Hücre duvarı bozulmasını hedefleyerek Bacillus subtilis ve Streptococcus pneumoniae’nin büyümesini engelleyen küçük moleküllü bir prob olan bakteriyostatik diamide masarimycin’in hazırlanması için ayrıntılı bir protokol sunulmuştur. Kimyasal bir prob olarak uygulanması, sinerji / antagonizma tahlillerinde ve B. subtilis ve S. pneumoniae ile morfolojik çalışmalarda gösterilmiştir.
Bakterilerin hücre duvarındaki peptidoglikan (PG), şekil veren ve çevredeki ortamdan koruma sağlayan benzersiz bir makromoleküler yapıdır. Hücre büyümesini ve bölünmesini anlamanın merkezinde, PG bozunmasının biyosentezi ve hücre duvarı montajını nasıl etkilediği bilgisi vardır. Son zamanlarda, PG’nin modifiye şekerlerin veya amino asitlerin eklenmesiyle metabolik etiketlenmesi bildirilmiştir. Küçük molekül inhibitörleri ile biyosentetik adımların kimyasal sorgulanması mümkün olsa da, otolizinler tarafından PG bozunmasını incelemek için kimyasal biyoloji araçları az gelişmiştir. Bakteriyel otolizinler, PG’nin sıkı bir şekilde koordine edilmiş bozunmasında rol oynayan geniş bir enzim sınıfıdır. Burada, Bacillus subtilis’te N-asetilglukozamidaz LytG’nin bir inhibitörü olan küçük moleküllü bir prob olan masarimycin’in ve Streptococcus pneumoniae’de hücre duvarı metabolizmasının hazırlanması için ayrıntılı bir protokol sunulmaktadır. İnhibitörün mikrodalga yardımlı ve klasik organik sentez yoluyla hazırlanması sağlanır. Biyolojik tahlillerde Gram-pozitif fizyolojiyi incelemek için bir araç olarak uygulanabilirliği sunulmaktadır.
Peptidoglikan (PG), hem Gram-pozitif hem de Gram-negatif bakterilerde hücre şeklini ve yapısını tanımlayan ağ benzeri bir polimerdir 1,2. Bu heteropolimer, β-(1,4)-bağlı alternatif N-asetilglukozamin (GlcNAc) ve N-asetilmuramik asit (MurNAc) kalıntılarından oluşan bir omurgaya sahip kısa peptitler 3,4,5,6 ile çapraz bağlanmış bir amino şeker matrisidir (Şekil 1)1. MurNAc’nin C-3 laktil moiety’sine bağlı kök peptididir. PG’nin metabolizması, hücre duvarına yeni materyal dahil etmek için sıkı bir şekilde koordine edilmiş bir biyosentetik ve degradatif enzim sistemini içerir 7,8. PG’nin parçalanması, topluca otolizinler9 olarak adlandırılan enzimler tarafından gerçekleştirilir ve ayrıca bölünen bağın özgüllüğüne göre sınıflandırılır. Otolizinler hücre büyümesi, hücre bölünmesi, hareketlilik, PG olgunlaşması, kemotaksis, protein sekresyonu, genetik yeterlilik, farklılaşma ve patojenite gibi birçok hücresel sürece katılır10,11. Bireysel otolizinlerin spesifik biyolojik fonksiyonlarını çözmek, kısmen fonksiyonel fazlalık nedeniyle göz korkutucu olabilir. Bununla birlikte, son biyofiziksel 8,12,13 ve hesaplamalı çalışmalar 12, PG metabolizmasındaki rolleri hakkında yeni bilgiler sağlamıştır. Ek olarak, son raporlar PG metabolizmasındaki sentez14 ve membran aracılı15,16,17 adım hakkında daha fazla bilgi sağlamıştır. PG metabolizmasının degradatif ve sentetik yolları arasındaki ilişkinin tam olarak anlaşılması, daha önce kullanılmayan antibiyotik hedeflerine yol açabilir.
Ökaryotlarda glikobiyolojiyi incelemek için metodolojide önemli ilerlemeler kaydedilmesine rağmen, bakteriyel glikobiyoloji ve özellikle PG metabolizması benzer bir oranda ilerlememiştir. PG metabolizmasını incelemek için mevcut kimyasal yaklaşımlar arasında floresan olarak etiketlenmiş antibiyotikler18, floresan problar19,20 ve metabolik etiketleme 21,22,23,24 bulunmaktadır. Bu yeni yaklaşımlar, bakteriyel hücre duvarı metabolizmasını sorgulamak için yeni yollar sunmaktadır. Bu stratejilerden bazıları PG’yi in vivo olarak etiketleyebilse de, türe özgü19 olabilir veya yalnızca belirli bir otolizin25’ten yoksun suşlarda çalışabilir. Birçok PG etiketleme stratejisi, izole hücre duvarları 26 veya in vitro yeniden yapılandırılmış PG biyosentez yolları20,27,28 ile kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Floresan etiketli antibiyotiklerin kullanımı şu anda biyosentetik adımlar ve transpeptitasyon18 ile sınırlıdır.
