Salah satu perbedaan utama antara organisme Gram-negatif dan Gram-positif adalah ada atau tidak adanya membran luar.
Pada organisme Gram-negatif, membran luar melindungi organisme dari lingkungan.
Ini menyaring molekul beracun dan membentuk kompartemen, periplasma , yang mempertahankan enzim ekstrasitoplasma yang diperlukan untuk pertumbuhan dan degradasi dinding sel.
Ini juga berfungsi sebagai perancah yang protein dan polisakarida yang memediasi interaksi antara organisme dan lingkungannya berlabuh.
Juga, dengan cara yang tidak sepenuhnya dipahami, membran luar bekerja bersama dengan lapisan tipis peptidoglikan untuk membantu menstabilkan membran dalam sehingga dapat menahan tekanan osmotik yang tinggi di dalam sel.
Organisme gram positif, di sisi lain, tidak memiliki membran luar dan periplasma yang berbeda. Akibatnya lapisan peptidoglikan sangat tebal dibandingkan dengan organisme Gram-negatif.
Lapisan peptidoglikan yang tebal ini menstabilkan membran sel dan juga menyediakan banyak tempat untuk mengikat molekul lain.
Peptidoglikan gram positif sangat dimodifikasi dengan polimer anionik berbasis karbohidrat yang memainkan peran penting dalam integritas membran.
Polimer anionik ini tampaknya melakukan beberapa fungsi yang sama seperti membran luar:
Mereka mempengaruhi permeabilitas membran, memediasi interaksi ekstraseluler, memberikan stabilitas tambahan pada membran plasma, dan, bersama dengan peptidoglikan, bertindak sebagai perancah untuk enzim ekstrasitoplasma yang diperlukan untuk pertumbuhan dan degradasi dinding sel.
Kelas penting dari glikopolimer permukaan sel ini adalah asam teichoic (AT), yang merupakan molekul kaya fosfat yang ditemukan dalam berbagai bakteri Gram-positif, patogen dan non-patogen.
Ada dua jenis asam teikoat:
Asam lipoteichoic (ALT) : yang berlabuh ke membran plasma dan memanjang dari permukaan sel ke lapisan peptidoglikan.
Wall Teichoic Acids (ATP) : yang mengikat secara kovalen dengan peptidoglikan dan meluas melalui dan di luar dinding sel.
Bersama-sama, asam lipoteichoic dan asam teichoic dinding menciptakan apa yang telah tepat digambarkan sebagai “kontinum muatan negatif” yang membentang dari permukaan sel bakteri di luar lapisan terluar peptidoglikan.
Neuhaus dan Baddiley secara komprehensif meninjau asam lipoteichoic dan asam teichoic dinding pada tahun 2003.
Sejak itu, bagaimanapun, peran baru untuk asam teikoat dinding telah ditemukan dalam patogenesis dan telah disarankan bahwa enzim biosintetik yang menghasilkan polimer ini adalah target untuk agen antibakteri baru.
Struktur asam teikoat dinding
Asam teikoat dinding adalah glikopolimer anionik yang secara kovalen terkait dengan peptidoglikan melalui ikatan fosfodiester ke hidroksil C6 dari gula asam N-asetilmuramat.
Mereka dapat mewakili hingga 60% dari total massa dinding sel pada organisme Gram-positif.
Struktur kimia asam teichoic dinding bervariasi antara organisme, seperti yang dijelaskan secara rinci oleh Neuhaus dan Baddiley.
Tetapi struktur yang paling umum terdiri dari disakarida N-acetylmannosamine (ManNAc) (β1 → 4) N-Acetylglucosamine (GlcNAc) dengan satu hingga tiga gliserol fosfat yang melekat pada hidroksil C4 dari residu N-acetylmannosamine (‘unit link’ »).
Diikuti oleh rantai gliserol fosfat atau pengulangan ribitol yang lebih panjang (“tulang punggung”).
- subtilis, organisme caral Gram-positif, menghasilkan poli (gliserol fosfat) atau poli (ribitol fosfat) asam teichoic dinding dinding tergantung pada strain, sedangkan strain S. aureus menghasilkan terutama poli (ribitol fosfat) asam teichoic dari Wall.
Hidroksil dalam gliserol fosfat atau pengulangan ribitol dicocokkan dengan ester d-alanin kationik dan monosakarida, seperti glukosa atau N-asetilglukosamin.
