Una de las principales diferencias entre organismos Gram-negativos y Gram-positivos es la presencia o ausencia de una membrana externa.
En organismos Gram-negativos, la membrana externa protege al organismo del medio ambiente.
Filtra las moléculas tóxicas y establece un compartimento, el periplasma, que retiene las enzimas extracitoplásmicas requeridas para el crecimiento y la degradación de la pared celular.
También sirve como andamio para el cual se anclan proteínas y polisacáridos que median las interacciones entre el organismo y su entorno.
Además, de formas que no se entienden completamente, la membrana externa funciona junto con una capa delgada de peptidoglicano para ayudar a estabilizar la membrana interna de manera que pueda resistir las presiones osmóticas altas dentro de la célula.
Los organismos grampositivos, en cambio, carecen de una membrana externa y de un periplasma distinto. Las capas de peptidoglucano son, en consecuencia, muy gruesas en comparación con las de organismos Gram-negativos.
Estas capas gruesas de peptidoglicano estabilizan la membrana celular y también proporcionan muchos sitios a los que se pueden unir otras moléculas.
El peptidoglicano grampositivo está muy modificado con polímeros aniónicos basados en carbohidratos que juegan un papel importante en la integridad de la membrana.
Estos polímeros aniónicos parecen realizar algunas de las mismas funciones que la membrana externa:
Influyen en la permeabilidad de la membrana, median interacciones extracelulares, proporcionan estabilidad adicional a la membrana plasmática y, junto con el peptidoglicano, actúan como andamios para enzimas extracitoplásmicas requeridas para la pared celular crecimiento y degradación.
Una clase importante de estos glicopolímeros de superficie celular son los ácidos teicoicos (AT), que son moléculas ricas en fosfato que se encuentran en una amplia gama de bacterias Gram-positivas, patógenos y no patógenos por igual.
Hay dos tipos de ácidos teicoicos:
Los ácidos lipoteicoicos (ALT): que se anclan a la membrana plasmática y se extienden desde la superficie celular a la capa de peptidoglicano.
Los ácidos teicoicos de pared (ATP): que se unen covalentemente al peptidoglicano y se extienden a través y más allá de la pared celular.
Juntos, los ácidos lipoteicoicos y ácidos teicoicos de pared crean lo que se ha descrito acertadamente como un «continuo de carga negativa» que se extiende desde la superficie de la célula bacteriana más allá de las capas más externas de peptidoglicano.
Neuhaus y Baddiley revisaron exhaustivamente tanto los ácidos lipoteicoicos como los ácidos teicoicos de pared en 2003.
Desde entonces, sin embargo, se han descubierto nuevas funciones para la ácidos teicoicos de pared en la patogénesis y se ha sugerido que las enzimas biosintéticas que producen estos polímeros son objetivos para nuevos agentes antibacterianos.
Estructura del ácido teicoico de pared
Los ácidos teicoicos de pared son glicopolímeros aniónicos que se unen covalentemente al peptidoglicano a través de un enlace fosfodiéster al hidroxilo C6 de los azúcares del ácido N-acetilmurámico.
Pueden representar hasta el 60% de la masa total de la pared celular en organismos Gram-positivos.
Las estructuras químicas de los ácidos teicoicos de pared varían entre organismos, como se describe en detalle por Neuhaus y Baddiley.
Pero las estructuras más comunes están compuestas por un disacárido de N-acetylmannosamine (ManNAc) (β1 → 4) N-Acetilglucosamina (GlcNAc) con uno a tres fosfatos de glicerol unidos al hidroxilo C4 de el residuo de N-acetylmannosamine (la «unidad de enlace»).
Seguido por una cadena mucho más larga de repeticiones de fosfato de glicerol o ribitol (la «cadena principal»).
B. subtilis, el organismo modelo Gram-positivo, produce poli (glicerol fosfato) o poli (ribitol fosfato) ácidos teicoicos de pared dependiendo de la cepa, mientras que las cepas de S. aureus producen principalmente poli (ribitol fosfato) ácidos teicoicos de pared.
Los hidroxilos en las repeticiones de fosfato de glicerol o ribitol se adaptan con ésteres catiónicos de d-alanina y monosacáridos, como glucosa o N-acetilglucosamina.
