Mechanism of Cellulose Synthesis and Transport Across Biological Membranes

纤维素合成和跨生物膜运输的机制

基本信息

  • 批准号:
    10061615
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 54.73万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2012
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2012-05-05 至 2022-02-28
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Cellulose  is  the  most  abundant  biopolymer  on  earth.  It  is  a  linear  polymer  of  glucose  molecules  primarily  formed  by  vascular  plants  but  also  by  green  algae,  bacteria,  and  even  tunicates.  Bacterial  cellulose  is  frequently  found  in  biofilms,  which  are  sessile  bacterial  communities  encased  in  a  3-­dimensional  matrix  of  polysaccharides, proteinaceous fibers, and nucleic acids. Biofilm bacteria are less susceptible to anti-­microbial  treatments and are responsible for about 80% of hospital-­derived infections, thereby posing a significant risk to  human  health.  Developing  novel  therapeutics  to  treat  or  prevent  biofilm  infections  requires  a  detailed  mechanistic understanding of how the biofilm constituents, in particular polysaccharides, are synthesized and  deposited outside the cell. The proposed research seeks to provide this information.  Bacterial  cellulose  biosynthesis  is  an  ideal  model  system  to  study  the  mechanism  and  regulation  of  exo-­ polysaccharide  secretion.  Gram-­negatives  produce  and  secrete  cellulose  via  a  multi-­subunit  complex  consisting  of  the  inner  membrane  BcsA  and  BcsB  subunits,  the  periplasmic  BcsZ  hydrolase,  as  well  as  the  outer  membrane  subunit  BcsC.  Our  previous  work  provided  detailed  mechanistic  insights  into  how  the  inner  membrane-­integrated BcsA-­B complex elongates the cellulose chain and translocates the polymer across the  plasma membrane. While current data explain how cellulose is extended, we currently have no information on  how cellulose biosynthesis initiates. This question will be addressed biochemically in Aim 1a by reconstituting  the initiation reaction in vitro from cell-­free expressed 'uninitiated' cellulose synthase.      BcsA  processively  elongates  cellulose  and  pushes  the  polymer  into  a  transmembrane  channel  formed  by  its  own  membrane-­spanning  region.  Structural  snapshots  of  different  cellulose  synthase  states  during  cellulose  synthesis and membrane translocation provide insights into conformational changes during this process. Yet a  precise  analysis  of  energetic  requirements  for  and  processivity  rates  of  cellulose  translocation  is  currently  missing. We will address these questions on a single molecule level using an optically trapped and catalytically  active BcsA-­B complex in Aim 1b.   Past the inner membrane and in Gram-­negatives, cellulose must cross the periplasm and the outer membrane  before  reaching  the  biofilm  matrix.  This  section  of  the  translocation  path  is  most  likely  formed  by  a  direct  interaction of periplasmic and outer membrane components with the BcsA-­B complex at the inner membrane.  In  Aim  2  we  seek  to  reconstitute  outer  membrane  transport  of  cellulose  from  nanodisc  and  proteoliposome-­ reconstituted  components  for  detailed  kinetic,  biochemical,  and  interaction  studies.  This  information  will  support  our  efforts  to  determine  the  structure  of  an  inner  and  outer  membrane-­spanning  cellulose  synthase  complex  as  outlined  in  Aim  3.  We  will  use  X-­ray  crystallography  and/or  electron  microscopy  to  determine  the  structure of individual periplasmic and outer membrane components as well as their complexes with BcsA-­B.
纤维素是地球上最丰富的生物聚合物,它主要是葡萄糖分子的线性聚合物。 由维管植物形成,也由绿藻、细菌甚至被囊动物形成。 常见于生物膜中,生物膜是包裹在 3 维矩阵中的固着细菌群落 多糖、蛋白质纤维和核酸对抗菌剂不太敏感。 大约 80% 的医院源性感染是由其造成的,从而对 开发治疗或预防生物膜感染的新疗法需要详细的研究。 了解生物膜成分(特别是多糖)如何合成和合成的机制 拟议的研究旨在提供这些信息。 细菌纤维素生物合成是研究外切酶机制和调控的理想模型系统 革兰氏阴性菌通过多亚基复合物产生和分泌纤维素。 由内膜 BcsA 和 BcsB 亚基、周质 BcsZ 水解酶以及 我们之前的工作提供了关于内膜亚基 BcsC 的详细机械见解。 膜整合的 BcsA-B 复合物延长纤维素链并将聚合物跨过 虽然目前的数据解释了纤维素是如何延伸的,但我们目前还没有相关信息。 纤维素生物合成是如何开始的。这个问题将在目标 1a 中通过重构来解决 无细胞表达的“未启动”纤维素合酶的体外起始反应。 BcsA 不断延长纤维素并将聚合物推入由其形成的跨膜通道 纤维素合成过程中不同纤维素合酶状态的结构快照。 合成和膜易位提供了对该过程中构象变化的洞察。 目前正在对纤维素易位的能量需求和加工率进行精确分析 我们将使用光学捕获和催化在单分子水平上解决这些问题。 目标 1b 中的活性 BcsA-B 复合物。 穿过内膜并且在革兰氏阴性菌中,纤维素必须穿过周质和外膜 在到达生物膜基质之前,这部分易位路径很可能是由直接形成的。 周质和外膜成分与内膜 BcsA-B 复合物的相互作用。 在目标 2 中,我们寻求从纳米圆盘和蛋白脂质体中重建纤维素的外膜运输- 这些信息将用于详细的动力学、生化和相互作用研究的重组成分。 支持我们确定跨膜内膜和外膜纤维素合酶结构的努力 复合物如目标 3 中所述。我们将使用 X 射线晶体学和/或电子显微镜来确定 单个周质和外膜成分及其与 BcsA-B 的复合物的结构。

项目成果

期刊论文数量(12)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Mechanism of activation of bacterial cellulose synthase by cyclic di-GMP.
A molecular description of cellulose biosynthesis.
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  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    McNamara JT;Morgan JL;Zimmer J
  • 通讯作者:
    Zimmer J
Crystallographic snapshot of cellulose synthesis and membrane translocation.
  • DOI:
    10.1038/nature11744
  • 发表时间:
    2013-01-10
  • 期刊:
  • 影响因子:
    64.8
  • 作者:
  • 通讯作者:
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  • DOI:
    10.1016/bs.mie.2014.12.024
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Sandra Poulos;J. Morgan;J. Zimmer;S. Faham
  • 通讯作者:
    Sandra Poulos;J. Morgan;J. Zimmer;S. Faham
Observing cellulose biosynthesis and membrane translocation in crystallo.
  • DOI:
    10.1038/nature16966
  • 发表时间:
    2016-03-17
  • 期刊:
  • 影响因子:
    64.8
  • 作者:
    Morgan JL;McNamara JT;Fischer M;Rich J;Chen HM;Withers SG;Zimmer J
  • 通讯作者:
    Zimmer J
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