Флуоресцентные D-аминокислоты

Флуоресцентные D -аминокислоты (FDAA) являются производными D -аминокислот , боковая цепь которых ковалентно связана с молекулой флуорофора . ^[1] FDAA включаются в бактериальный пептидогликан (PG) в живых бактериях, что приводит к сильной периферической и септальной маркировке PG, не влияя на рост клеток. Они характеризуются механизмами включения in-situ , которые позволяют отслеживать течение нового образования PG. ^[2] На сегодняшний день FDAA используются для изучения синтеза клеточной стенки у различных видов бактерий (как грамположительных , так и грамотрицательных ) с помощью различных методов, таких как микроскопия , масс-спектрометрия , проточная цитометрия .

Структуры и общие свойства

FDAA состоит из D -аминокислоты и флуорофора (связанного через боковую цепь аминокислоты). D -аминокислотный остов необходим для его включения в бактериальный пептидогликан посредством активности DD -транспептидаз . ^[3] После включения можно использовать методы обнаружения флуоресценции для визуализации места образования нового PG, а также скорости роста. ^[4]

D -аланин является наиболее хорошо изученной D -аминокислотой для разработки FDAA, поскольку это естественно существующий остаток в бактериальных пептидогликановых структурах. С другой стороны, для приложений FDAA использовались различные флуорофоры, и каждый из них имеет свои особенности. ^[5] Например, FDAA на основе кумарина (HADA) достаточно мал, чтобы проникать через внешние мембраны бактерий, и поэтому широко используется для исследований грамотрицательных бактерий; в то время как FDAA на основе TAMRA (TADA) отличается высокой яркостью и фото/термостабильностью, что подходит для микроскопии со сверхвысоким разрешением (используется сильный возбуждающий свет). ^[5]

Предлагаемые механизмы включения FDAA

Пептидогликан (PG) представляет собой сетчатую структуру, содержащую полисахариды, сшитые пептидными цепями. ^[6] Пенициллинсвязывающие белки ( DD -транспептидазы ), сокращенно PBP, распознают пептиды PG и катализируют реакции сшивания. ^[7] Сообщается, что эти ферменты обладают высокой специфичностью к центру хиральности аминокислотного остова ( D -хиральный центр ), но относительно низкой специфичностью к структуре боковой цепи. Поэтому, когда присутствуют FDAA, они берутся PBP для реакций сшивания, что приводит к их включению в цепи пептидов PG. При надлежащей концентрации, например, 1-2 мМ, маркировка FDAA не влияет на синтез PG и рост клеток, поскольку только 1-2% цепей пептидов PG маркированы FDAA. ^[2]

Приложения

Опубликованные исследования, использующие FDAA в качестве инструментов, включают:

Визуализация структур клеточной стенки бактерий. ^[2]
Изучение роста клеточной стенки бактерий. ^[1]^[4]
Мониторинг обновления клеточной стенки бактерий. ^[8]^[9]
Количественная оценка активности роста клеточной стенки бактерий. ^[10]
Анализ способности антибиотиков противостоять клеточной стенке. ^[1]
Скрининг новых антибиотиков, действующих на клеточную стенку. ^[11]
Отслеживание активности транспептидазы in vitro. ^[12]