La presencia de ácidos teicoicos de pared y las modificaciones particulares de adaptación que se encuentran en ellos tienen profundos efectos sobre la fisiología de los organismos Gram-positivos, e impactan todo desde catión hom eostasis a la susceptibilidad antibiótica a la supervivencia en un huésped.
Funciones de los ácidos teicoicos en la fisiología bacteriana
Las funciones de los ácidos teicoicos en la fisiología bacteriana se entienden de forma incompleta, pero la evidencia de su importancia es abrumadora.
Se pueden obtener mutantes de B. subtilis y S. aureus deficientes en la biosíntesis de ácidos lipoteicoicos, pero solo si se cultivan en un rango estrecho de condiciones; son sensibles a la temperatura y muestran graves defectos de crecimiento.
Los mutantes deficientes en la biosíntesis de ácidos teicoicos de pared también se ven comprometidos y manifiestan una mayor sensibilidad a la temperatura y ciertos componentes del tampón, incluido el citrato; también tienden a agregarse en cultivo.
Además, las cepas de B. subtilis que no expresan ácidos teicoicos de pared muestran aberraciones morfológicas profundas.
Las cepas bacterianas en las que se previenen la expresión de ácidos lipoteicoicos y ácidos teicoicos de pared no son viables, una observación que sugiere que estos polímeros tienen funciones superpuestas y pueden compensarse parcialmente unos a otros.
De hecho, esto podría esperarse para algunas funciones ya que ambos contienen unidades repetidas unidas a fosfato con modificaciones de adaptación similares.
Una de las modificaciones de adaptación, d-alanilación, se lleva a cabo con la misma maquinaria, por lo que incluso hay cierta superposición en las vías biosintéticas.
Este hecho dificulta la disección de las funciones de los glicopolímeros aniónicos individuales, pero es coherente con la idea de que los ácidos lipoteicoicos y ácidos teicoicos de pared son parcialmente redundantes.
Algunas de las funciones atribuidas a los ácidos teicoicos de pared se describen en los siguientes párrafos.
Los ácidos lipoteicoicos están fuera del alcance de esta revisión, pero se mencionarán en los casos en los que sea relevante para la discusión de los ácidos teicoicos de pared.
Morath et al. y Rahman et al. cada uno de ellos ha escrito reseñas recientes sobre la estructura y la biosíntesis del ácidos lipoteicoicos.
Funciones del enlace de cationes
Los ácidos teicoicos de pared forman una densa red de cargas negativas en superficies de células Gram-positivas.
Para aliviar las interacciones electrostáticas repulsivas resultantes entre los fosfatos vecinos, los ácidos teicoicos se unen a los grupos catiónicos, incluidos los cationes de metales monovalentes y divalentes.
Las redes de cationes coordinados por ácidos teicoicos de pared afectan la estructura general de los polímeros, y esto a su vez influye en la porosidad y la rigidez de la envoltura celular.
Los ácidos teicoicos de pared son importantes para la homeostasis del catión en organismos Gram-positivos, y proporcionan un depósito de iones cerca de la superficie de la célula que podría ser necesario para la actividad enzimática.
Además, el gradiente de iones podría de alguna manera mitigar el cambio de presión osmótica entre el interior y el exterior de la célula.
La cantidad de cationes unidos puede modularse mediante d-alanilación, una modificación de adaptación que introduce aminas cargadas positivamente.
Los ácidos teicoicos de pared que carecen de ésteres de d-alanilo pueden unir hasta un 60% más de iones Mg2 + que los polímeros análogos que contienen esta modificación.
La importancia de la unión de cationes se destaca por la observación de que las cepas de B. subtilis regulan positivamente su producción de ácidos teicoicos en presencia de bajas concentraciones de Mg2+ y producen otros polímeros con carga negativa (ácido teichurónico) en presencia de concentraciones de fosfato limitantes.
Estudios estructurales recientes se han centrado en dilucidar modos de unión de cationes por grupos de fosfato polimérico ácidos teicoicos de pared.
