S -vrstva - S-layer
S-vrstvy (povrchová vrstva) je součástí buněčného obalu takřka ve Archaea , stejně jako v mnoha typů bakterií . S-vrstvy archea i bakterie se skládají z monomolekulární vrstvy složené pouze z jednoho (nebo v několika případech ze dvou) identických proteinů nebo glykoproteinů . Tato struktura je vytvořena pomocí vlastní montáže a obklopuje celý buněčný povrch. Protein S-vrstvy tedy může představovat až 15% celkového obsahu bílkovin v buňce. Proteiny S-vrstvy jsou málo konzervované nebo nejsou konzervovány vůbec a mohou se výrazně lišit i mezi příbuznými druhy. V závislosti na druhu mají S-vrstvy tloušťku mezi 5 a 25 nm a mají identické póry o průměru 2–8 nm.
Terminologie „S-vrstva“ byla poprvé použita v roce 1976. Obecné použití bylo přijato na „Prvním mezinárodním workshopu o povrchových vrstvách krystalických bakteriálních buněk, Vídeň (Rakousko)“ v roce 1984 a v roce 1987 byly S-vrstvy definováno na semináři Evropské organizace pro molekulární biologii o „povrchových vrstvách krystalických bakteriálních buněk“ ve Vídni jako „dvourozměrná pole proteinových podjednotek tvořících povrchové vrstvy na prokaryotických buňkách“ (viz „Předmluva“, strana VI v Sleytr „et al. 1988“ ). Stručné shrnutí historie výzkumu vrstvy S viz odkazy
Umístění S-vrstev
.- U gramnegativních bakterií jsou S-vrstvy asociovány s lipopolysacharidy prostřednictvím iontových interakcí, interakcí sacharidů a sacharidů, proteinů a sacharidů a/nebo interakcí protein-protein.
- U grampozitivních bakterií, jejichž S-vrstvy často obsahují domény homologie povrchové vrstvy (SLH), dochází k vazbě na peptidoglykan a na polymer sekundární buněčné stěny (např. Kyseliny teichoové). V nepřítomnosti domén SLH dochází k vazbě elektrostatickými interakcemi mezi kladně nabitým N-koncem proteinu S-vrstvy a záporně nabitým sekundárním polymerem buněčné stěny . V Lactobacilli může být vazebná doména lokalizována na C-konci.
- U gramnegativních archea mají proteiny S-vrstvy hydrofobní kotvu, která je spojena se spodní lipidovou membránou.
- U grampozitivních archea se proteiny S-vrstvy vážou na pseudomurein nebo na methanochondroitin.
Biologické funkce S-vrstvy
U mnoha bakterií představuje vrstva S nejvzdálenější interakční zónu s jejich příslušným prostředím. Jeho funkce jsou velmi rozmanité a liší se druh od druhu. V mnoha archaeálních druzích je vrstva S jedinou složkou buněčné stěny, a proto je důležitá pro mechanickou a osmotickou stabilizaci. Mezi další funkce spojené s vrstvami S patří:
- ochrana před bakteriofágy , Bdellovibrios a fagocytózou
- odolnost proti nízkému pH
- bariéra proti látkám s vysokou molekulovou hmotností (např. lytické enzymy )
- adheze (pro glykosylované S-vrstvy)
- stabilizace membrány (např. SDBC u Deinococcus radiodurans )
- odolnost proti elektromagnetickému napětí (např. ionizující záření a vysoké teploty)
- poskytnutí adhezních míst pro exoproteiny
- zajištění periplazmatického kompartmentu v grampozitivních prokaryotech společně s peptidoglykanem a cytoplazmatickými membránami
- vlastnosti proti zanášení
- biomineralizace
- molekulární síto a bariérová funkce
Struktura S-vrstvy