Ссылки

^ abcd Hsu, Yen-Pang; Booher, Garrett; Egan, Alexander; Vollmer, Waldemar; VanNieuwenhze, Michael S. (17.09.2019). "Производные d-аминокислот как зонды in situ для визуализации биосинтеза бактериального пептидогликана". Accounts of Chemical Research . 52 (9): 2713– 2722. doi :10.1021/acs.accounts.9b00311. ISSN 0001-4842. PMID 31419110. S2CID 206385813.
^ abc Куру, Эркин; Хьюз, Х. Скорость; Браун, Памела Дж.; Холл, Эдвард; Теккам, Шринивас; Кава, Фелипе; де Педро, Мигель А.; Брун, Ив В.; ВанНьювензе, Майкл С. (2012-12-07). "In Situ Probing of Newly Synthesized Peptidoglycan in Live Bacteria with Fluorescent D-Amino Acids". Angewandte Chemie International Edition . 51 (50): 12519– 12523. doi :10.1002/anie.201206749. PMC 3589519. PMID 23055266 .
^ Куру, Эркин; Радков, Атанас; Мэн, Синь; Эган, Александр; Альварес, Лора; Доусон, Аманда; Бухер, Гарретт; Брейкинк, Эфьян; Ропер, Дэвид И.; Кава, Фелипе; Фоллмер, Вальдемар (2019-12-20). «Механизмы включения зондов D-аминокислот, нацеленных на биосинтез пептидогликана». ACS Chemical Biology . 14 (12): 2745– 2756. doi :10.1021/acschembio.9b00664. ISSN 1554-8929. PMC 6929685. PMID 31743648 .
^ ab Радков, Атанас Д.; Хсу, Йен-Панг; Бухер, Гарретт; ВанНьювензе, Майкл С. (2018-06-20). «Визуализация биосинтеза бактериальной клеточной стенки». Annual Review of Biochemistry . 87 (1): 991– 1014. doi :10.1146/annurev-biochem-062917-012921. ISSN 0066-4154. PMC 6287495. PMID 29596002 .
^ Аб Сюй, Йен-Пан; Риттикье, Джонатан; Куру, Эркин; Яблоновский, Джейкоб; Пасчак, Эрик; Теккам, Шринивас; Холл, Эдвард; Мерфи, Бреннан; Ли, Тимоти К.; Гарнер, Итан С.; Хуанг, Кервин Кейси (2017). «Полная цветовая палитра флуоресцентных d-аминокислот для маркировки клеточных стенок бактерий in situ». Химическая наука . 8 (9): 6313–6321 . doi : 10.1039/C7SC01800B. ISSN 2041-6520. ПМЦ 5628581 . ПМИД 28989665.
^ Vollmer, Waldemar; Blanot, Didier; De Pedro, Miguel A. (март 2008 г.). «Структура и архитектура пептидогликана». FEMS Microbiology Reviews . 32 (2): 149– 167. doi : 10.1111/j.1574-6976.2007.00094.x . ISSN 1574-6976. PMID 18194336.
^ Типас, Афанасиос; Банцхаф, Мануэль; Гросс, Кэрол А.; Фоллмер, Вальдемар (февраль 2012 г.). «От регуляции синтеза пептидогликана до роста и морфологии бактерий». Nature Reviews Microbiology . 10 (2): 123– 136. doi :10.1038/nrmicro2677. ISSN 1740-1526. PMC 5433867. PMID 22203377 .
^ Boersma, Michael J.; Kuru, Erkin; Rittichier, Jonathan T.; VanNieuwenhze, Michael S.; Brun, Yves V.; Winkler, Malcolm E. (2015-11-01). de Boer, P. (ред.). "Минимальный оборот пептидогликана (PG) у дикого типа и PG-гидролазы и мутантов деления клеток Streptococcus pneumoniae D39, растущих планктонно и в биопленках, имеющих отношение к хозяину". Journal of Bacteriology . 197 (21): 3472– 3485. doi :10.1128/JB.00541-15. ISSN 0021-9193. PMC 4621067. PMID 26303829 .
^ Куру, Эркин; Ламберт, Кэри; Риттикье, Джонатан; Тилль, Роб; Дюкре, Адриан; Деруо, Аделина; Грей, Джо; Бибой, Джейкоб; Фоллмер, Вальдемар; ВанНьевензе, Майкл; Брун, Ив В. (декабрь 2017 г.). «Флуоресцентные D-аминокислоты обнаруживают модификации двухклеточной клеточной стенки, важные для хищничества Bdellovibrio бактериоворуса». Природная микробиология . 2 (12): 1648–1657 . doi :10.1038/s41564-017-0029-y. ISSN 2058-5276. ПМЦ 5705579 . ПМИД 28974693.
^ Биссон-Фильо, Александр В.; Сюй, Йен-Пан; Сквайрс, Джорджия Р.; Куру, Эркин; Ву, Фабай; Джакс, Калум; Сунь, Инцзе; Деккер, Сис; Холден, Симус; ВанНьевенце, Майкл С.; Брун, Ив В. (17 февраля 2017 г.). «Беговая дорожка с помощью нитей FtsZ стимулирует синтез пептидогликана и деление бактериальных клеток». Наука . 355 (6326): 739–743 . Бибкод : 2017Sci...355..739B. doi : 10.1126/science.aak9973. ISSN 0036-8075. ПМЦ 5485650 . ПМИД 28209898.
^ Калп, Элизабет Дж.; Ваглехнер, Николас; Ван, Вэньлян; Фибиг-Комин, Алин А.; Хсу, Йен-Панг; Котева, Калинка; Сиханта, Дэвид; Кумбс, Брайан К.; Ван Ниувензе, Майкл С.; Брун, Ив В.; Райт, Джерард Д. (27.02.2020). «Открытие антибиотиков, ингибирующих ремоделирование пептидогликана, на основе эволюционных исследований». Nature . 578 (7796): 582– 587. Bibcode :2020Natur.578..582C. doi :10.1038/s41586-020-1990-9. ISSN 0028-0836. PMID 32051588. S2CID 211089119.
^ Hsu, Yen-Pang; Hall, Edward; Booher, Garrett; Murphy, Brennan; Radkov, Atanas D.; Yablonowski, Jacob; Mulcahey, Caitlyn; Alvarez, Laura; Cava, Felipe; Brun, Yves V.; Kuru, Erkin (апрель 2019 г.). «Флуорогенные d-аминокислоты позволяют осуществлять мониторинг биосинтеза пептидогликана в реальном времени и высокопроизводительные анализы транспептидации». Nature Chemistry . 11 (4): 335– 341. Bibcode :2019NatCh..11..335H. doi :10.1038/s41557-019-0217-x. ISSN 1755-4330. PMC 6444347 . PMID 30804500.

