhibitors of bacterial cell wall biogenesis uncovers an inhibitor of undecaprenyl diphosphate synthase. Proceedings of the National Academy of Science U S A. 112 (35), 11048-11053 (2015).
- Palomino, J. C., et al. Resazurin microtiter assay plate: simple and inexpensive method for detection of drug resistance in Mycobacterium tuberculosis. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 46 (8), 2720-2722 (2002).
- Odds, F. C. Synergy, antagonism, and what the chequerboard puts between them. Journal of Antimicrobial Chemotherapy. 52 (1), 1 (2003).
- Arrigucci, R., Pozzi, G. Identification of the chain-dispersing peptidoglycan hydrolase LytB of Streptococcus gordonii. PLoS One. 12 (4), 0176117 (2017).
- Bai, X. -. H., et al. Structure of pneumococcal peptidoglycan hydrolase LytB reveals insights into the bacterial cell wall remodeling and pathogenesis. of Biological Chemistry. 289 (34), 23403-23416 (2014).
- Garcia, P., Gonzalez, M. P., Garcia, E., Lopez, R., Garcia, J. L. LytB, a novel pneumococcal murein hydrolase essential for cell separation. Molecular Microbiology. 31 (4), 1275-1281 (1999).
- Giladi, M., Altman-Price, N., Levin, I., Levy, L., Mevarech, M. FolM, a new chromosomally encoded dihydrofolate reductase in Escherichia coli. Journal of Bacteriology. 185 (23), 7015-7018 (2003).
- Chua, P. R., et al. Effective killing of the human pathogen Candida albicans by a specific inhibitor of non-essential mitotic kinesin Kip1p. Molecular Microbiology. 65 (2), 347-362 (2007).
- Rico-Lastres, P., et al. Substrate recognition and catalysis by LytB, a pneumococcal peptidoglycan hydrolase involved in virulence. Scientific Reports. 5, 16198 (2015).
- Vollmer, W., et al. The cell wall of Streptococcus pneumoniae. Microbiology Spectrum. 7 (3), (2019).
- Massidda, O., Nováková, L., Vollmer, W. From models to pathogens: how much have we learned about Streptococcus pneumoniae cell division. Environmental Microbiology. 15 (12), 3133-3157 (2013).
