Base estrutural da síntese de peptidoglicano por E. coli RodA

Nature Communications volume 14, número do artigo: 5151 (2023) Citar este artigo

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O peptidoglicano (PG) é um componente estrutural essencial da parede celular bacteriana que é sintetizado durante a divisão e alongamento celular. O PG forma um polímero extracelular crucial para a viabilidade celular, cuja síntese é alvo de muitos antibióticos. A montagem do PG requer uma glicosiltransferase (GT) para gerar um polímero de glicano usando um substrato de Lipídeo II, que é então reticulado ao PG existente através de uma reação de transpeptidase (TP). Uma enzima GT de forma, alongamento, divisão e esporulação (SEDS) e uma proteína de ligação à penicilina classe B (PBP) formam o núcleo do complexo multiproteico necessário para a montagem do PG. Aqui usamos microscopia crioeletrônica de partícula única para determinar a estrutura de um complexo E. coli RodA-PBP2 específico para alongamento celular. Combinamos essas informações com análises bioquímicas, genéticas, espectroscópicas e computacionais para identificar os locais de ligação do Lípido II e propor um mecanismo para a polimerização do Lípido II. Nossos dados sugerem uma hipótese para o movimento da cadeia de glicano do sítio de polimerização do Lipídeo II da RodA em direção ao sítio TP da PBP2, ligando funcionalmente essas duas atividades enzimáticas centrais necessárias para a biossíntese do peptidoglicano da parede celular.

A forma celular nas bactérias é determinada e mantida pelo polímero extracelular peptidoglicano (PG), um sáculo semelhante a uma malha que envolve a membrana citoplasmática composta por cadeias de glicano polimerizadas reticuladas por peptídeos curtos1. A síntese de PG limita a taxa de crescimento bacteriano e sua interrupção resulta na lise celular ou na cessação do crescimento, conforme explorado por muitos produtos naturais e antibióticos semissintéticos . Estes incluem os β-lactâmicos, os antibióticos com maior sucesso clínico até o momento6,7. As proteínas citoplasmáticas que sintetizam o precursor do PG, o Lípido II – um dissacarídeo ligado ao undecaprenil (C55) pirofosfato (Und-PP) de N-acetilglucosamina (GlcNAc) e ácido N-acetilmurâmico (MurNAc)-pentapeptídeo – e as proteínas extracelulares responsáveis ​​por a subsequente polimerização do PG, foram caracterizadas individualmente, bioquímica e estruturalmente8,9.

No periplasma, a biossíntese de PG começa com uma glicosiltransferase (GT) específica do Lípido II que forma um polímero de cadeia de glicano ligando os dissacarídeos de duas moléculas de Lípido II, uma denominada doadora e a outra aceptora, e assim liberando Und-PP de o local doador (Fig. 1a). Depois que as duas moléculas iniciais de Lípido II foram ligadas entre si, o tetra-dissacarídeo resultante ligado ao Und-PP, denominado Lípido IV, torna-se o doador para outro aceitador de Lípido II, por sua vez ligando seu tetra-sacarídeo ao dissacarídeo de Lípido II para produzir o Lípido VI. Este ciclo se repete de maneira processiva, criando cadeias de polissacarídeos progressivamente mais longas ligadas ao Und-PP (o numeral romano indica o número de grupos de monossacarídeos na cadeia de polissacarídeos). Uma vez que o polímero de glicano em crescimento atinge um comprimento suficiente, ele é ligado ao sáculo de PG existente através de ligações cruzadas peptídicas entre o pentapeptídeo da cadeia de glicano e uma haste peptídica no sáculo de PG existente por uma transpeptidase (TP) para produzir PG reticulado (Fig. 1a). Em E. coli, o GT RodA da família Shape, Elongation, Division, and Sporulation (SEDS) e o PBP2, a proteína monofuncional de ligação à penicilina TP classe B, medeiam essas respectivas tarefas enzimáticas . RodA é uma proteína de membrana integral que consiste em dez hélices transmembrana (TM) , enquanto a PBP2 possui uma única hélice TM e um domínio extracelular com uma dobra clássica de PBP de classe B contendo o sítio ativo TP . Juntos, eles constituem o núcleo do alongassoma14, o complexo responsável pela determinação da forma do bastonete bacteriano. Apesar dos recentes avanços em nossa compreensão desta máquina molecular, inclusive derivada da estrutura cristalina de um complexo Thermus thermophilus RodA-PBP2, questões mecanicistas fundamentais permanecem sem solução. Estes incluem a caracterização de determinantes moleculares e estados conformacionais necessários para i) ligação ao lipídeo II, ii) polimerização GT de cadeias de glicano e iii) translocação subsequente do polímero de glicano para o sítio ativo de TP.