Внешние ссылки

Сайт FDAA

[:0-1] Hsu, Yen-Pang; Booher, Garrett; Egan, Alexander; Vollmer, Waldemar; VanNieuwenhze, Michael S. (17.09.2019). "Производные d-аминокислот как зонды in situ для визуализации биосинтеза бактериального пептидогликана". Accounts of Chemical Research . 52 (9): 2713– 2722. doi :10.1021/acs.accounts.9b00311. ISSN 0001-4842. PMID 31419110. S2CID 206385813.

[:1-2] Куру, Эркин; Хьюз, Х. Скорость; Браун, Памела Дж.; Холл, Эдвард; Теккам, Шринивас; Кава, Фелипе; де Педро, Мигель А.; Брун, Ив В.; ВанНьювензе, Майкл С. (2012-12-07). "In Situ Probing of Newly Synthesized Peptidoglycan in Live Bacteria with Fluorescent D-Amino Acids". Angewandte Chemie International Edition . 51 (50): 12519– 12523. doi :10.1002/anie.201206749. PMC 3589519. PMID 23055266 .

[3] Куру, Эркин; Радков, Атанас; Мэн, Синь; Эган, Александр; Альварес, Лора; Доусон, Аманда; Бухер, Гарретт; Брейкинк, Эфьян; Ропер, Дэвид И.; Кава, Фелипе; Фоллмер, Вальдемар (2019-12-20). «Механизмы включения зондов D-аминокислот, нацеленных на биосинтез пептидогликана». ACS Chemical Biology . 14 (12): 2745– 2756. doi :10.1021/acschembio.9b00664. ISSN 1554-8929. PMC 6929685. PMID 31743648 .

[:3-4] Радков, Атанас Д.; Хсу, Йен-Панг; Бухер, Гарретт; ВанНьювензе, Майкл С. (2018-06-20). «Визуализация биосинтеза бактериальной клеточной стенки». Annual Review of Biochemistry . 87 (1): 991– 1014. doi :10.1146/annurev-biochem-062917-012921. ISSN 0066-4154. PMC 6287495. PMID 29596002 .

[:2-5] Аб Сюй, Йен-Пан; Риттикье, Джонатан; Куру, Эркин; Яблоновский, Джейкоб; Пасчак, Эрик; Теккам, Шринивас; Холл, Эдвард; Мерфи, Бреннан; Ли, Тимоти К.; Гарнер, Итан С.; Хуанг, Кервин Кейси (2017). «Полная цветовая палитра флуоресцентных d-аминокислот для маркировки клеточных стенок бактерий in situ». Химическая наука . 8 (9): 6313–6321 . doi : 10.1039/C7SC01800B. ISSN 2041-6520. ПМЦ 5628581 . ПМИД 28989665.