Y los investigadores han sugerido que una comprensión clara de la estructura tridimensional de los ácidos teicoicos de pared y sus grupos de cationes unidos podría proporcionar ideas que faciliten el diseño de nuevos antimicrobianos.
Papeles de andamiaje
Además de proporcionar sitios de unión para cationes, los ácidos teicoicos de pared sirven como andamios o receptores para una amplia gama de otras moléculas.
En S. aureus, por ejemplo, funcionan como receptores necesarios para la infección del fago. Dependiendo de sus modificaciones de sastrería, también podrían promover la adhesión de las enzimas líticas producidas por los neutrófilos.
También se cree que sirven como andamios para hidrolasas de pared celular producidas endógenamente (autolisinas) involucradas en el crecimiento y la división celular.
En general, las interacciones moleculares entre los ácidos teicoicos de pared y otras biomoléculas no se conocen bien, pero podrían proporcionar ideas cruciales sobre la función de la envoltura celular.
Adaptación de las funciones dependientes de la modificación
Los principales grupos hidroxilo de la cadena en los polímeros de ácidos teicoicos de pared tanto de glicerol como de ribitol fosfato están sujetos a derivación adicional por enzimas adaptadas.
Hay dos clases de enzimas de sastrería: las que catalizan la adición de ésteres de d-alanilo y las que añaden grupos glucosilo.
El grado en que estas modificaciones ocurren en los polímeros ácidos teicoicos depende de la tensión y también puede verse afectado por las condiciones ambientales.
Se han realizado esfuerzos para comprender el (los) papel (s) de estas modificaciones en la fisiología bacteriana, y algunos de estos estudios se destacan a continuación.
La modificación de adaptación d-alanilación se ha investigado más exhaustivamente que la glucosilación y se entiende mucho mejor en este punto.
Perego et al. fueron los primeros en caracterizar la vía genética responsable de esta modificación (dlt operon) en B. subtilis.
Brevemente, la ruta biosintética comienza intracelularmente con la activación de d-alanina a su aminoacil adenilato correspondiente por DltA.
Esta molécula se une covalentemente, como un tioéster, a un cofactor unido a la proteína transportadora d-Ala, DltC.
Aunque las funciones precisas de DltB y DltD no se han confirmado, se cree que facilitan el transporte de DltC a través de la membrana y la incorporación de d-Ala en ambos ácidos lipoteicoicos y ácidos teicoicos de pared.
Se ha encontrado que la d-alanilación se ve afectada por varios factores, incluidos los medios de crecimiento, el pH y la temperatura.
La unión de ésteres de d-alanilo a los hidroxilos en ácidos teicoicos altera la carga neta del polímero añadiendo aminas cargadas positivamente.
Esta modificación reduce la repulsión electrostática entre las cadenas ácidos teicoicos vecinas y posiblemente facilita la estabilización de la formación de pares iónicos entre los ésteres catiónicos y los grupos aniónicos de fosfato.
La modificación de d-alanina modula las interacciones entre la envoltura celular y el entorno y se ha implicado en muchas de las funciones andamiaje/receptor conocidas de los ácidos teicoicos de pared.
Por ejemplo, se ha demostrado que la ausencia de esteres de d-alanilo en los polímeros ácidos teicoicos aumenta la susceptibilidad a los péptidos antimicrobianos catiónicos, posiblemente al aumentar la densidad de carga negativa en la superficie celular.
La eliminación de los residuos de alanina también aumenta la sensibilidad bacteriana a los antibióticos glucopéptidos y a la actividad lítica de las enzimas producidas por neutrófilos durante infección del huésped.
Por el contrario, la actividad de las enzimas autolíticas disminuye, sugiriendo un papel para los ácidos teicoicos en el andamiaje y/o la activación de enzimas bacterianas implicadas en los procesos de síntesis y degradación de la pared celular.
La eliminación de ésteres de d-alanilo de ácidos teicoicos también se ha demostrado que atenúa la unión de S. aureus a superficies artificiales, así como al tejido del huésped.
Un estudio reciente ha ilustrado la importancia del equilibrio de carga de los ácidos teicoicos de pared en la adhesión a superficies artificiales, como el vidrio y el poliestireno.
