Síntesis de masarimicina, un inhibidor de molécula pequeña del crecimiento bacteriano grampositivo

Peptidoglicano (PG) es un polímero similar a una malla que delinea la forma y estructura celular en bacterias Gram-positivas y Gram-negativas ^1,2. Este heteropolímero es una matriz de aminoazúcares reticulados por péptidos cortos ^3,4,5,6 con una columna vertebral compuesta por residuos de ácido N-acetilglucosamina (GlcNAc) y ácido N-acetilmurámico (MurNAc) alternados β-(1,4) (Figura 1)1. Unido a la fracción C-3 lactyl de MurNAc está el péptido del tallo. El metabolismo de pg implica un sistema estrechamente coordinado de enzimas biosintéticas y degradativas para incorporar nuevo material en la pared celular ^7,8. La degradación de PG se lleva a cabo por enzimas denominadas colectivamente autolisinas⁹ y clasificadas en función de la especificidad del enlace escindido. Las autolisinas participan en muchos procesos celulares, incluyendo el crecimiento celular, la división celular, la motilidad, la maduración pg, la quimiotaxis, la secreción de proteínas, la competencia genética, la diferenciación y la patogenicidad^10,11. Desentrañar las funciones biológicas específicas de las autolisinas individuales puede ser desalentador, debido en parte a la redundancia funcional. Sin embargo, los estudios biofísicos recientes ^8,12,13 y^{computacionales 12} han proporcionado una nueva visión de sus roles en el metabolismo de PG. Además, informes recientes han proporcionado más información sobre la síntesis¹⁴ y^los 15,16,17 pasos mediados por membrana en el metabolismo de PG. Una comprensión profunda de la relación entre las vías degradativas y sintéticas del metabolismo de PG podría dar lugar a objetivos antibióticos previamente no explotados.

Si bien ha habido avances significativos en la metodología para estudiar la glicobiología en eucariotas, la glicobiología bacteriana y, en particular, el metabolismo de PG no ha avanzado a un ritmo similar. Los enfoques químicos actuales para estudiar el metabolismo de PG incluyen antibióticos marcados fluorescentemente¹⁸, sondas fluorescentes^19,20 y etiquetado metabólico 21,22,23,24. Estos nuevos enfoques están proporcionando nuevas formas de interrogar el metabolismo de la pared celular bacteriana. Si bien algunas de estas estrategias son capaces de etiquetar PG in vivo, pueden ser específicas de la especie¹⁹, o solo funcionan en cepas que carecen de una autolisina^{particular 25}. Muchas estrategias de etiquetado de PG están diseñadas para su uso con paredes celulares aisladas²⁶ o con vías de biosíntesis de PG reconstituidas in vitro 20,27,28. El uso de antibióticos marcados fluorescentemente se limita actualmente a pasos biosintéticos y transpeptidación¹⁸.

El conocimiento actual de las autolisinas bacterianas y su papel en el metabolismo de la pared celular proviene del análisis bioquímico genético e in vitro 11,29,30,31,32. Si bien estos enfoques han proporcionado una gran cantidad de información sobre esta importante clase de enzimas, descifrar su papel biológico puede ser un desafío. Por ejemplo, debido a la redundancia funcional³³, la eliminación de una autolisina en la mayoría de los casos no resulta en la detención del crecimiento bacteriano. Esto es a pesar de su papel implícito en el crecimiento celular y la división ^7,12. Otra complicación es que la deleción genética de autolisinas bacterianas puede dar lugar a metafenotipos³⁴. Los metafenotipos surgen de la compleja interacción entre la vía afectada por la deleción genética y otras vías interconectadas. Por ejemplo, un metafenotipo puede surgir a través de un efecto directo, como la falta de una enzima, o un efecto indirecto, como una interrupción de los reguladores.

Actualmente, solo hay unos pocos inhibidores de las autolisinasas glucosidasas como las N-acetilglucosaminidasas (GlcNAcase) y las N-acetilmuramidasas, que se pueden utilizar como sondas químicas para estudiar la degradación de PG. Para abordar esto, la diamida masarimicina (anteriormente denominada como fgkc) ha sido identificada y caracterizada³⁵ como un inhibidor bacteriostático del crecimiento de Bacillus subtilis que se dirige a la GlcNAcase LytG³² (Figura 1). LytG es una GlcNAcase³⁶ de exoacción, un miembro del grupo 2 dentro de la familia de la glicosilhidralasa 73 (GH73). Es el principal activo de GlcNAcase durante el crecimiento vegetativo³². Hasta donde sabemos, la masarimicina es el primer inhibidor de una GlcNAcase que actúa en PG y que inhibe el crecimiento celular. Estudios adicionales de masarimicina con Streptococcus pneumoniae encontraron que la masarimicina probablemente inhibe el metabolismo de la pared celular en este organismo³⁷. Aquí, la preparación de masarimicina se informa para su uso como una sonda de biología química para estudiar la fisiología en los organismos Gram-positivos B. subtilis y S. pneumoniae. Se presentan ejemplos de análisis morfológico del tratamiento de concentración inhibitoria submámica con masarimicina, así como un ensayo de sinergia/antagonismo. Los ensayos de sinergia y antagonismo utilizando antibióticos con modos de acción bien definidos pueden ser una forma útil de explorar las conexiones entre los procesos celulares 38,39,40.