[6] Vollmer, Waldemar; Blanot, Didier; De Pedro, Miguel A. (март 2008 г.). «Структура и архитектура пептидогликана». FEMS Microbiology Reviews . 32 (2): 149– 167. doi : 10.1111/j.1574-6976.2007.00094.x . ISSN 1574-6976. PMID 18194336.

[7] Типас, Афанасиос; Банцхаф, Мануэль; Гросс, Кэрол А.; Фоллмер, Вальдемар (февраль 2012 г.). «От регуляции синтеза пептидогликана до роста и морфологии бактерий». Nature Reviews Microbiology . 10 (2): 123– 136. doi :10.1038/nrmicro2677. ISSN 1740-1526. PMC 5433867. PMID 22203377 .

[8] Boersma, Michael J.; Kuru, Erkin; Rittichier, Jonathan T.; VanNieuwenhze, Michael S.; Brun, Yves V.; Winkler, Malcolm E. (2015-11-01). de Boer, P. (ред.). "Минимальный оборот пептидогликана (PG) у дикого типа и PG-гидролазы и мутантов деления клеток Streptococcus pneumoniae D39, растущих планктонно и в биопленках, имеющих отношение к хозяину". Journal of Bacteriology . 197 (21): 3472– 3485. doi :10.1128/JB.00541-15. ISSN 0021-9193. PMC 4621067. PMID 26303829 .

[9] Куру, Эркин; Ламберт, Кэри; Риттикье, Джонатан; Тилль, Роб; Дюкре, Адриан; Деруо, Аделина; Грей, Джо; Бибой, Джейкоб; Фоллмер, Вальдемар; ВанНьевензе, Майкл; Брун, Ив В. (декабрь 2017 г.). «Флуоресцентные D-аминокислоты обнаруживают модификации двухклеточной клеточной стенки, важные для хищничества Bdellovibrio бактериоворуса». Природная микробиология . 2 (12): 1648–1657 . doi :10.1038/s41564-017-0029-y. ISSN 2058-5276. ПМЦ 5705579 . ПМИД 28974693.

[10] Биссон-Фильо, Александр В.; Сюй, Йен-Пан; Сквайрс, Джорджия Р.; Куру, Эркин; Ву, Фабай; Джакс, Калум; Сунь, Инцзе; Деккер, Сис; Холден, Симус; ВанНьевенце, Майкл С.; Брун, Ив В. (17 февраля 2017 г.). «Беговая дорожка с помощью нитей FtsZ стимулирует синтез пептидогликана и деление бактериальных клеток». Наука . 355 (6326): 739–743 . Бибкод : 2017Sci...355..739B. doi : 10.1126/science.aak9973. ISSN 0036-8075. ПМЦ 5485650 . ПМИД 28209898.

[11] Калп, Элизабет Дж.; Ваглехнер, Николас; Ван, Вэньлян; Фибиг-Комин, Алин А.; Хсу, Йен-Панг; Котева, Калинка; Сиханта, Дэвид; Кумбс, Брайан К.; Ван Ниувензе, Майкл С.; Брун, Ив В.; Райт, Джерард Д. (27.02.2020). «Открытие антибиотиков, ингибирующих ремоделирование пептидогликана, на основе эволюционных исследований». Nature . 578 (7796): 582– 587. Bibcode :2020Natur.578..582C. doi :10.1038/s41586-020-1990-9. ISSN 0028-0836. PMID 32051588. S2CID 211089119.

[12] Hsu, Yen-Pang; Hall, Edward; Booher, Garrett; Murphy, Brennan; Radkov, Atanas D.; Yablonowski, Jacob; Mulcahey, Caitlyn; Alvarez, Laura; Cava, Felipe; Brun, Yves V.; Kuru, Erkin (апрель 2019 г.). «Флуорогенные d-аминокислоты позволяют осуществлять мониторинг биосинтеза пептидогликана в реальном времени и высокопроизводительные анализы транспептидации». Nature Chemistry . 11 (4): 335– 341. Bibcode :2019NatCh..11..335H. doi :10.1038/s41557-019-0217-x. ISSN 1755-4330. PMC 6444347 . PMID 30804500.