Dado que la d-alanilación promueve una mejor adhesión al tejido del huésped y confiere cierta resistencia a las enzimas líticas producidas por el huésped, las cepas mutantes que carecen de esta modificación se han estudiado en modelos de infección animal.
Por ejemplo, en un modelo de infección de jaula de tejido de ratón, las cepas bacterianas que carecían de d-alanilación eran más susceptibles a las defensas del huésped dependientes del receptor tipo 2 Toll.
En un modelo de septicemia, tales cepas se atenuaban en su capacidad para establecer una infección, posiblemente porque fueron más fácilmente eliminados por los neutrófilos.
Con base en estos y otros estudios, se propuso que la modificación con d-alanina es un objetivo putativo para nuevos antimicrobianos que funcionan atenuando la virulencia.
En 2005, May et al. informó la síntesis y evaluación de un análogo no hidrolizable de adenilato de aminoacilo de d-Ala como el primer inhibidor diseñado de DltA, la enzima que activa el d-Ala.
El compuesto mejoró la actividad de la vancomicina contra B. subtilis. Este resultado es consistente con la inhibición de DltA, y respalda la idea de que las moléculas pequeñas que interfieren con la d-alanilación podrían proporcionar una nueva estrategia para los antimicrobianos.
La glicosilación es una modificación de sastrería ubicua de ácidos teicoicos de pared pero sus funciones no se conocen bien.
La glucosa se agrega comúnmente a los polímeros de ácidos teicoicos de pared en B. subtilis, mientras que la N-acetil glucosamina (GlcNAc) se agrega en S. aureus.
Dependiendo de la cepa bacteriana, la estereoquímica del enlace glicosídico puede ser β-, α-, o una mezcla de los dos anómeros.
Todas las cepas secuenciadas de B. subtilis y S. aureus contienen uno o más genes putativos de glicosiltransferasa agrupados con los genes biosintéticos de la ácidos teicoicos de pared.
Por ejemplo, B. subtilis 168 contiene un gen para una glucosiltransferasa putativa retenida que podría añadir a-Glu a los polímeros de fosfato de glicerol.
Las cepas de S. aureus contienen dos genes que codifican supuestas glicosiltransferasas inversoras que pueden transferir β-GlcNAc a los polímeros de poli (ribitol fosfato).
Aunque se ha demostrado que algunas cepas de S. aureus contienen ácidos teicoicos de pared enlazadas con α-glicosídicos, todavía no se han identificado genes para ninguna glicosiltransferasas que pueda llevar a cabo esta modificación de sastrería.
Además, ningún estudio ha confirmado las funciones enzimáticas de ninguna de las glicosiltransferasas de la ácidos teicoicos de pared putativas ni ha explorado los efectos de la prevención de la glicosilación los ácidos teicoicos de pared sobre el crecimiento, la división, las interacciones intercelulares o la patogénesis de las células bacterianas.
De hecho, hasta donde sabemos, solo hay una información relacionada con las funciones de las glicosiltransferasas de ácidos teicoicos de pared en la literatura:
Una transposición de mutagénesis en una glicosiltransferasa putativa en la cepa de S. aureus Newman mostró una virulencia atenuada en un ensayo de muerte de nematodos, sugiriendo que la glicosilación podría desempeñar un papel en la patogénesis de S. aureus.
Si la glucosilación resulta ser importante para la patogénesis bacteriana, las enzimas adaptables a la glicosiltransferasa, como las enzimas implicadas en la d-alanilación (véase más arriba) serían objetivos posibles para los antimicrobianos.
Roles en la elongación y división celular
Estudios recientes han implicado ácidos lipoteicoicos y ácidos teicoicos de pared en el crecimiento celular, la división y la morfogénesis.
En el organismo en forma de barra B. subtilis, se ha demostrado que los ácidos teicoicos juegan papeles distintos en la morfogénesis bacteriana.
La prevención de resultados de la expresión de la ácidos teicoicos de pared en la producción de ronda, la progenie severamente defectuoso, mientras que la prevención de la biosíntesis de ácidos lipoteicoicos es causa de importantes defectos en la formación del septo y separación de células.
