Background image Background image darkmode

Non-conventional approaches for peptidoglycan cross-linking inhibition

Bacteria can become resistant against beta-lactam antibiotics (Penicillin) by replacing their 3-4 peptide crosslinks by 3-3 crosslinks in the peptidoglycan layer in their cell wall that gives the bacterium its shape and protects it against mechanical stress. Peptidolglycan consists of a network of sugars strands that are interconnected by peptide crossbridges. Hardly anything was known about the enzymes (LD-transpeptidases) that are responsible for crosslinking of the 3-3 bond.

Aim

The consortium set out to determine why and how bacteria could become resistant by using 3-3 crosslinks.

Research partners

The NAPLCI consortium consisted of scientist from England, The Netherlands, France and Canada.

Results

The bacterium Escherichia coli was made resistant by growing it in the presence of Ampicillin while overproducing one of the LD-TPases. Analysis of the resistant strain revealed that for the activity of the 3-3 crosslinking enzyme, also the transglycosylase activity of PBP1B and the carboxypeptidase activity of PBP5, which shortens the peptide side chain so that it can function as substrate for the LD-TPases. In addition, slow growth was needed. This fits with the growth behavior of pathogenic species that have a very high percentage of 3-3 crosslinks in their peptidoglycan layer. It appeared that the 3 LD-TPases has different activities at different pH and that one of them activated the others. This clearly will be of assistance when the bacteria have to survive in different environments. We showed that the normal function of the LD-TPases could be the repair of holes in the peptidoglycan layer. A series of substrates were chemically synthesized by our colleagues in France and they are presently testing which substrate works best for the various LD-TPases. Finally we developed an assay to measure the activity of LD-Tpases in living cells and also biochemically outside the cell. The former assay can be used to screen antibiotics.

Products

Title: The Fluorescent D-Amino Acid NADA as a Tool to Study the Conditional Activity of Transpeptidases in Escherichia coli
Author: Montón Silva, Alejandro, Otten, Christian, Biboy, Jacob, Breukink, Eefjan, VanNieuwenhze, Michael, Vollmer, Waldemar, den Blaauwen, Tanneke
Magazine: Frontiers in Microbiology, section Infectious Diseases
Link: https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.02101
Title: Factors essential for L,D-transpeptidase-mediated peptidoglycan cross-linking and ß-lactam resistance in Escherichia coli
Author: Hugonnet, Jean-Emmanuel, Mengin-Lecreulx, Dominique, Monton, Alejandro, den Blaauwen, Tanneke, Carbonnelle, Etienne, Veckerlé, Carole, Brun, Yves, V., van Nieuwenhze, Michael, Bouchier, Christiane, Tu, Kuyek, Rice, Louis B, Arthur, Michel
Magazine: eLife
Link: https://elifesciences.org/content/5/e19469
Title: YcbB L,D-transpeptidase supports ampicillin resistance in E. coli
Author: A. Moton Silva, J-E Hugonnet, M. Arthur and T. den Blaauwen
Title: YcbB L,D-transpeptidase supports ampicillin resistance in E. coli
Author: A. Monton Silva, J-E. Huggenot, M. Arthur and T. den Blaauwen

Reports


Endreport

Bacteriën kunnen resistent worden tegen bètalactam antibiotica (penicillines) door hun 3-4 peptide dwarsverbindingen te vervangen door 3-3 dwarsverbindingen in de peptidoglycanlaag in hun celwand die de bacterie vorm geeft en beschermt tegen mechanische stress. De peptidoglycanlaag is een gesloten netwerk van suiker ketens die onderling verbonden zijn door peptide zijketen. Er was nauwelijks iets bekend over de enzymen (LD-transpeptidasen of LD-TPases) die verantwoordelijk zijn voor het maken van de 3-3-binding. Het NAPLCI-consortium bestond uit wetenschappers uit Engeland, Nederland, Frankrijk en Canada. Het consortium wilde bepalen waarom en hoe bacteriën resistent kunnen worden door 3-3 dwarsverbinding te gebruiken. Wat waren de vereisten van de LD-TPases om de dwarsverbinding te kunnen maken en te bepalen welk deel van hun substraat essentieel was voor de enzymatische activiteit door varianten van het substraat te synthetiseren. Om te bepalen waarom de cellen 3 LD-TPases hebben en wat hun normale functie zou kunnen zijn als bacteriën niet resistent hoeven te zijn tegen bètalactam antibiotica. Uiteindelijk een test ontwikkelen die kan worden gebruikt om antibiotica te screenen tegen deze LD-TPases.
Gram negatieve bacteriën hebben een celenveloppe die bestaat uit een binnenmembraan en een buitenmembraan. In de ruimte tussen beide membranen (periplasma) bevindt zich de peptidoglycan(PG) laag. Deze laag bestaat uit een netwerk van suikerketens die onderling verbonden worden door peptide dwarsverbindingen. De PG laag geeft de bacterie vorm en beschermt tegen osmotische en mechanische stress. Penicilline Bindende Eiwitten (PBPs) maken de PG laag in het periplasma. Penicillines ook wel beta-lactams genoemd, remmen de D,D-transpeptidase activiteit van de PBPs waardoor de bacteriën door de interne osmotische druk uit elkaar knallen (lyseren). Helaas zijn veel bacteriesoorten resistent tegen de beta-lactams. Deze bacteriën gebruiken L,D-transpeptidases (TPase) om peptidoglycaan te maken. Sommige pathogene bacteriën, zoals Mycobacterium tuberculosis of Clostridium difficille gebruiken uitsluitend L,D-TPases om PG te maken. De PBPs en de L,D-(TPase) binden twee stukken PG tegelijkertijd en koppelen die aan elkaar. Het ene stuk PG wordt door de acceptor bindingplaats van het eiwit gebonden en het andere stuk PG door de donor bindingsplaats van het eiwit. De acceptor bindende plaats van PBPs en L,D-TPase zijn hetzelfde maar de donor bindende plaats is anders, daardoor remmen beta-lactams wel PBPs maar niet L,D-TPasen. Het NAPCLI project heeft een bacteriestam gemaakt die afhankelijk is van de L,D-TPase YcbB voor het groeien in aanwezigheid van beta-lactams. Deze stam kan gebruikt worden voor het zoeken naar remmers van de acceptorbindende plaats van L,D-TPases. De verwachting is dat deze ook PBPs zullen remmen. Vooralsnog hebben we deze stam gemaakt en bewezen dat deze stam afhankelijk is van de drie verschillende enzymen waaronder YcbF voor het overleven van groei in aanwezigheid van ampicilline. Daarnaast is langzame groei ook een eis voor het overleven.

Quick links

Features

Project number:
205400001
Duration: 100%
Duration: 100 %
2015
2019
Part of programme:
Related funding round:
Project lead and secretary:
Dr. T. den Blaauwen
Responsible organisation:
Universiteit van Amsterdam