Des chercheurs dévoilent le mécanisme de la teixobactine au niveau atomique

Dans une étude récente publiée dans La natureles chercheurs ont exploré les mécanismes sous-jacents à l’action bactéricide de la teixobactine au niveau atomique.

Arrière plan

On s’inquiète de plus en plus de la résistance aux antimicrobiens; par conséquent, le développement d’antibiotiques dotés de nouveaux mécanismes est essentiel pour lutter contre les microbes. La teixobactine est un antibiotique qui n’a pas de résistance antimicrobienne et a montré une activité contre les bactéries pathogènes Gram-positives multirésistantes telles que les bactéries résistantes à la méthicilline. Staphylococcus aureusentérocoques résistants à la vancomycine, et Streptococcus pneumoniae. La principale cible de la teixobactine est le lipide II, un précurseur du peptidoglycane. Une compréhension des mécanismes de la teixobactine pourrait guider le développement de médicaments.

Les auteurs de la présente étude ont précédemment modélisé un complexe formé par R4L10 (analogue synthétique de la teixobactine) et le lipide II et ont montré une oligomérisation complexe en grappes à la surface des membranes ; cependant, le but de l’oligomérisation dans le mécanisme bactéricide de la teixobactine nécessitait une enquête plus approfondie.

À propos de l’étude

Dans la présente étude, les chercheurs ont étendu leur analyse précédente pour déployer les mécanismes bactéricides de la teixobactine de manière mécaniste.

¹³C,¹⁵La teixobactine naturelle marquée au N a été produite par fermentation dans son hôte natif Eleftheria terrae. Par la suite, le lipide II a été synthétisé en utilisant les précurseurs du lipide II, le polyisoprénolphosphate, l’UDP-MurNAc (acide diphosphate d’uridine-N-acétylmuramique)-pentapeptide et l’UDP-GlcNAc (UDP-N-acétylglucosamine) comme molécules de substrat. Par la suite, statique ³¹La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire à l’état solide (ssNMR) P a été réalisée pour évaluer les interactions teixobactine-lipide II, caractériser le pentapeptide lipide II, évaluer la topologie membranaire et étudier les interactions intermoléculaires teixobactine–teixobactine.

Une microscopie à fluorescence a été réalisée pour évaluer la dynamique de la teixobactine dans le complexe et pour sonder l’accumulation du complexe à la surface de vésicules unilamellaires géantes (GUV) dopées au lipide II marqué Atto 550. Plus loin, B. mégatérium les cellules analogues ont été imagées avec une teixobactine fluorescente en utilisant la microscopie confocale pour examiner l’oligomérisation de la teixobactine dans les cellules bactériennes. Une microscopie à force atomique à grande vitesse (HS-AFM) a été réalisée pour capturer la croissance des fibrilles de teixobactine-lipide II et évaluer la déformation des membranes cellulaires bactériennes.

Essais de perméabilisation avec Bacillus subtilis ont été réalisées pour évaluer la dépolarisation et les dommages membranaires induits par la teixobactine. De plus, une analyse par calorimétrie de titrage isotherme (ITC) et des simulations de dynamique moléculaire (MD) ont été effectuées pour déterminer la stabilité de la structure complexe. La teixobactine a été paramétrée pour les calculs structurels de la structure complexe dans les arrangements moléculaires du quatuor (4×4) et du dimère (2×2) de la teixobactine et du lipide II sur la base des distances ssNMR intermoléculaires teixobactine-teixobactine et interfaciales teixobactine-lipide II.

Résultats

Dans l’analyse par microscopie à fluorescence, une fluorescence d’excimère de pyrène a été observée à 490 nm, confirmant l’oligomérisation du complexe teixobactine-lipide II, et l’analyse ssNMR a confirmé que l’oligomérisation induite par le lipide II provoque des défauts dans les membranes cellulaires bactériennes. De plus, plusieurs pics croisés ont été observés dans le ssNMR ¹³C-¹³Spectres C PARISxy du complexe dans les membranes, correspondant à des contacts intermoléculaires teixobactine-teixobactine (>>10 Å) et des contacts interfaciaux entre la teixobactine (F1) et le lipide II (MurNAc) de >>20 Å.

La génération de feuillets β antiparallèles a été observée entre les molécules de teixobactine adjacentes sans heurt des cycles depsi et a été favorisée par les acides aminés d et l localisés par intermittence des molécules de teixobactine. Les résidus de pentapeptide lysine 3 (Lys3)-alanine 4 (Ala4)-Ala5 du lipide II ont donné des signaux indicatifs de la grande mobilité des résidus et de leur absence d’implication dans la formation du complexe.

Les résidus de pentapeptide E2 et A1 ont donné des signaux bien définis pour la teixobactine naturelle, tandis que le résidu K3 a donné des signaux indiquant une mobilité intermédiaire. Les thermogrammes ITC ont montré une forte liaison teixobactine-lipide II. Dans l’analyse HS-AFM, la croissance fibrillaire et l’adsorption sur les membranes cellulaires ont été observées à 91 secondes et entre 91 secondes et 350 secondes, respectivement, avec une déformation de la membrane entre 1070 et 1468 secondes.

Les expériences de topologie membranaire du complexe ont montré le transfert de l’aimantation des molécules de lipides et d’eau via le mélange de protons et la polarisation croisée vers ¹³C noyaux de teixobactine. La partition des chaînes latérales Ile2, 5, 6 dans les membranes et la persistance des chaînes latérales End10 dans la phase aqueuse ont été observées, et les résidus hydrophobes et hydrophiles ont été nettement séparés en dessous et au-dessus des feuillets β, respectivement.

Les calculs structurels ont montré la superposition de 25 structures et des interactions intermoléculaires complètes pour les dimères internes dans l’arrangement en quatuor des molécules complexes. Les simulations MD ont montré une forte liaison entre les chaînes latérales d’enduracididine sur le N-terminal de la teixobactine avec le PPi (pyrophosphate) de la molécule de lipide II, facilitant la capture de la cible.

Les feuillets β formés par la teixobactine liée à la molécule de lipide II de la membrane cellulaire bactérienne formaient une structure fibrillaire supramoléculaire qui séquestrait puissamment le lipide II et déplaçait les phospholipides, entraînant un amincissement et une intégrité réduite des membranes. Les résidus hydrophobes de teixobactine ancraient le médicament aux membranes cellulaires bactériennes et produisaient un patch concentré d’hydrophobicité lorsqu’ils étaient combinés dans la structure supramoléculaire. La concentration des queues C55 du lipide II dans le patch hydrophobe a entraîné des dommages à la membrane en provoquant une fuite d’ions et une chute résultante des potentiels de membrane. La teixobactine pourrait corrompre le site cible en transformant la cible en perturbateur de la membrane cellulaire.

Conclusion

Dans l’ensemble, les résultats de l’étude ont élucidé l’action bactéricide de la teixobactine. La formation de la structure supramoléculaire par le médicament s’écarte radicalement des actions antibiotiques traditionnelles. Les mécanismes combinés du médicament d’inhibition de la synthèse des peptidoglycanes et de perturbation de la membrane fournissent une grande frappe sur l’enveloppe cellulaire des bactéries sans résistance antimicrobienne due à la corruption de la cible. De plus, la teixobactine est un antibiotique sûr avec une perturbation sélective des membranes uniquement lors de la formation de la structure supramoléculaire, qui ne se forme que si la membrane comprend le lipide II.