Bakteriyel otolizinler ve hücre duvarı metabolizmasındaki rolleri hakkındaki güncel bilgiler genetik ve in vitro biyokimyasal analizlerden gelmektedir 11,29,30,31,32. Bu yaklaşımlar bu önemli enzim sınıfı hakkında zengin bir bilgi sağlamış olsa da, biyolojik rollerini deşifre etmek zor olabilir. Örneğin, fonksiyonel artıklık33 nedeniyle, çoğu durumda bir otolizinin silinmesi bakteriyel büyümenin durmasına neden olmaz. Bu, hücre büyümesi ve bölünme 7,12’deki zımni rollerine rağmen. Diğer bir komplikasyon ise, bakteriyel otolizinlerin genetik olarak silinmesinin meta-fenotiplere yol açabilmesidir34. Meta-fenotipler, genetik delesyondan etkilenen yol ile diğer birbirine bağlı yollar arasındaki karmaşık etkileşimden kaynaklanır. Örneğin, bir meta-fenotip, bir enzimin eksikliği gibi doğrudan bir etki veya düzenleyicilerin bozulması gibi dolaylı bir etki yoluyla ortaya çıkabilir.
Şu anda, PG’nin parçalanmasını incelemek için kimyasal problar olarak kullanılabilen N-asetilglukozaminidazlar (GlcNAcase) ve N-asetilmuramidazlar gibi glikozidaz otolizinlerinin sadece birkaç inhibitörü vardır. Bunu ele almak için, diamid masarimycin (daha önce fgkc olarak adlandırılan), GlcNAcase LytG32’yi hedef alan Bacillus subtilis büyümesinin bakteriyostatik bir inhibitörü olarak35 tanımlanmış ve karakterize edilmiştir (Şekil 1). LytG, glikozil hidrolaz ailesi 73 (GH73) içindeki küme 2’nin bir üyesi olan ekzo-etkili bir GlcNAcase36’dır. Vejetatif büyüme sırasında ana aktif GlcNAcase’dir32. Bildiğimiz kadarıyla, masarimycin, hücresel büyümeyi inhibe eden PG etkili bir GlcNAcase’in ilk inhibitörüdür. Streptococcus pneumoniae ile masarimycin üzerine yapılan ek çalışmalar, masarimycin’in muhtemelen bu organizmada hücre duvarı metabolizmasını inhibe ettiğini bulmuştur37. Burada, masarimycin’in hazırlanmasının, Gram-pozitif organizmalar B. subtilis ve S. pneumoniae’de fizyolojiyi incelemek için kimyasal bir biyoloji probu olarak kullanılması için rapor edilmiştir. Masarimisin ile minal-minimum inhibitör konsantrasyon tedavisinin morfolojik analizinin yanı sıra bir sinerji / antagonizma testi örnekleri sunulmuştur. İyi tanımlanmış etki modlarına sahip antibiyotiklerin kullanıldığı sinerji ve antagonizma testleri, hücresel süreçler arasındaki bağlantıları araştırmak için yararlı bir yol olabilir38,39,40.
Masarimisin, B. subtilis35 ve S. pneumoniae37 büyümesinin tek bir mikromolar bakteriyostatik inhibitörüdür. B. subtilis’te , masarimycin’in GlcNAcase LytG35’i inhibe ettiği gösterilirken, S. pneumoniae’nin hücre duvarındaki kesin moleküler hedef tanımlanmamıştır37. Klasik organik sentez veya mikrodalga prosedürü kullanılarak masarimisin sentezi, inhibitörün iyi verim ve yüksek saf…
The authors have nothing to disclose.
Araştırma, Ulusal Bilim Vakfı tarafından 2009522 hibe numarası altında desteklenmiştir. Masarimisin’in NMR analizi, Ulusal Bilim Vakfı büyük araştırma enstrümantasyon programı ödülü tarafından 1919644 hibe numarası altında desteklenmiştir. Bu materyalde ifade edilen herhangi bir görüş, bulgu ve sonuç veya öneri yazarlara aittir ve mutlaka Ulusal Bilim Vakfı’nın görüşlerini yansıtmaz.
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 |