Se sabe que hay complejos multiproteicos separadas implicadas en la tabicación y la elongación en B. subtilis, y Errington y colaboradores han sugerido (basado en estudios de localización que utilizan enzimas fluorescentemente etiquetados).
Que las enzimas biosintéticas de la ácidos teicoicos de pared se asocian con la maquinaria implicada en alargamiento, mientras que las enzimas ácidos lipoteicoicos pueden asociar con maquinaria involucrada en la tabicación y la división celular.
Se sugirió que la distribución espacial de estos dos glicopolímeros aniónicos determina sus funciones específicas.
Los defectos en S. aureus tras la eliminación de ácidos teicoicos de pared son menos pronunciados que en B. subtilis, y no se han propuesto funciones específicas en el crecimiento y la división celular para ácidos teicoicos de pared en este organismo.
Sin embargo, Oku et al. informaron que las cepas de S. aureus desprovistas de ácidos lipoteicoicos muestran defectos importantes en la formación del tabique y la separación celular y crecen solo bajo un rango restringido de condiciones, incluyendo temperaturas reducidas.
Funciones en la formación de biopelículas y adhesión del tejido del huésped
Como componentes principales de la envoltura celular, los ácidos teicoicos de pared influyen en las interacciones de las células bacterianas con su entorno de muchas maneras.
Ya hemos mencionado que los mutantes de S. aureus que carecen de ácidos teicoicos de pared muestran una adherencia inicial reducida a las superficies artificiales, incluidos el vidrio y el poliestireno; también tienen problemas en su capacidad para formar biofilms.
Se ha demostrado que los mutantes nulos de ácidos teicoicos de pared que están alterados en la formación del biofilm no tienen una producción reducida del exopolisacárido poli-N-acetilglucosamina, que se ha identificado como un factor importante para la formación del biofilm.
Este hallazgo resalta el rol independiente que desempeñan los ácidos teicoicos de pared en la formación de biopelículas.
También se requieren ácidos teicoicos de pared de S. aureus para la adhesión al tejido del huésped.
Peschel y colaboradores han demostrado que las cepas de S. aureus que no expresan ácidos teicoicos de pared están severamente dañadas en su capacidad para adherirse a las células epiteliales nasales y no pueden colonizar los conductos nasales de las ratas de algodón.
También han demostrado que los mutantes ácidos teicoicos de pared-null no pueden colonizar tejidos endoteliales derivados de riñón y bazo.
La maquinaria de d-alanilación no se vio afectada en estas cepas, y d-alanylation aún podría haber ocurrido en ácidos lipoteicoicos; por lo tanto, estos resultados implican ácidos teicoicos de pared como factores independientes implicados en la adhesión celular.
Dado que los ácidos teicoicos de pared son necesarias para la infección del huésped y juegan un papel importante en la formación de biopelículas, se sugirió que son factores de virulencia, es decir, factores necesarios para el establecimiento y la propagación de la infección en un huésped.
Por lo tanto, se sugirió que las enzimas involucradas en la biosíntesis de ácidos teicoicos de pared son objetivos para nuevos antimicrobianos que impiden la colonización del huésped por S. aureus.
Panorama
El extenso trabajo durante varias décadas ha iluminado muchos de los roles de ácidos teicoicos en bacterias Gram-positivas y ha establecido firmemente su importancia en la fisiología bacteriana.
Los estudios bioquímicos y genéticos han ayudado a una mejor comprensión de la vía biosintética de la ácidos teicoicos de pared, y la mayoría de los pasos en las vías biosintéticas de B. subtilis y S. aureus ácidos teicoicos de pared se han reconstituido in vitro mediante el uso de sustratos sintéticos.
Recientemente se descubrió un antibiótico de molécula pequeña que ataca la biosíntesis de ácidos teicoicos de pared en S. aureus utilizando los recientes avances genéticos y bioquímicos en este campo.
Y posibilitará los estudios para evaluar la biosíntesis de ácidos teicoicos de pared como una vía para la intervención terapéutica.
Los resultados positivos de estos estudios validarán esta clase de factores de virulencia como objetivos antibacterianos y proporcionarán un mayor ímpetu para su estudio y explotación.