Kehadiran asam teichoic dinding dan modifikasi adaptif tertentu yang ditemukan di dalamnya memiliki efek mendalam pada fisiologi organisme Gram-positif, memengaruhi segalanya mulai dari kation hom eostasis hingga kerentanan antibiotik hingga kelangsungan hidup di inang.
Peran asam teichoic dalam fisiologi bakteri
Peran asam teichoic dalam fisiologi bakteri tidak sepenuhnya dipahami, tetapi bukti pentingnya mereka sangat banyak.
Mutan B. subtilis dan S. aureus yang kekurangan biosintesis asam lipoteichoic dapat diperoleh, tetapi hanya jika mereka tumbuh di bawah kisaran kondisi yang sempit; mereka sensitif terhadap suhu dan menunjukkan cacat pertumbuhan yang parah.
Kekurangan mutan dalam biosintesis asam teikoat dinding juga terganggu dan menunjukkan peningkatan kepekaan terhadap suhu dan komponen tertentu dari buffer, termasuk sitrat; mereka juga cenderung berkumpul dalam kultivasi.
Selanjutnya, strain B. subtilis yang tidak mengekspresikan asam teichoic dinding menunjukkan penyimpangan morfologi yang mendalam.
Strain bakteri di mana ekspresi asam lipoteichoic dan asam teichoic dinding dicegah tidak layak, sebuah pengamatan yang menunjukkan bahwa polimer ini memiliki fungsi yang tumpang tindih dan sebagian dapat saling mengimbangi.
Faktanya, ini dapat diharapkan untuk beberapa fungsi karena keduanya mengandung unit berulang yang terhubung dengan fosfat dengan modifikasi adaptif yang serupa.
Salah satu modifikasi adaptif, d-alanylation, dilakukan dengan mesin yang sama, sehingga bahkan ada beberapa tumpang tindih dalam jalur biosintetik.
Fakta ini membuat sulit untuk membedah fungsi glikopolimer anionik individu, tetapi konsisten dengan gagasan bahwa asam lipoteichoic dan asam teichoic dinding sebagian berlebihan.
Beberapa fungsi yang dikaitkan dengan asam teikoat dinding dijelaskan dalam paragraf berikut.
Asam lipoteichoic berada di luar cakupan ulasan ini, tetapi akan disebutkan jika relevan dengan pembahasan asam teichoic dinding-dinding.
Morat dkk. dan Rahman dkk. masing-masing telah menulis ulasan terbaru tentang struktur dan biosintesis asam lipoteichoic.
Fungsi Ikatan Kation
Asam teikoat dinding membentuk jaringan padat muatan negatif pada permukaan sel Gram-positif.
Untuk mengurangi interaksi elektrostatik tolak-menolak yang dihasilkan antara fosfat tetangga, asam teikoat mengikat gugus kationik, termasuk kation logam monovalen dan divalen.
Jaringan kation yang dikoordinasikan oleh asam teikoat dinding mempengaruhi struktur umum polimer, dan ini pada gilirannya mempengaruhi porositas dan kekakuan selubung sel.
Asam teikoat dinding-dinding penting untuk homeostasis kation pada organisme Gram-positif, dan menyediakan deposit ion di dekat permukaan sel yang mungkin diperlukan untuk aktivitas enzimatik.
Selanjutnya, gradien ion entah bagaimana dapat mengurangi perubahan tekanan osmotik antara bagian dalam dan luar sel.
Jumlah kation yang melekat dapat dimodulasi oleh d-alanylation, modifikasi adaptif yang memperkenalkan amina bermuatan positif.
Asam teikoat dinding-dinding yang kekurangan ester d-alanil dapat mengikat ion Mg2 + hingga 60% lebih banyak daripada polimer analog yang mengandung modifikasi ini.
Pentingnya pengikatan kation disorot oleh pengamatan bahwa strain B. subtilis secara positif mengatur produksi asam teikoatnya dengan adanya konsentrasi Mg2 + yang rendah dan menghasilkan polimer bermuatan negatif lainnya (asam teikuronat) dengan adanya konsentrasi fosfat pembatas.
Studi struktural baru-baru ini telah berfokus pada menjelaskan cara perlekatan kation oleh kelompok asam teikoat dinding fosfat polimer.
Dan para peneliti telah menyarankan bahwa pemahaman yang jelas tentang struktur tiga dimensi asam teikoat dinding dan kelompok kation terikatnya dapat memberikan wawasan yang memfasilitasi desain antimikroba baru.
