Coordination between surface glycopolymer and cell wall biogenesis modulates cell envelope integrity and virulence in Streptococcus pneumoniae

Ogni batterio è avvolto in un guscio resistente e protettivo chiamato involucro cellulare. Questa barriera è la differenza tra la vita e la morte per il microrganismo, proteggendolo dall'ambiente ostile esterno e trattenendo la pressione dei suoi stessi fluidi interni. Per molti batteri, incluso il pericoloso patogeno Streptococcus pneumoniae, questo guscio è una struttura complessa e multistrato. Lo strato più interno è una membrana flessibile, ma l'armatura esterna è una parete spessa e simile a una rete, fatta di catene di zuccheri e peptidi, nota come peptidoglicano. Questa parete è così vitale che molti dei nostri antibiotici più potenti agiscono rompendola. Tuttavia, i batteri hanno imparato a resistere a questi farmaci, costringendo gli scienziati a guardare più a fondo nel modo in cui queste fortezze microscopiche vengono costruite e mantenute. Per sopravvivere, un batterio deve non solo costruire la sua parete, ma anche coordinare la costruzione di altri strati superficiali che si trovano sopra di essa, come lunghi polimeri filamentosi chiamati acidi teicoici della parete. Senza un modo per sincronizzare queste diverse squadre di costruzione, la parete cellulare diventa debole, la cellula perde la sua forma e l'organismo muore.

Un team di ricercatori della University of Massachusetts Medical School e della Columbia University ha scoperto un legame critico tra questi due processi di costruzione in Streptococcus pneumoniae. Hanno scoperto che il macchinario responsabile della costruzione degli acidi teicoici della parete non lavora in isolamento; invece, si connette fisicamente con gli enzimi che costruiscono la parete di peptidoglicano. Questa connessione agisce come un freno regolatore, assicurando che la parete cresca a un ritmo costante e sicuro. Quando questo legame viene interrotto, gli enzimi costruttori della parete vanno in frenesia, creando un accumulo di materiale caotico e tossico che alla fine distrugge la cellula. Questa scoperta rivela una nuova vulnerabilità nel modo in cui questi batteri sopravvivono, offrendo una nuova prospettiva su come progettare farmaci che possano interrompere questa coordinazione e uccidere i batteri.

I ricercatori hanno iniziato osservando cosa accade quando i batteri non riescono a produrre abbastanza acidi teicoici della parete. Nelle cellule normali, questi acidi sono attaccati alla parete di peptidoglicano da enzimi specifici, tra cui uno chiamato LytR. Il team ha creato ceppi batterici in cui la produzione di questi acidi era ridotta. Come previsto, queste cellule mostravano segni di stress, ma un'osservazione sorprendente è emersa mentre osservavano come le cellule costruivano le loro pareti. Utilizzando un colorante fluorescente che brilla quando viene incorporato nel nuovo materiale della parete, hanno visto che le cellule con bassi livelli di acidi teicoici della parete stavano in realtà costruendo le loro pareti molto più velocemente e in modo più caotico rispetto alle cellule sane. La parete stava diventando spessa e disorganizzata, un segno che il macchinario di costruzione stava sfuggendo al controllo.

Per capire perché questo stesse accadendo, gli scienziati hanno cercato mutazioni che potessero risolvere il problema. Hanno fatto crescere i batteri difettosi su una piastra contenente un detergente e una dose debole di un antibiotico, condizioni che di solito li ucciderebbero. Alcuni rari sopravvissuti sono apparsi. Quando i ricercatori hanno sequenziato il DNA di questi sopravvissuti, hanno scoperto che ognuno di essi presentava una piccola varia_zione in un enzima specifico chiamato Pbp1a. Questo enzima è un costruttore chiave della parete di peptidoglicano. Le mutazioni trovate nei sopravvissuti erano tutte situate nella parte dell'enzima responsabile del collegamento delle catene di zucchero. Testando questi enzimi mutati, il team ha confermato che lavoravano più lentamente rispetto alla versione normale. Ciò ha dimostrato che il problema nelle cellule difettose non era la mancanza di materiali da costruzione, ma piuttosto che l'enzima costruttore della parete era troppo attivo. Gli acidi teicoici della parete, si è scoperto, agiscono normalmente per trattenere questo enzima, impedendogli di costruire la parete troppo velocemente.