Ačkoli jsou S-vrstvy různých organismů mezi Archaea všudypřítomné a běžné v bakteriích, mají díky zásadním rozdílům v jejich stavebních blocích jedinečné strukturní vlastnosti, včetně symetrie a rozměrů jednotkových buněk. Sekvenční analýzy proteinů S-vrstvy předpovídaly, že proteiny S-vrstvy mají velikosti 40-200 kDa a mohou být složeny z více domén, z nichž některé mohou být strukturálně příbuzné. Od prvního důkazu makromolekulárního pole na fragmentu bakteriální buněčné stěny ve struktuře S-vrstvy v 50. letech 20. století byla rozsáhle zkoumána struktura S-vrstvy elektronovou mikroskopií a snímky S-vrstev ve středním rozlišení z těchto analýz poskytly užitečné informace o celkové morfologii S-vrstvy. Struktury archaealního proteinu S-vrstvy s vysokým rozlišením (MA0829 od Methanosarcina acetivorans C2A) z rodiny Tile Protein rodiny Methanosarcinales S-layer a bakteriálního proteinu S-vrstva (SbsB), od Geobacillus stearothermophilus PV72, byly nedávno určeny pomocí X- paprsková krystalografie. Na rozdíl od stávajících krystalových struktur, které reprezentovaly jednotlivé domény proteinů S-vrstvy nebo menších proteinových složek S-vrstvy, MA0829 a SbsB struktury umožnily modely M s vysokým rozlišením . acetivorans a G . navrhnou S-vrstvy stearothermophilus . Tyto modely vykazují pro M šestihrannou (p6) a šikmou (p2) symetrii . acetivorans a G . Stearothermophilus S-vrstvy, respektive, a jejich molekulární vlastnosti, včetně rozměrů a pórovitosti, jsou v dobré shodě s údaji ze studií archaealních a bakteriálních S-vrstev elektronovou mikroskopií.
Obecně S-vrstvy vykazují buď šikmou (p1, p2), čtvercovou (p4) nebo šestihrannou (p3, p6) symetrii mřížky. V závislosti na symetrii mřížky je každá morfologická jednotka S-vrstvy složena z jedné (p1), dvou (p2), tří (p3), čtyř (p4) nebo šesti (p6) identických podjednotek proteinu. Rozteč mezi středy (nebo rozměry jednotkových buněk) mezi těmito podjednotkami se pohybuje od 4 do 35 nm.
Vlastní montáž
Sestavení in vivo
Sestavení vysoce uspořádaného koherentního monomolekulárního pole S vrstvy na rostoucím buněčném povrchu vyžaduje kontinuální syntézu přebytku proteinů S-vrstvy a jejich translokaci do míst růstu mřížky. Kromě toho byly informace týkající se tohoto dynamického procesu získány z rekonstitučních experimentů s izolovanými podjednotkami S-vrstvy na buněčných površích, ze kterých byly odstraněny (homologní opětné připojení) nebo na jiných organismech (heterologní opětovné připojení).
Montáž in vitro
Proteiny S-vrstvy mají přirozenou schopnost samostatně se montovat do pravidelných monomolekulárních polí v roztoku a na rozhraních, jako jsou pevné nosiče, rozhraní vzduch-voda, lipidové filmy, lipozomy, emulgomy, nanokapsle, nanočástice nebo mikroperličky. Růst krystalů S-vrstvy probíhá neklasickou cestou, ve které je závěrečný krok opětného skládání proteinu S-vrstvy součástí mřížkové formace.
aplikace
Nativní proteiny S-vrstvy již byly použity před třemi desetiletími při vývoji biosenzorů a ultrafiltračních membrán. Následně fúzní proteiny S-vrstvy se specifickými funkčními doménami (např. Enzymy, ligandy, mimotopy, protilátky nebo antigeny) umožnily zkoumat zcela nové strategie pro funkcionalizaci povrchů v biologických vědách, jako například ve vývoji nových afinitních matric, mukózních vakcín, biokompatibilní povrchy, mikronosiče a zapouzdřovací systémy nebo v materiálových vědách jako šablony pro biomineralizaci.