Kertas perancah
Selain menyediakan situs pengikatan untuk kation, asam teikoat dinding-dinding berfungsi sebagai perancah atau reseptor untuk berbagai molekul lain.
Pada S. aureus, misalnya, mereka berfungsi sebagai reseptor yang diperlukan untuk infeksi fag. Tergantung pada modifikasi menjahit Anda, mereka juga dapat meningkatkan adhesi enzim litik yang dihasilkan oleh neutrofil.
Mereka juga diyakini berfungsi sebagai perancah untuk hidrolase dinding sel yang diproduksi secara endogen (autolisin) yang terlibat dalam pertumbuhan dan pembelahan sel.
Secara umum, interaksi molekuler antara asam teikoat dinding dan biomolekul lainnya tidak dipahami dengan baik, tetapi dapat memberikan wawasan penting tentang fungsi selubung sel.
Adaptasi Fungsi Dependen Modifikasi
Gugus hidroksil rantai utama dalam polimer asam teikoat dinding gliserol dan ribitol fosfat tunduk pada derivatisasi lebih lanjut oleh enzim yang disesuaikan.
Ada dua kelas enzim penjahit: enzim yang mengkatalisis penambahan d-alanil ester dan enzim yang menambahkan gugus glukosil.
Sejauh mana modifikasi ini terjadi pada polimer asam teikoat bergantung pada tegangan dan juga dapat dipengaruhi oleh kondisi lingkungan.
Upaya telah dilakukan untuk memahami peran (s) dari modifikasi ini dalam fisiologi bakteri, dan beberapa studi ini disorot di bawah ini.
Modifikasi adaptif d-alanylation telah diselidiki lebih teliti daripada glikosilasi dan jauh lebih dipahami dalam hal ini.
Perego dkk. adalah yang pertama mengkarakterisasi jalur genetik yang bertanggung jawab untuk modifikasi ini (dlt operon) di B. subtilis.
Secara singkat, jalur biosintetik dimulai secara intraseluler dengan aktivasi d-alanin menjadi aminoasil adenilat yang sesuai oleh DltA.
Molekul ini terkait secara kovalen, sebagai tioester, ke kofaktor yang terkait dengan protein pengangkut d-Ala, DltC.
Meskipun fungsi yang tepat dari DltB dan DltD belum dikonfirmasi, diyakini bahwa mereka memfasilitasi pengangkutan DltC melintasi membran dan penggabungan d-Ala ke dalam asam lipoteichoic dan asam teichoic dinding.
D-alanylation telah ditemukan dipengaruhi oleh beberapa faktor, termasuk media pertumbuhan, pH, dan suhu.
Pengikatan d-alanil ester ke hidroksil dalam asam teikoat mengubah muatan bersih polimer dengan menambahkan amina bermuatan positif.
Modifikasi ini mengurangi tolakan elektrostatik antara rantai asam teikoat yang berdekatan dan mungkin memfasilitasi stabilisasi pembentukan pasangan ion antara ester kationik dan gugus fosfat anionik.
Modifikasi d-alanine memodulasi interaksi sel amplop-lingkungan dan telah terlibat dalam banyak fungsi perancah / reseptor yang diketahui dari asam teichoic dinding.
Misalnya, tidak adanya ester d-alanil dalam polimer asam teikoat telah terbukti meningkatkan kerentanan terhadap peptida antimikroba kationik, mungkin dengan meningkatkan kepadatan muatan negatif pada permukaan sel.
Penghapusan residu alanin juga meningkatkan sensitivitas bakteri terhadap antibiotik glikopeptida dan aktivitas litik enzim yang dihasilkan oleh neutrofil selama infeksi inang.
Sebaliknya, aktivitas enzim autolitik menurun, menunjukkan peran asam teikoat dalam perancah dan / atau aktivasi enzim bakteri yang terlibat dalam proses sintesis dan degradasi dinding sel.
Penghapusan ester d-alanil dari asam teichoic juga telah terbukti melemahkan pengikatan S. aureus ke permukaan buatan, serta jaringan inang.
Sebuah studi baru-baru ini telah menggambarkan pentingnya keseimbangan muatan asam teikoat dinding dalam adhesi ke permukaan buatan seperti kaca dan polistirena.
