Biogênese de um metabolossomo bacteriano para utilização de propanodiol

Nature Communications volume 13, número do artigo: 2920 (2022) Citar este artigo

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Os metabolossomos bacterianos são uma família de organelas proteicas nas bactérias. Elucidar como milhares de proteínas se auto-montam para formar metabolossomas funcionais é essencial para compreender o seu significado no metabolismo celular e na patogénese. Aqui investigamos a biogênese de novo dos metabolossomos de utilização de propanodiol (Pdu) e caracterizamos os papéis dos principais constituintes na geração e posicionamento intracelular de metabolossomos funcionais. Nossos resultados demonstram que o metabolossomo Pdu realiza as vias de montagem “Shell first” e “Cargo first”, ao contrário do análogo estrutural β-carboxissomo que envolve apenas a estratégia “Cargo first”. As montagens do casco e da carga ocorrem de forma independente nos pólos das células. O núcleo de carga interna é formado através da montagem ordenada de múltiplos complexos enzimáticos e exibe propriedades semelhantes a líquidos dentro da arquitetura do metabolossomo. Nossas descobertas fornecem uma visão mecanicista dos princípios moleculares que impulsionam a montagem do metabolismo bacteriano e expandem nossa compreensão da biogênese de organelas líquidas.

A compartimentalização das vias metabólicas nas células eucarióticas e procarióticas aumenta e regula a energia e o metabolismo1. Ao contrário dos eucariotos que empregam organelas ligadas a lipídios para desempenhar funções metabólicas específicas, muitas bactérias desenvolveram organelas proteicas, denominadas microcompartimentos bacterianos (BMCs), que permitem que processos metabólicos importantes funcionem no citoplasma das células bacterianas . Os BMCs consistem em um invólucro proteico de camada única que encapsula enzimas e metabólitos. O invólucro poliédrico semelhante ao vírus serve como uma barreira física para controlar a passagem de metabólitos e facilita o catabolismo em um microambiente sequestrado5,6,7,8. As características estruturais e de montagem altamente evoluídas dos BMCs permitem que as organelas bacterianas especiais desempenhem papéis essenciais na fixação de CO2, infecção e ecologia microbiana em diversas espécies bacterianas2,9,10.

Os BMCs mais bem caracterizados são os carboxissomos (BMCs anabólicos, incluindo α e β-carboxissomos baseados nos tipos de Rubisco encapsulados), que melhoram a fixação de CO2 em todas as cianobactérias e muitos quimioautotróficos . Em contraste, o microcompartimento de utilização de 1,2-propanodiol (1,2-PD) (Pdu BMC) é um modelo para BMCs ou metabolossomos catabólicos. Um estágio crítico da patogênese da Salmonella é a colonização do trato gastrointestinal dos mamíferos, que requer o catabolismo de diversas fontes de carbono, incluindo 1,2-PD15. O Pdu BMC desempenha um papel vital na degradação do 1,2-PD durante a patogênese gastrointestinal e promove a aptidão bacteriana em nichos ambientais anóxicos específicos .

A arquitetura dos BMCs Pdu é construída por mais de dez mil subunidades proteicas de 18 a 20 tipos diferentes através da automontagem intrínseca de proteínas . Com base no conhecimento atual, o invólucro Pdu BMC na bactéria patogênica Salmonella enterica sorovar Typhimurium (S. Typhimurium) contém nove tipos de parálogos de proteínas: PduA, PduB, PduB ′, PduM, PduN, PduJ, PduK, PduT e PduU27,28 . A proteína hexamérica PduJ é a proteína de casca mais abundante dentro do Pdu BMC em S. Typhimurium LT2, seguida por PduA e PduBB′24. PduB e PduB' são codificados por genes sobrepostos, e PduB tem uma extensão de 37 aminoácidos N-terminal que está ausente em PduB'29. A proteína pentamérica PduN ocupa os vértices da concha poliédrica30. PduBB ′, PduA ou PduJ e PduN são os componentes do invólucro essenciais para a formação e estrutura do Pdu BMC . PduM é uma proteína estrutural muito menos abundante que PduN24 e tem função desconhecida dentro do Pdu BMC28. PduK é outra proteína de casca menor dentro do Pdu BMC24.