Kwasy tejchojowe ściany komórkowej bakterii Gram-dodatnich (ang. wall teichoic acids, WTA) zostały opisane po raz pierwszy na przełomie lat 50. i 60. XX wieku i jeszcze do niedawna uchodziły za element strukturalny o bliżej nieokreślonej funkcji bioologicznej. Pod względem budowy, są to polimery fosforanu rybitolu (u Staphylococcus aureus) lub fosforanu glicerolu (u Bacillus subtilis) łączące się ze strukturą peptydoglikanu.
ref. Sewell EW & Brown ED, 2014
Synteza kwasów tejchojowych regulowana jest odpowiednio przez produkty genów tar (ang. teichoic acid ribitol) lub tag (ang. teichoic acid glycerol) zorganizowanych w operony. Białka te zakotwiczone są w błonie komórkowej, gdzie kolejno katalizują syntezę i wydłużanie polimeru na bazie transportera lipidów - undekaprenolu. Następnie powstała struktura eksportowana jest na zewnątrz błony za pośrednictwem TagGH – transportera typu ABC – gdzie zostaje przyłączona do struktury peptypodlikanu.
Głębsza analiza funkcjonalna kwasów tejchojowych wykazała ich złożoną rolę w proliferacji bakterii, przebiegu infekcji i odpowiedzi na antybiotykoterapię. WTA uważane są za istotny element w procesie wiązania kationów, tolerancji osmotycznej, wiązania fagów, determinacji kształtu komórki itp. Są także istotnym czynnikiem wirulencji umożliwiającym kolonizację gospodarzą przez S. aureus, co wykazano na modelu kolonizacji nosa bawełniaka (ang. cotton rat) i modelu zapalenia wsierdzia królika. Mutanty ΔtarO, tj. pozbawione pierwszego enzymu w szlaku biosyntezy WTA, w obu przypadkach były defektywne pod względem kolonizacji i rozwoju infekcji w porównaniu do typu dzikiego. Badania przeprowadzone w ciągu ostatnich lat pokazują także kluczową rolę WTA w procesie podziałów komórkowych, tj. tworzenia przegrody podziałowej w proliferujących komórkach. W procesie tym, WTA uczestniczą w sieciowaniu peptydoglikanu poprzez rekrutację białka PBP4 (ang. penicillin binding protein 4) w miejscu powstawania przegrody.
W świetle ostatnich badań, mechanizm ten okazuje się być istotny z punktu widzenia oporności S. aureus na antybiotyki β-laktamowe. Klasyczny mechanizm oporności szczepów MRSA (ang. methicillin resistant Staphylococcus aureus) polega na obecności zmodyfikowanej formy białka PBP2 – PBP2A – które uczestniczy w pierwotnym sieciowaniu peptydoglikanu. Antybiotyki β-laktamowe specyficzne względem PBP2 blokują jego funkcję katalityczną, ale nie blokują zmodyfikowanej formy PBP2A. Obecność tej drugiej podtrzymuje pierwotny proces sieciowania peptydoglikanu, który w kolejnym etapie katalizowany jest przez PBP4. Ten klasyczny model wydaje się jednak niekompletny, bowiem angażuje on także kwasy tejchojowe. W modelu doświadczalnym zaobserwowano synergię pomiędzy β-laktamami a tiklopidyną – inhibitorem TarO. Pozbawienie bakterii zdolności do syntezy WTA pozwala na przywrócenie wrażliwości na antybiotyk, nawet w obecności białka PBP2A. Mechanizm tej zależności przedstawia poniższy schemat:
ref. Sewell EW & Brown ED, 2014
Tym, co pozwoliło na szeroko zakrojone badania funkcjonalne kwasów tejchojowych, jest występujące tu zjawisko „syntetycznej przeżywalności” (ang. synthetic-viable intercations). Zjawisko to polega na interakcji pomiędzy aktywnością wczesnych i późnych genów biosyntezy WTA. Mutanty ΔtarO są żywotne, podczas gdy mutacja w genie tarGH jest letalna. Jednoczesna inaktywacja genu tarO u mutanta tarGH znosi efekt letalny, prowadząc do przywrócenia przeżywalności podwójnych mutantów ΔtarO i ΔtarGH. Dzieje się tak prawdopodobnie dlatego, że na skutek inaktywacji późnych genów biosyntezy (przy zachowaniu wcześniejszych etapów) dochodzi do akumulacji produktów pośrednich wiążących undekaprenol, przez co nie jest on dostępny dla innych szlaków metabolicznych, głównie biosyntezy peptydoglikanu. Skutkuje to zatrzymaniem proliferacji i śmiercią komórek. Jednoczesna inaktywacja wczesnych genów syntezy (tarO lub tarA) uniemożliwia zajście początkowych etapów biosyntezy WTA, przez co undekaprenol nie zostaje związany i pozostaje dostępny dla syntezy peptydoglikanu. Dostępność tego systemu pozwoliła na analizę szeregu związków o działaniu przeciwbakteryjnym, zaburzających funkcjonowanie kwasów tejchojowych. Fenomen syntetycznej przeżywalności pozwala na przyżyciową identyfikację inhibitorów biosyntezy WTA na każdym etapie szlaku. Do tej pory zidentyfikowano takie substancje jak targocyl, C- i N-arylo triazol (inhibitory TarG) czy tiklopidynę (inhibitor TarO). Łatwość poszukiwania inhibitorów WTA w badaniach screeningowych oraz obserwowane efekty synergistyczne w połączeniu ze znanymi antybiotykami (jak w przypadku MRSA) mogą przyczynić się do tzw. „recyklingu antybiotyków”, które utraciły swoją samodzielną skuteczność.
Do inhibitorów WTA należy także teiksobaktyna wyizolowana z bakterii glebowych, opisana w ubiegłym roku w czasopiśmie „Nature”. Antybiotyk ten wiąże się bezpośrednio do motywów lipidowych struktury WTA (więcej na ten temat w tym artykule).
Kwasy tejchojowe ściany komórkowej bakterii Gram-dodatnich jako nowe cele terapeutyczne to niewątpliwie kolejne światełko w tunelu na dzisiejsze czasy i szerokie pole do popisu dla poszukiwaczy nowych terapii przeciwbakteryjnych.
KOMENTARZE