Karena d-alanylation mempromosikan adhesi yang lebih baik ke jaringan inang dan memberikan beberapa resistensi terhadap enzim litik yang diproduksi inang, strain mutan yang tidak memiliki modifikasi ini telah dipelajari dalam caral infeksi hewan.
Misalnya, dalam caral infeksi kandang jaringan tikus, strain bakteri yang kekurangan d-alanylation lebih rentan terhadap pertahanan inang yang bergantung pada reseptor tipe 2 Toll.
Dalam caral sepsis , strain tersebut dilemahkan dalam kemampuan mereka untuk membangun infeksi, mungkin karena mereka lebih mudah dibersihkan oleh neutrofil.
Berdasarkan penelitian ini dan lainnya, diusulkan bahwa modifikasi d-alanin adalah target diduga untuk antimikroba baru yang bekerja dengan melemahkan virulensi.
Pada tahun 2005, Mei et al. melaporkan sintesis dan evaluasi analog d-Ala aminoasil adenilat yang tidak dapat terhidrolisis sebagai inhibitor DltA yang dirancang pertama, enzim yang mengaktifkan d-Ala.
Senyawa tersebut meningkatkan aktivitas vankomisin terhadap B. subtilis. Hasil ini konsisten dengan penghambatan DltA, dan mendukung gagasan bahwa molekul kecil yang mengganggu d-alanilasi dapat memberikan strategi antimikroba baru.
Glikosilasi adalah modifikasi penjahitan asam teichoic dinding di mana-mana tetapi fungsinya tidak dipahami dengan baik.
Glukosa biasanya ditambahkan ke polimer asam teichoic dinding di B. subtilis, sedangkan N-asetil glukosamin (GlcNAc) ditambahkan di S. aureus.
Tergantung pada strain bakteri, stereokimia ikatan glikosidik dapat berupa -, -, atau campuran dari dua anomer.
Semua galur B. subtilis dan S. aureus yang diurutkan mengandung satu atau lebih gen glikosiltransferase diduga yang dikelompokkan dengan gen biosintetik untuk asam teichoic dinding.
Misalnya, B. subtilis 168 mengandung gen untuk glukosiltransferase yang diduga tertahan yang dapat menambahkan -Glu ke polimer gliserol fosfat.
Strain S. aureus mengandung dua gen yang mengkodekan glikosiltransferase pembalik diduga yang dapat mentransfer -GlcNAc ke polimer poli (ribitol fosfat).
Meskipun beberapa galur S. aureus telah terbukti mengandung asam teichoic dinding terkait -glikosidik, belum ada gen yang diidentifikasi untuk glikosiltransferase yang dapat melakukan modifikasi penyesuaian ini.
Lebih lanjut, tidak ada penelitian yang mengkonfirmasi fungsi enzimatik dari salah satu dinding diduga glikosiltransferase asam teikoat juga belum mengeksplorasi efek pencegahan glikosilasi asam teikoat dinding pada pertumbuhan, pembelahan, interaksi antar sel, atau patogenesis sel bakteri.
Faktanya, sejauh yang kita ketahui, hanya ada satu informasi yang berkaitan dengan fungsi glikosiltransferase asam teikoat dinding dalam literatur:
Penataan ulang mutagenesis menjadi glikosiltransferase diduga dalam galur S. aureus Newman menunjukkan virulensi yang dilemahkan dalam uji pembunuhan nematoda, menunjukkan bahwa glikosilasi dapat berperan dalam patogenesis S. aureus.
Jika glikosilasi ternyata penting untuk patogenesis bakteri, enzim yang dapat beradaptasi dengan glikosiltransferase, seperti enzim yang terlibat dalam d-alanilasi (lihat di atas) akan menjadi target yang mungkin untuk antimikroba.
Peran dalam pemanjangan dan pembelahan sel
Studi terbaru telah melibatkan asam lipoteichoic dan asam teichoic dinding dalam pertumbuhan sel, pembelahan, dan morfogenesis.
Dalam organisme berbentuk batang B. subtilis, asam teikoat telah terbukti memainkan peran yang berbeda dalam morfogenesis bakteri.
Pencegahan ekspresi asam teikoat dinding menghasilkan produksi keturunan yang cacat parah, sedangkan pencegahan biosintesis asam lipoteikoat menyebabkan cacat yang signifikan dalam pembentukan septum dan pemisahan sel.
