Synthese van masarimycine, een kleine molecuulremmer van grampositieve bacteriegroei

Peptidoglycaan (PG) is een mesh-achtig polymeer dat celvorm en -structuur afbakent in zowel Gram-positieve als Gram-negatieve bacteriën ^1,2. Dit heteropolymeer is een matrix van aminosuikers die door korte peptiden ^3,4,5,6 worden verknoopt met een ruggengraat die bestaat uit β-(1,4)-gebonden afwisselende N-acetylglucosamine (GlcNAc) en N-acetylmuramic acid (MurNAc) residuen (Figuur 1)¹. Aan het C-3 lactylgedeelte van MurNAc is het stengelpeptide bevestigd. Het metabolisme van PG omvat een strak gecoördineerd systeem van biosynthetische en degradatieve enzymen om nieuw materiaal in de celwand op te nemen ^7,8. Afbraak van PG wordt uitgevoerd door enzymen die gezamenlijk autolysines⁹ worden genoemd en verder worden geclassificeerd op basis van de specificiteit van de gesplitste binding. Autolysinen nemen deel aan vele cellulaire processen, waaronder celgroei, celdeling, beweeglijkheid, PG-rijping, chemotaxis, eiwitsecretie, genetische competentie, differentiatie en pathogeniciteit^10,11. Het ontrafelen van de specifieke biologische functies van individuele autolysines kan ontmoedigend zijn, deels als gevolg van functionele redundantie. Recente biofysische ^8,12,13 en computationele studies¹² hebben echter nieuw inzicht gegeven in hun rol in het PG-metabolisme. Daarnaast hebben recente rapporten meer inzicht gegeven in de synthese¹⁴ en membraangemedieerde 15,16,17 stappen in PG-metabolisme. Een grondig begrip van de relatie tussen degradatieve en synthetische routes van PG-metabolisme zou aanleiding kunnen geven tot eerder onaangeboorde antibioticadoelen.

Hoewel er aanzienlijke vooruitgang is geboekt in de methodologie om glycobiologie in eukaryoten te bestuderen, is bacteriële glycobiologie en in het bijzonder PG-metabolisme niet in een vergelijkbaar tempo gevorderd. Huidige chemische benaderingen om pg-metabolisme te bestuderen omvatten fluorescerend gelabelde antibiotica¹⁸, fluorescerende sondes^19,20 en metabole etikettering 21,22,23,24. Deze nieuwe benaderingen bieden nieuwe manieren om het bacteriële celwandmetabolisme te ondervragen. Hoewel sommige van deze strategieën in staat zijn om PG in vivo te labelen, kunnen ze soortspecifiek¹⁹ zijn, of alleen werken bij stammen zonder een bepaalde autolysine²⁵. Veel PG-etiketteringsstrategieën zijn bedoeld voor gebruik met geïsoleerde celwanden²⁶ of met in vitro gereconstitueerde PG-biosyntheseroutes 20,27,28. Het gebruik van fluorescerend gelabelde antibiotica is momenteel beperkt tot biosynthetische stappen en transpeptidatie¹⁸.

De huidige kennis van bacteriële autolysines en hun rol in het celwandmetabolisme komt uit genetische en in vitro biochemische analyse 11,29,30,31,32. Hoewel deze benaderingen een schat aan informatie hebben opgeleverd over deze belangrijke klasse van enzymen, kan het ontcijferen van hun biologische rol een uitdaging zijn. Bijvoorbeeld, als gevolg van functionele redundantie³³, deletie van een autolysine resulteert in de meeste gevallen niet in het stoppen van de bacteriegroei. Dit ondanks hun impliciete rol in celgroei en deling ^7,12. Een andere complicatie is dat genetische deletie van bacteriële autolysines aanleiding kan geven tot metafenotypen³⁴. Metafenotypen komen voort uit het complexe samenspel tussen de route die wordt beïnvloed door de genetische deletie en andere onderling verbonden paden. Zo kan een metafenotype ontstaan via een direct effect zoals het ontbreken van een enzym, of een indirect effect zoals een verstoring van regulatoren.

Momenteel zijn er slechts een paar remmers van glycosidase autolysinen zoals N-acetylglucosaminidasen (GlcNAcase) en N-acetylmuramidases, die kunnen worden gebruikt als chemische sondes om de afbraak van PG te bestuderen. Om dit aan te pakken, is de diamide masarimycine (voorheen aangeduid als fgkc) geïdentificeerd en gekarakteriseerd³⁵ als een bacteriostatische remmer van Bacillus subtilis groei die zich richt op de GlcNAcase LytG³² (figuur 1). LytG is een exo-werkende GlcNAcase³⁶, een lid van cluster 2 binnen glycosylhydrolasefamilie 73 (GH73). Het is de belangrijkste actieve GlcNA-zaak tijdens vegetatieve groei³². Voor zover wij weten, masarimycine is de eerste remmer van een PG-werkende GlcNAcase die de cellulaire groei remt. Aanvullende studies van masarimycine met Streptococcus pneumoniae vonden dat masarimycine waarschijnlijk het celwandmetabolisme in dit organisme remt³⁷. Hier wordt de bereiding van masarimycine gerapporteerd voor gebruik als een chemische biologiesonde om de fysiologie te bestuderen in de Gram-positieve organismen B. subtilis en S. pneumoniae. Voorbeelden van morfologische analyse van subminimale remmende concentratiebehandeling met masarimycine, evenals een synergie / antagonisme-assay worden gepresenteerd. Synergie- en antagonismetests met behulp van antibiotica met goed gedefinieerde werkingsmechanismen kunnen een nuttige manier zijn om verbanden tussen cellulaire processen te onderzoeken 38,39,40.