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Nature Microbiology volume 8, pagine 1549–1560 (2023) Cita questo articolo 4936 Accessi 1 Citazioni 77 Dettagli sulle metriche alternative Per esplorare nicchie favorevoli evitando le minacce, molti batteri utilizzano un

Nature Microbiology volume 8, pagine 1549–1560 (2023)Citare questo articolo

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77 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

Per esplorare nicchie favorevoli evitando le minacce, molti batteri utilizzano un sistema di navigazione chemiotassi. Nonostante decenni di studi sulla chemiotassi, la maggior parte dei segnali e delle proteine ​​sensoriali sono ancora sconosciuti. Molte specie batteriche rilasciano d-amminoacidi nell'ambiente; tuttavia, la loro funzione rimane in gran parte non riconosciuta. Qui riveliamo che la d-arginina e la d-lisina sono segnali repellenti chemiotattici per l'agente patogeno del colera Vibrio cholerae. Questi d-amminoacidi sono rilevati da un singolo chemiorecettore MCPDRK co-trascritto con l'enzima racemasi che li sintetizza sotto il controllo del fattore sigma di risposta allo stress RpoS. La caratterizzazione strutturale di questo chemiorecettore legato alla d-arginina o alla d-lisina ci ha permesso di individuare i residui che ne definiscono la specificità. È interessante notare che la specificità per questi d-amminoacidi sembra essere limitata a quegli ortologi MCPDRK legati trascrizionalmente alla racemasi. I nostri risultati suggeriscono che i d-amminoacidi possono modellare la biodiversità e la struttura di comunità microbiche complesse in condizioni avverse.

La maggior parte dei batteri può percepire e rispondere a un’ampia varietà di segnali per prosperare in ambienti mutevoli. Una di queste risposte adattative è la chemiotassi, mediante la quale i batteri mobili monitorano i cambiamenti nelle concentrazioni locali di determinate sostanze e avviano una cascata di segnali che, nel tempo, influenza il movimento batterico verso condizioni favorevoli (ad esempio, nutrienti) o lontano da composti tossici1.

Sebbene esistano componenti specie-specifici, il nucleo della via di segnalazione della chemiotassi è costituito da chemocettori, noti come proteine ​​​​chemiotassiche accettanti metile (MCP), la proteina adattatrice CheW, l'istidina chinasi CheA e il regolatore della risposta CheY. In alcune specie come Escherichia coli, gli MCP formano un complesso sensoriale ternario stabile con CheW e CheA che tipicamente si raggruppano ai poli cellulari. Dopo il legame del ligando o altre perturbazioni ambientali, gli MCP cambiano conformazione e modulano l'attività della CheA chinasi con l'aiuto di CheW. CheA a sua volta fosforila CheY, permettendogli così di legarsi al motore flagellare per indurre la rotazione in senso orario e, quindi, la rotazione cellulare2,3. Per garantire una risposta rapida agli stimoli chemiotattici, la fosforilazione di CheY può essere controllata da una specifica fosfatasi4. Sebbene i componenti principali della segnalazione chemiotassi siano altamente conservati tra batteri e archaea, il numero e il tipo di chemocettori sono altamente variabili tra le specie e le loro specificità rimangono in gran parte non caratterizzate5,6,7.

Rispetto a E. coli, che ha un unico sistema chemosensoriale e 5 MCP, il patogeno facoltativo Vibrio cholerae ha un sistema di chemiotassi molto sofisticato organizzato in tre serie di vie chemosensoriali (sistemi Che I/F9, II/F6 e III/F7) e almeno 45 chemocettori8. Finora è stato dimostrato che solo il sistema II/F6 controlla la motilità9, mentre la funzione degli altri rimane poco chiara. È stato suggerito che l'elevato numero di MCP rifletta la complessità del ciclo di vita di V. cholerae10; tuttavia, ad eccezione di una manciata di segnali di input (ad esempio, l-amminoacidi11, taurina12, ossigeno13) non ci sono quasi informazioni sulla specificità del ligando della maggior parte degli MCP.