Kompleks multiprotein yang terpisah diketahui terlibat dalam septasi dan pemanjangan pada B. subtilis, dan Errington dkk telah menyarankan (berdasarkan studi lokalisasi menggunakan enzim berlabel fluoresen).
Bahwa enzim biosintetik asam teikoat dinding berhubungan dengan mesin yang terlibat dalam pemanjangan, sedangkan enzim asam lipoteikoat dapat berhubungan dengan mesin yang terlibat dalam septasi dan pembelahan sel.
Disarankan bahwa distribusi spasial dari dua glikopolimer anionik ini menentukan fungsi spesifiknya.
Cacat pada S. aureus setelah penghilangan asam teikoat dinding kurang menonjol dibandingkan pada B. subtilis, dan fungsi spesifik dalam pertumbuhan dan pembelahan sel belum diusulkan untuk asam teikoat dinding pada organisme ini.
Namun, Oku et al. melaporkan bahwa strain S. aureus tanpa asam lipoteichoic menunjukkan cacat yang signifikan dalam pembentukan septum dan pemisahan sel dan tumbuh hanya di bawah kisaran kondisi yang terbatas, termasuk penurunan suhu.
Berfungsi dalam pembentukan biofilm dan adhesi jaringan inang
Sebagai komponen utama selubung sel, asam teikoat dinding mempengaruhi interaksi sel bakteri dengan lingkungannya dalam banyak cara.
Kita telah menyebutkan bahwa mutan S. aureus yang kekurangan asam teikoat dinding menunjukkan penurunan adhesi awal pada permukaan buatan, termasuk kaca dan polistirena; mereka juga memiliki masalah dalam kemampuan mereka untuk membentuk biofilm.
Mutan asam teichoic dinding kosong yang diubah dalam pembentukan biofilm telah terbukti tidak mengurangi produksi poli-N-asetilglukosamin eksopolisakarida, yang telah diidentifikasi sebagai faktor penting untuk pembentukan biofilm.
Temuan ini menyoroti peran independen yang dimainkan oleh asam teikoat dinding dalam pembentukan biofilm.
Asam teichoic dinding S. aureus juga diperlukan untuk adhesi ke jaringan inang.
Peschel et al telah menunjukkan bahwa strain S. aureus yang tidak mengekspresikan asam teichoic dinding sangat terganggu kemampuannya untuk melekat pada sel epitel hidung dan tidak dapat menjajah saluran hidung tikus kapas.
Mereka juga telah menunjukkan bahwa mutan asam teichoic dinding nol tidak dapat menjajah jaringan endotel yang berasal dari ginjal dan limpa.
Mesin d-alanylation tidak terpengaruh dalam strain ini, dan d-alanylation masih bisa terjadi pada asam lipoteichoic; oleh karena itu, hasil ini mengimplikasikan asam teichoic dinding sebagai faktor independen yang terlibat dalam adhesi sel.
Karena asam teichoic dinding diperlukan untuk infeksi inang dan memainkan peran penting dalam pembentukan biofilm, disarankan bahwa mereka adalah faktor virulensi, yaitu, faktor yang diperlukan untuk pembentukan dan penyebaran infeksi pada inang.
Oleh karena itu, disarankan bahwa enzim yang terlibat dalam biosintesis asam teichoic dinding merupakan target antimikroba baru yang mencegah kolonisasi inang oleh S. aureus.
panorama
Pekerjaan ekstensif selama beberapa dekade telah menjelaskan banyak peran asam teichoic dalam bakteri Gram-positif dan telah menetapkan pentingnya mereka dalam fisiologi bakteri.
Studi biokimia dan genetik telah berkontribusi pada pemahaman yang lebih baik tentang jalur biosintetik asam dinding teichoic, dan sebagian besar langkah dalam jalur biosintetik asam dinding teichoic B. subtilis dan S. aureus telah disusun kembali secara in vitro menggunakan penggunaan substrat sintetis .
Sebuah antibiotik molekul kecil baru-baru ini ditemukan yang menargetkan biosintesis asam teikoat dinding-dinding di S. aureus menggunakan kemajuan genetik dan biokimia baru-baru ini di bidang ini.
Dan itu akan memungkinkan penelitian untuk mengevaluasi biosintesis asam teikoat dinding sebagai jalur untuk intervensi terapeutik.
Hasil positif dari studi ini akan memvalidasi kelas faktor virulensi ini sebagai target antibakteri dan memberikan dorongan lebih lanjut untuk studi dan eksploitasinya.