Les bactéries à Gram négatif provoquent diverses maladies infectieuses chez les plantes et les animaux. Les épidémies d’infections à Salmonella et à E. coli font souvent la une des journaux en raison de leur gravité, et les gens doivent recourir à des remèdes allopathiques et naturels, augmentant ainsi le fardeau du système de santé.
Bien que les antibiotiques offrent une solution efficace contre les infections bactériennes, l’incidence croissante de bactéries résistantes aux antibiotiques a incité les chercheurs à identifier d’autres traitements possibles contre ces infections. Avec les progrès technologiques et la médecine moderne, les chercheurs étudient la possibilité de perturber le pouvoir pathogène des bactéries au niveau moléculaire en interférant avec les processus moléculaires au niveau des gènes ainsi qu’au niveau des protéines.
Les bactéries à Gram négatif, connues pour leur capacité d’infection, produisent des glucanes périplasmiques osmo-régulés (OPG) – des glucides à longue chaîne constitués de plusieurs unités de glucose – dans l’espace extracellulaire et/ou périplasmique. Initialement, on pensait que les OPG étaient des sous-produits produits à de faibles concentrations de soluté, mais des rapports récents confirment qu’ils sont cruciaux pour la pathogénicité, la symbiose, l’adhésion cellulaire et la signalisation.
Cependant, les enzymes impliquées dans la synthèse, la régulation et la dégradation des OPG ne sont pas entièrement connues. L’analyse génétique a révélé que la suppression des gènes opgH et/ou opgG, partiellement responsables de la synthèse des OPG, fait perdre aux bactéries leur capacité d’infection, suggérant de forts liens potentiels entre ces gènes et la pathogénicité bactérienne.
Bien que la structure de OpgG d’E. coli (EcOpgG) ait été élucidée, le mécanisme d’action d’OpgG et d’OpgD d’E. coli (EcOpgG et EcOpgD, respectivement) reste flou. Comprendre les enzymes impliquées dans la synthèse des OPG et les mécanismes sous-jacents à leur fonction pourrait nous fournir des informations essentielles sur la pathogénicité des bactéries Gram-négatives, nous permettant ainsi de développer des moyens plus efficaces de lutter contre les infections bactériennes.
Pour combler ce manque de connaissances, M. Sei Motouchi de l’Université des sciences de Tokyo, le Dr Kaito Kobayashi de l’Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST), le professeur associé Hiroyuki Nakai de l’Université de Niigata et le professeur Masahiro Nakajima de l’Université de Niigata. L’Université des sciences de Tokyo a mené des analyses structurelles et fonctionnelles d’EcOpgD et d’EcOpgG. L’étude a été publiée dans Biologie des communications.
Partageant la motivation derrière cette étude, le professeur Nakajima déclare : « Les glycanes sont des macromolécules biologiques importantes qui jouent divers rôles dans les organismes vivants, notamment la pathogénicité et la symbiose. Leur structure est très diversifiée et complexe, et il existe donc de nombreux types d’enzymes qui peuvent les synthétisons et les dégradons. Cependant, nous, les humains, n’en connaissons qu’une petite fraction.
Les chercheurs ont étudié les fonctions des gènes liés à l’OPG dans l’organisme modèle E. coli. Les analyses fonctionnelles ont révélé que E. coli OpgD (EcOpgD) était une endo-β-1,2-glucanase, qui dégradait spécifiquement les β-1,2-glucanes. Il avait également des propriétés cinétiques similaires à celles des glycosides hydrolases générales (GH), confirmant ainsi son identité de β-1,2-glucanase.
L’analyse structurelle par cristallographie a révélé un degré élevé de similitude entre les structures d’EcOpgG et d’EcOpgD. Cependant, les deux enzymes avaient une activité remarquablement différente. Après une enquête plus approfondie, les chercheurs ont découvert que quelques acides aminés formant la voie de réaction, appelés « boucle A », étaient essentiels à l’activité enzymatique et régulaient la vitesse de réaction.
EcOpgG et EcOpgD différaient dans leurs fonctions catalytiques, probablement en raison de la différence entre les acides aminés dans la région de la boucle A. La région LoopA se diversifie parmi ce groupe d’enzymes, ce qui peut conduire à une diversité fonctionnelle. Néanmoins, la base du centre catalytique est partagée par ce groupe d’enzymes. Ce point commun aidera les scientifiques à développer des thérapies susceptibles de perturber la synthèse des OPG et d’entraver la capacité infectante des bactéries.
De plus, même si les deux enzymes appartenaient à la même famille de GH, leur structure ne correspondait à aucune des enzymes GH existantes. Ainsi, les auteurs ont confirmé qu’ils appartenaient à une nouvelle famille de GH, à savoir GH186. Ces informations ouvrent des perspectives de recherche sur des thérapies pouvant cibler les protéines GH186 pour stopper la progression des infections bactériennes.
Le professeur Masahiro conclut en expliquant les applications à long terme de l’étude : « Même s’il était connu que certains pathogènes végétaux à Gram négatif synthétisent des OPG pour leur pouvoir pathogène, la plupart des enzymes clés pour leur synthèse n’avaient pas été identifiées, empêchant le développement de produits agrochimiques ciblant OPG. »
« Nous avons identifié une famille d’enzymes (GH186) impliquées dans la synthèse directe des OPG et élucidé leurs fonctions détaillées, ce qui nous a présenté de nouvelles cibles (GH186) pour inhiber les agents pathogènes et fournit une base solide pour la « découverte de pesticides basée sur la structure ». « .
Les résultats de cette étude constituent une base solide pour des recherches plus approfondies sur les OPG et les gènes associés et pourraient ouvrir la voie à une nouvelle ère de gestion des maladies.
Plus d’information:
Sei Motouchi et al, L’identification des fonctions enzymatiques des protéines de biosynthèse des glucanes périplasmiques osmo-régulées d’Escherichia coli révèle une nouvelle famille de glycosides hydrolases, Biologie des communications (2023). DOI : 10.1038/s42003-023-05336-6