Wypływ (mikrobiologia) - Efflux (microbiology)
Wszystkie mikroorganizmy, z kilkoma wyjątkami, mają w swoim genomie wysoce konserwatywne sekwencje DNA, które są transkrybowane i poddawane translacji do pomp wypływowych. Pompy wypływowe są w stanie usuwać z komórek różne toksyczne związki , takie jak antybiotyki , metale ciężkie, zanieczyszczenia organiczne, związki pochodzenia roślinnego, sygnały quorum sensing, metabolity bakteryjne i neuroprzekaźniki poprzez aktywny wypływ, który jest istotną częścią metabolizmu ksenobiotyków . Ten aktywny mechanizm wypływu jest odpowiedzialny za różne typy oporności na patogeny bakteryjne w obrębie gatunków bakterii - najbardziej niepokojące jest oporność na antybiotyki, ponieważ mikroorganizmy mogą przystosować pompy wypływu do odprowadzania toksyn z cytoplazmy do ośrodków zewnątrzkomórkowych.
Systemy wypływowe działają poprzez mechanizm zależny od energii ( transport aktywny ), wypompowując niepożądane substancje toksyczne przez specjalne pompy wypływowe. Niektóre systemy wypływu są specyficzne dla leków, podczas gdy inne mogą pomieścić wiele leków o małych transporterach oporności wielolekowej (SMR).
Pompy wypływowe są białkowymi transporterami zlokalizowanymi w błonie cytoplazmatycznej wszystkich rodzajów komórek. Są aktywnymi transporterami , co oznacza, że do pełnienia swojej funkcji potrzebują źródła energii chemicznej. Niektóre są głównymi transporterami aktywnymi wykorzystującymi hydrolizę trifosforanu adenozyny jako źródło energii, podczas gdy inne są wtórnymi transporterami aktywnymi ( uniportery , symportery lub antyportery ), w których transport jest sprzężony z elektrochemiczną różnicą potencjałów powstałą w wyniku pompowania do komórki jonów wodoru lub sodu .
Bakteryjny
Bakteryjne wypływ transporterów są podzielone na pięć głównych nadrodzin na podstawie ich aminokwasowej sekwencji i źródła energii zużywanej do eksportu swoich powierzchni:
- Głównym ułatwiającym nadrodziny (MFS)
- Kaseta wiążąca ATP nadrodziny (ABC)
- Mała rodzina oporności wielolekowej (SMR)
- Podział odporności brodawek komórek nadrodziny (MNR)
- Rodzina białek ekstruzyjnych o wielu przeciwdrobnoustrojach (MATE).
Spośród nich tylko nadrodzina ABC to transportery pierwotne, a reszta to transportery wtórne wykorzystujące gradient protonu lub sodu jako źródło energii. Podczas gdy MFS dominuje w bakteriach Gram-dodatnich , kiedyś uważano, że rodzina RND jest unikalna dla bakterii Gram-ujemnych. Od tego czasu znaleziono je we wszystkich głównych królestwach .
Struktura
Pompy wypływowe na ogół składają się z białka błony zewnętrznej, białka środkowego peryplazmatycznego, białka błony wewnętrznej i przewodu przezbłonowego. Kanał przezbłonowy znajduje się w zewnętrznej błonie komórki. Przewód jest również związany z dwoma innymi białkami: białkiem błony peryplazmatycznej i integralnym transporterem błonowym. Białko błony peryplazmatycznej i białko błony wewnętrznej systemu są sprzężone, aby kontrolować otwieranie i zamykanie przewodu (kanału). Kiedy toksyna wiąże się z tym białkiem błony wewnętrznej, białka błony wewnętrznej powodują kaskadę biochemiczną, która przekazuje sygnały do białka błony peryplazmatycznej i białka błony zewnętrznej, aby otworzyć kanał i usunąć toksynę z komórki. Mechanizm ten wykorzystuje zależną od energii interakcję białko-białko, która jest generowana przez transfer toksyny dla jonu H + przez transporter błony wewnętrznej. W pełni zmontowane struktury in vitro i in vivo pompy AcrAB-TolC zostały rozwiązane za pomocą cryoEM i cryoET.
Funkcjonować
Chociaż antybiotyki są najważniejszymi klinicznie substratami systemów wypływowych, jest prawdopodobne, że większość pomp wypływowych ma inne naturalne funkcje fizjologiczne. Przykłady zawierają:
- System wypływu E. coli AcrAB, który pełni fizjologiczną rolę wypompowywania kwasów żółciowych i tłuszczowych w celu obniżenia ich toksyczności.
