Des chercheurs de Princeton découvrent une nouvelle protéine impliquée dans l'assemblage et la maintenance de la membrane externe bactérienne

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«Des chercheurs de Princeton trouvent la clé pour percer l'armure de bactéries dangereuses», source Eurekalert!

Les chercheurs du laboratoire du Pr Silhavy découvrent une nouvelle protéine impliquée dans l'assemblage et l'entretien de la membrane externe bactérienne, source Département de biologie Moléculaire de l'Université de Princeton.

Dans les bactéries à Gram négatif, le LPS (lipolysaccharides) et les phospholipides sont fabriqués au niveau de la membrane bactérienne interne et doivent être délivrés à travers la paroi cellulaire jusqu'à la membrane externe. La fabrication et l'administration de LPS à la membrane bactérienne externe sont soigneusement équilibrées par rapport aux niveaux de phospholipides car des déséquilibres peuvent être mortels pour la cellule.

Les bactéries sont des organismes unicellulaires essentiels à la santé humaine, à la fois dans notre environnement et à l'intérieur de notre propre corps. Cependant, certaines espèces bactériennes peuvent nous rendre malades.

Lorsqu'un médecin soupçonne une maladie d'origine bactérienne, il effectuera des tests de diagnostic pour identifier quelle espèce bactérienne est à l'origine de la maladie afin de pouvoir élaborer un traitement. L'un de ces tests s'appelle la coloration de Gram, du nom de Hans Christian Gram, qui a développé la technique dans les années 1880. Gram a découvert que certaines espèces bactériennes, les soi-disant bactéries «Gram-négatif», ignoraient un colorant violet qu'il utilisait pour aider à visualiser les microbes sous son microscope. Les scientifiques ont finalement découvert que les bactéries Gram-négatif résistent à l'absorption de colorant parce qu'elles sont enveloppées dans ce qui est, essentiellement, une armure microbienne: leur membrane cellulaire vulnérable est protégée par une couche de sucres bien tassés appelée paroi cellulaire, et en plus de cela, une membrane externe spécialisée.

«Comprendre comment les bactéries construisent cette barrière est une étape importante dans les stratégies d'ingénierie pour la contourner», a déclaré Thomas Silhavy, professeur de biologie moléculaire et auteur principal de deux nouveaux articles sur la membrane externe, l'un en la revue Proceedings of the National Academy of Sciences et l'autre dans la revue Trends in Microbiology.

L'un des principaux composants de la membrane externe est une molécule unique appelée lipopolysaccharide (LPS), qui recouvre la surface de la cellule. «Le LPS aide à augmenter la résistance mécanique de l'enveloppe cellulaire des bactéries Gram-négatif et forme également un revêtement de surface qui empêche les molécules toxiques, y compris certains antibiotiques, de pénétrer dans la cellule», a déclaré Randi Guest, chercheur en postdoc au laboratoire de Silhavy, auteur principal de l'article de Trends in Microbiology.

Le LPS est une toxine réputée puissante qui peut provoquer une maladie grave lorsqu'elle est libérée de la membrane externe bactérienne ou sécrétée par la cellule.

«La quantité de LPS produite par la cellule est soigneusement contrôlée, car trop peu de LPS peut conduire à la rupture de la cellule, tandis que trop de LPS, surtout s'il n'est pas correctement assemblé, est toxique» a dit Guest. «Nous avons passé en revue les études de trois protéines membranaires essentielles qui surveillent non seulement la biosynthèse du LPS à l'intérieur de la cellule, mais également le transport et l'assemblage approprié à la surface cellulaire.»

Comme le discutent Guest et ses collègues dans leur article, la construction de la membrane externe bactérienne représente un problème complexe pour les bactéries car le LPS potentiellement dangereux, fabriqué à l'intérieur de la cellule, doit être transporté à travers la paroi cellulaire pour atteindre la membrane externe. De plus, ces processus doivent être mis en balance avec la fabrication et le transport des autres composants de la membrane, qui chez les bactéries Gram-négatif est principalement constituée d'une classe de molécules appelées phospholipides.

«Un mystère de longue date dans le domaine est la façon dont les phospholipides sont transportés vers la membrane externe», a déclaré Silhavy. Une idée est que les phospholipides peuvent circuler passivement dans les deux sens entre la membrane cellulaire interne de la bactérie et sa membrane externe au niveau des zones de contact, mais cette idée est très controversée. Une nouvelle recherche du groupe de Silhavy soutient l'idée qu'il existe un mode de transport passif.

Jackie Grimm, alors étudiante diplômée dans le laboratoire de Silhavy, avec Handuo Shi, étudiant diplômé du laboratoire de KC Huang à Stanford, a mené un travail pour identifier les protéines impliquées dans le trafic de phospholipides entre les membranes interne et externe. Pour leurs études, les collègues ont utilisé des bactéries qui ont une mutation qui augmente la vitesse à laquelle les phospholipides s'écoulent de la membrane interne vers la membrane externe. Lorsqu'elles sont privées de nutriments, ces bactéries subissent un rétrécissement et une rupture de la membrane interne, suivies de la mort cellulaire, car elles sont incapables de fabriquer de nouveaux phospholipides pour la membrane interne afin de remplacer ceux perdus dans la membrane externe. Les auteurs ont introduit des mutations supplémentaires dans ces bactéries, puis ont recherché des gènes qui, lorsqu'ils sont mutés, affectent la rapidité avec laquelle les bactéries meurent après le retrait des nutriments.

