Построение внешней мембраны грамотрицательных бактерий регулируется пептидогликаном клеточной стенки

В отличие от грамположительных бактерий, у которых поверх клеточной мембраны находится только клеточная стенка из пептидогликана, у грамотрицательных бактерий есть еще и вторая, внешняя мембрана поверх пептидогликановой стенки. Внешняя мембрана содержит белки, в том числе комплексы для сборки β-бочонков (β-barrel assembly machine, BAM). Трансмембранные белки с «бочоночными» структурами специфичны для грамотрицательных бактерий, а также для хлоропластов и митохондрий, и для того, чтобы эти белки правильно встроились в мембрану, необходимы BAM. В новом исследовании британских ученых, опубликованном в Nature, установлено, что при нормальном клеточном цикле образование внешней мембраны и пептидогликанового слоя синхронизованы, причем пептидогликан оказывает существенное влияние на перестройки внешней мембраны во времени и пространстве.

Авторы исследования работали с клетками кишечной палочки Escherichia coli, в которых визуализировали интересующие белки различными методами. Они установили, что активность комплексов BAM (например, BamA), которые обеспечивают вставку белков со структурой β-бочонков во внешнюю мембрану, синхронизована с клеточным циклом, как и достройка самой внешней мембраны. Кроме того, хотя кластеры белка равномерно распределены в мембране, их активность не везде одинакова. Там, где собирается новый участок пептидогликанового слоя, то есть в месте деления — ближе к центру родительской клетки, — достраивается и внешняя мембрана, в ней наиболее активны BAM-комплексы и появляются новые трансмембранные белки.

Как выяснили ученые, активность комплексов BAM во внешней мембране регулируется прямым взаимодействием с пептидогликаном клеточной стенки. Зрелый, богатый тетрапептидными цепочками пептидогликан связывается с компонентами BAM и подавляет их активность. А вновь возникающий пептидогликан средней части клетки, обогащенный пентапептидами, слабо связывается с BAM. Они продолжают работать, в результате наиболее активное встраивание трансмембранных белков и наибольший рост мембраны идет именно в том участке, где произойдет деление. (За рост самой внешней мембраны кишечной палочки отвечает белок, которому для сборки необходим BAM.)

Свои результаты исследователи подтвердили на других грамотрицательных бактериях, таких как Klebsiella pneumoniae и синегнойная палочка Pseudomonas aeruginosa. Они заключили, что в клетках различных грамотрицательных бактерий, находящихся в экспоненциальной фазе роста, действует один и тот же механизм, обеспечивающий взаимодействие между растущим пептидогликановым слоем и внешней мембраной.

«Бактерии крошечные, но они имеют очень высокое внутреннее давление, как автомобильная шина. У них есть прочная клеточная стенка, которая выдерживает давление и предотвращает разрыв, но при этом позволяет им расти и делиться. Что мы впервые обнаружили, так это то, что процесс расширения стенки по мере их роста связан с процессом расширения внешней мембраны», — объясняет Вальдемар Фолмер из Университета Ньюкасла.

Механизмы синхронизации между внешней мембраной и слоем пептидогликана могут стать мишенью лекарственных препаратов, направленных против грамотрицательных бактерий, среди которых много опасных патогенов. «Нарушение этого перекрестного взаимодействия буквально вскроет грамотрицательные бактерии, сделав их уязвимыми для антибиотиков, от которых их защищает внешняя мембрана», — говорит другой автор работы, Колин Клеантус из Оксфорда.