- Pompa Ptr z rodziny MFS u Streptomyces pristinaespiralis wydaje się być pompą autoimmunizacyjną dla tego organizmu, gdy włącza on produkcję pristynoamycyn I i II.
- Podejrzewa się, że system AcrAB – TolC w E. coli odgrywa rolę w transporcie składników kanału wapniowego w błonie E. coli .
- System MtrCDE pełni rolę ochronną, zapewniając odporność na lipidy kałowe izolatów Neisseria gonorrhoeae z odbytu .
- System wypływu AcrAB Erwinia amylovora jest ważny dla zjadliwości tego organizmu , kolonizacji roślin (gospodarza) i odporności na toksyny roślinne.
- Składnik MexXY wielolekowego systemu wypływu MexXY-OprM P. aeruginosa jest indukowany przez antybiotyki ukierunkowane na rybosomy poprzez produkt genu PA5471.
Zdolność systemów wypływowych do rozpoznawania dużej liczby związków innych niż ich naturalne substraty wynika prawdopodobnie z tego, że rozpoznawanie substratu opiera się na właściwościach fizykochemicznych , takich jak hydrofobowość , aromatyczność i właściwości jonizujące, a nie na określonych właściwościach chemicznych, jak w klasycznym enzymie - substracie lub ligand - rozpoznawanie receptorów . Ponieważ większość antybiotyków to cząsteczki amfifilowe - posiadające zarówno właściwości hydrofilowe, jak i hydrofobowe - są one łatwo rozpoznawane przez wiele pomp wypływowych.
Wpływ na oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe
Wpływ mechanizmów wypływu na oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe jest duży; przypisuje się to zwykle:
- Elementy genetyczne kodujące pompy wypływowe mogą być kodowane na chromosomach i / lub plazmidach , przyczyniając się w ten sposób odpowiednio do wrodzonej (naturalnej) i nabytej oporności. Jako wewnętrzną mechanizm oporności wypływu geny pompa może przetrwać środowiska wrogiego (na przykład w obecności antybiotyków), który pozwala na wybór mutantów która redukuje ekspresję tych genów. Lokalizacja na przenośnych elementach genetycznych, takich jak plazmidy lub transpozony, jest również korzystna dla mikroorganizmów, ponieważ umożliwia łatwe rozprzestrzenianie genów wypływu między odległymi gatunkami.
- Antybiotyki mogą działać jako induktory i regulatory ekspresji niektórych pomp wypływowych.
- Ekspresja kilku pomp wypływowych u danego gatunku bakterii może prowadzić do szerokiego spektrum oporności, biorąc pod uwagę wspólne substraty niektórych pomp wypływowych z wieloma lekami, gdzie jedna pompa może nadawać oporność na szeroką gamę środków przeciwdrobnoustrojowych.
Eukariotyczny
W komórkach eukariotycznych istnienie pomp wypływowych było znane od odkrycia glikoproteiny P w 1976 roku przez Juliano i Ling . Pompy wypływowe są jedną z głównych przyczyn lekooporności komórek eukariotycznych. Obejmują one transportery monokarboksylanów (MCT), białka oporności na wiele leków (MDR) - zwane również glikoproteiną P, białka związane z opornością wielolekową (MRP), transportery peptydów (PEPT) i transportery fosforanów Na + (NPT). Te transportery są rozmieszczone wzdłuż określonych części kanalika proksymalnego nerkowego, jelita, wątroby, bariery krew-mózg i innych części mózgu.
Inhibitory
Obecnie prowadzonych jest kilka prób w celu opracowania leków, które mogą być podawane razem z antybiotykami, aby działały jako inhibitory uwalniania antybiotyków za pośrednictwem wypływu. Jak dotąd żaden inhibitor wypływu nie został zatwierdzony do użytku terapeutycznego, ale niektóre są używane do określania częstości występowania pomp wypływowych u izolatów klinicznych oraz w badaniach biologii komórki . Na przykład werapamil jest stosowany do blokowania wypływu fluoroforów wiążących DNA, za pośrednictwem glikoproteiny P , ułatwiając w ten sposób fluorescencyjne sortowanie komórek pod kątem zawartości DNA. Wykazano, że różne produkty naturalne hamują bakteryjne pompy wypływowe, w tym karotenoidy, kapsantynę i kapsorubinę , flawonoidy, rotenon i chryzynę oraz alkaloid lizergol . Niektóre nanocząsteczki , na przykład tlenek cynku , również hamują bakteryjne pompy wypływowe.