«Nous avons utilisé le séquençage de nouvelle génération pour cribler les gènes impliqués dans ce processus et avons découvert que la perturbation du gène yhdP ralentissait le transport des phospholipides», a déclaré Silhavy.

Bien que leurs données indiquent que la protéine codée par yhdP est impliquée dans le transport des phospholipides entre la membrane cellulaire interne et la membrane cellulaire externe, Grimm, Shi et leurs collègues ont noté qu'il n'est pas encore clair comment la protéine YhdP agit sur ce processus. Un indice potentiel pourrait être trouvé dans sa similitude prédite avec d'autres protéines dont la fonction est déjà connue. L'un d'eux est une protéine de mammifère qui forme un canal qui transporte les phospholipides à travers les membranes.

«Cela suggère que YhdP pourrait former un canal hydrophobe entre la membrane interne et externe à travers laquelle les phospholipides s'écoulent», a noté Silhavy.

«Silhavy et ses collègues fournissent les données les plus solides à ce jour pour identifier comment les phospholipides sont transportés entre les membranes des bactéries, une question insaisissable depuis des décennies dans notre domaine» a déclaré M. Stephen Trent, professeur émérite des maladies infectieuses à l'Université de Géorgie, qui n'était pas impliqué dans les travaux. «Ils ont un argument fort avec la génétique et la biophysique qu'une protéine de fonction inconnue, YhdP, affecte un processus de transport rapide des phospholipides entre les membranes. Il sera vraiment intéressant d'apprendre le rôle de YhdP dans le transport des phospholipides à l'avenir.»

Exploiter une faille dans l'armure des bactéries, selon une étude de l'Université de Leeds

« Exploiter une faille dans l'armure des bactéries », source communiqué de l’Université de Leeds du 1er mai 2020.

Des scientifiques ont identifié un processus clé dans la façon dont les bactéries se protègent contre des attaques et cela annonce une nouvelle stratégie dans la chasse aux antibiotiques.

Des chercheurs de l'Université de Leeds ont reconstitué la façon dont les bactéries construisent leur paroi extérieure et défensive – c’est-à-dire l’armure de la cellule.

L'équipe de recherche s'est concentrée sur Escherichia coli, une bactérie présente dans l’intestins des animaux et des humains. Mais le processus qu'ils ont découvert est partagé par de nombreuses bactéries pathogènes gram-négatif, dont un certain nombre deviennent résistantes aux antibiotiques.

Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Communications.

Le Dr Antonio Calabrese, chercheur universitaire à l'Astbury Center for Structural Molecular Biology, a dirigé la recherche. Il a dit: « Nos découvertes changent notre façon de penser la façon dont ces cellules renouvellent et reconstituent constamment les protéines qui composent la membrane externe. »

« Comprendre ce processus sur comment les bactéries construisent leur paroi cellulaire plus en détail peut identifier des façons d'intervenir et de le perturber. »

« Ce faisant, nous pouvons soit détruire complètement les bactéries, soit réduire la vitesse à laquelle elles se divisent et se multiplient, ce qui rend les infections bactériennes moins graves. »

« Nous sommes au début d'une quête qui pourrait déboucher sur de nouvelles thérapies médicamenteuses qui fonctionnent seules ou avec des antibiotiques existants pour cibler ces bactéries pathogènes. »

La recherche s'est concentrée sur le rôle d'une protéine appelée SurA. Connu sous le nom de protéine chaperon, le travail de SurA consiste à replier d'autres protéines là où elles sont fabriquées, au centre de la cellule, là où elles sont nécessaires, dans ce cas pour renforcer la paroi externe de la bactérie.

Les protéines sont de longues chaînes d'acides aminés qui doivent adopter une forme structurelle définie pour fonctionner efficacement. Sans la protéine chaperon SurA, les protéines essentielles nécessaires à la construction de la paroi cellulaire risquent de perdre leur intégrité structurelle lors de leur voyage vers la membrane externe.

En utilisant des techniques analytiques avancées, les scientifiques ont cartographié comment la protéine chaperon SurA reconnaît les protéines pour les transporter vers la membrane externe bactérienne.

Le Dr Calabrese a dit: « Pour la première fois, nous avons pu voir le mécanisme par lequel la protéine chaperon SurA aide à transporter les protéines vers la membrane externe bactérienne. En effet, elle le fait en entourant les protéines, pour assurer leur passage en toute sécurité. Sans SurA, le pipeline de livraison est rompu et le mur ne peut pas être construit correctement. »

Le professeur Sheena Radford, directrice de l’Astbury Center for Structural Molecular Biology a dit: « Il s'agit d'une découverte passionnante dans notre quête pour trouver des points faibles dans l'armure d'une bactérie que nous pouvons cibler pour arrêter la croissance bactérienne et construire de nouveaux antibiotiques. »

« C’est un début, mais nous savons maintenant comment fonctionne SurA et comment elle se lie ses protéines clients. La prochaine étape consistera à développer des molécules qui interrompent ce processus, qui peuvent être utilisées pour détruire les bactéries pathogènes. »

Le Dr David Brockwell, professeur à l’Astbury Center for Structural Molecular Biology, a dit: « Ce n'est que grâce au travail d'une grande équipe de l'ensemble de l’Astbury Center que nous avons enfin pu comprendre comment SurA transfère les protéines à la membrane bactérienne externe. »

La recherche a été financée par UK Biotechnology and Biological Sciences Research Council et des équipements utilisés on été financés par le BBSRC et le Wellcome Trust.