La domanda successiva era come questi due sistemi separati — i costruttori di acidi teicoici della parete e i costruttori della parete — comunicassero. I ricercatori sospettavano che potessero toccarsi fisicamente. Hanno marcato gli enzimi con marcatori fluorescenti e li hanno osservati al microscopio. Hanno visto che gli enzimi responsabili della creazione degli acidi teicoici della parete e l'enzima costruttore della parete Pbp1a si trovavano nello stesso punto della cellula, proprio dove viene creata la nuova parete. Per dimostrare che interagivano, il team ha mescolato le proteine insieme in una provetta e ha utilizzato una tecnica che estrae le proteine che rimangono attaccate l'una all'altra. Hanno scoperto che gli enzimi degli acidi teicoici della parete e Pbp1a formavano un complesso stabile, aderendo l'uno all'altro come una singola macchina. Questo complesso assicura che, mentre la parete cresce, gli acidi superficiali vengano aggiunti contemporaneamente, mantenendo la struttura equilibrata.

Lo studio ha anche dimostrato che questa coordinazione è essenziale per la capacità dei batteri di causare malattie. Quando i ricercatori hanno infettato larve di insetti con i batteri che avevano bassi livelli di acidi teicoici della parete, gli insetti sono sopravvissuti molto più a lungo rispetto a quelli infettati con i batteri normali. I batteri difettosi erano anche meno capaci di aderire alle cellule polmonari umane e meno capaci di assorbire nuovo DNA dal loro ambiente, un processo che aiuta loro di evolvere la resistenza ai farmaci. Ciò suggerisce che la coordinazione tra la parete e gli acidi superficiali non riguarda solo il mantenere la cella dall'andare in pezzi; è un fattore chiave nel modo in cui i batteri infettano gli ospiti e sopravvivono in natura.

I ricercatori hanno proposto un modello in cui gli acidi teicoici della parete agiscono come un vincolo fisico sull'enzima costruttore della parete. Mentre l'enzima cerca di aggiungere nuove catene di zucchero alla parete, i voluminosi e carichi acidi teicoici della parete si mettono d'intralcio, rallentando l'enzima a una velocità sicura. Senza questi acidi, l'enzima corre libero, aggiungendo troppo materiale troppo rapidamente, il che crea un accumulo tossico che rompe la cellula. Questo meccanismo spiega perché i batteri muoiono quando la coordinazione viene persa. Le scoperte suggeriscono anche che l'enzima Pbp1a è un hub centrale in questo processo, e che interrompere la sua interazione con il macchinario degli acidi teicoici della parete potrebbe essere un modo potente per uccidere i batteri.

Questo lavoro fornisce un quadro chiaro di come un batterio sincronizzi la costruzione dei suoi diversi strati. Mostra che la cellula non costruisce solo la sua parete e la sua superficie separatamente; utilizza un complesso fisico per collegare i due processi insieme. Quando questo legame viene interrotto, la cellula perde la capacità di controllare la propria crescita e diventa vulnerabile. Per gli scienziati che sviluppano nuovi antibiotici, questo offre un nuovo bersaglio. Inveve di cercare solo di fermare la costruzione della parete, i farmaci potrebbero essere progettati per rompere la connessione tra il costruttore della parete e il costruttore dell'acido superficiale. Ciò farebbe sì che la parete cresca in modo incontrollato, uccidendo i batteri dall'interno verso l'esterno. Lo studio evidenzia che comprendere le connessioni fisiche tra le diverse parti della cellula batterica è importante quanto comprendere le parti stesse.