V. cholerae rilascia concentrazioni millimolari di diversi d-amminoacidi (DAA) nell'ambiente14,15 (Fig. 1a). I DAA sono prodotti dalle loro controparti l-aminoacidi (LAA) dalla racemasi ad ampio spettro BsrV, che è conservata in molte specie batteriche14. Queste molecole regolano diversi processi cellulari (ad esempio, la biogenesi della parete cellulare16,17, l'integrità del biofilm18,19,20,21, la germinazione delle spore22 o le interazioni batteri-batteri15) ma, nel complesso, il ruolo fisiologico dei DAA extracellulari dipende principalmente da ogni specifico d- tipo di aminoacidi e specie batteriche. In V. cholerae, è noto che d-Met e d-Leu modulano la biogenesi della parete cellulare, ma la funzione di altri DAA non è chiara.

 1, attractants; CR < 1, repellents; CR = 1, no response. Black diamonds represent the mean of 3 independent biological replicates. Significant differences (unpaired t-test) are indicated by *P < 0.05 or ***P < 0.001. f, Thermal proteome profiling analysis of V. cholerae cell extracts exposed to d-Arg. Stabilized and destabilized proteins in the presence of d-Arg are highlighted in red and green, respectively. From the 45 MCPs found in V. cholerae’s genome (black), only 3 interacted with d-Arg: VC2161, VC1313 and VC1406. g, Chemotactic response of selected MCP candidates to d-Arg. Double mutants (ΔbsrV Δmcp) were constructed and the ability to respond to d-Arg was tested by capillary assays. ΔbsrV strain was used as background. LAA, l-amino acids; DAA, d-amino acids. Black diamonds represent the mean of 3 independent biological replicates. Significant differences (unpaired t-test) are indicated by ***P < 0.001./p> 500 cells). The colour bar represents fluorescence intensity. b, Bottom: growth-phase dependent subcellular localization of sfGFP-MCPDRK. Filled grey circles, OD600  of V. cholerae grown in TB; open tradewind-blue circles, percentage of cells with sfGFP-MCPDRK polar foci. Top: western blot against sfGFP-MCPDRK using anti-GFP-specific antibody at the indicated OD600. Samples were normalized and loaded with equal protein amount. c, Growth curve of V. cholerae grown in MSR6 minimal medium supplemented with 0.04% w/v d-glucose and 0.4% w/v succinate (grey line) at the indicated timepoints. The corresponding percentage of cells with sfGFP-MCPDRK foci (open tradewind-blue circles) is also indicated. Red (glucose depletion) and purple (succinate depletion) arrows indicate carbon starvation. Quantification of % of cells with polar foci in b and c was based on a single experiment where >500 cells were counted from 3 different images per timepoint. d, Left: micrographs showing the expression of sfGFP-MCPDRK in a ΔrpoS mutant background. Representative micrographs of 3 independent replicates are shown; at least 3 images were acquired per timepoint: scale bar, 2 μm. Right: demographic analysis of the fluorescence intensity of sfGFP-MCPDRK relative to cell length. The colour bar represents fluorescence intensity. e, Chemotaxis response of ΔrpoS mutant to d-Arg. Black diamonds represent the mean of 3 independent biological replicates. Error bars represent mean ± s.d. of 3 biologically independent replicates. Significant differences (unpaired t-test) are indicated by ***P < 0.001. f, DAA production by the different strains. Significant differences (unpaired t-test) are indicated by **P < 0.01 or ***P < 0.001./p>50%) cluster together with a BsrV-like racemase (for example, many Vibrio species and Moritella sp.), suggesting coevolution of d-amino acid production and chemotactic recognition. In these orthologues, the d-Arg/d-Lys binding site residues are either fully conserved or have only subtle changes (for example, V. metschnikovii, V. cincinnatiensis and V. anguillarum; see Extended Data Fig. 7). Species with MCPDRK orthologues of slightly lower identity (48–51%) (for example, Aeromonas and Aliivibrio) form a single clade and typically show a substantial change in two important binding site residues: D > S in position 47, resulting in a loss of the salt bridge with the ligand, and W > G in position 107, which removes the stacking interaction with the ligand. Remarkably, in these species, the BsrV-like racemase does not form an operon with the chemoreceptor but is encoded elsewhere in the genome. Finally, the species encoding MCPDRK homologues of lower identity (<45%) (for example, V. owensii) contain neither the d-Arg/d-Lys binding residues nor a BsrV-like locus./p> 0) or down (b < 0) the gradient./p>