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Ramnolípido

Los ramnolípidos son una clase de glicolípidos producidos por Pseudomonas aeruginosa , entre otros organismos, frecuentemente citados como surfactantes bacterianos . [1] [2] [3] Tienen un grupo de cabeza de glicosilo, en este caso una fracción de ramnosa , y una cola de ácido graso de ácido 3-(hidroxialcanoiloxi)alcanoico (HAA), como el ácido 3-hidroxidecanoico . [4] [5]

En concreto, existen dos clases principales de ramnolípidos: monoramnolípidos y diramnolípidos, que constan de uno o dos grupos de ramnosa respectivamente. [6] Los ramnolípidos también son heterogéneos en la longitud y el grado de ramificación de la fracción HAA, [1] lo que varía con el medio de crecimiento utilizado y las condiciones ambientales. [7]

Biosíntesis de ramnolípidos

Los primeros genes descubiertos en un análisis de mutagénesis para mutantes incapaces de producir ramnolípidos fueron rhlA y rhlB . [8] Están dispuestos en un operón , adyacente a rhlRI , un regulador maestro de la detección de quórum en Pseudomonas aeruginosa . Se espera que las proteínas codificadas por rhlA y rhlB ; RhlA y RhlB respectivamente, formen un complejo debido a la naturaleza operónica de los genes que codifican estas dos proteínas y porque ambas proteínas son necesarias para la producción de ramnolípidos. [4] [6] Además, se suponía que el papel de RhlA era estabilizar RhlB en la membrana celular y, por lo tanto, el complejo RhlAB se etiquetó como la enzima Rhamnosyltransferase 1 y se cita con frecuencia como tal [9] [10] aunque no hay evidencia bioquímica de esto y se ha demostrado que RhlA es monomérico en solución. Posteriormente se demostró que RhlA participa en la producción del precursor de las RHL, los HAA. RhlB añade un grupo ramnosa al precursor de HAA para formar un monoramnolípido. Por lo tanto, los productos del operón rhlAB , RhlA y RhlB, catalizan la formación de HAA y monoramnolípidos respectivamente.

RhlA es una α, β hidrolasa (análisis realizado con el programa de predicción estructural Fugue). Este pliegue es un motivo estructural común en las proteínas sintéticas de ácidos grasos y RhlA muestra homología con las transacilasas. Se ha demostrado mediante ensayos enzimáticos que el sustrato de RhlA es el hidroxiacil-ACP en lugar del hidroxiacil-CoA, lo que sugiere que cataliza la formación de HAA directamente a partir de la vía de la sintetasa de ácidos grasos de tipo II (FASII). Además, RhlA interactúa preferentemente con el hidroxiacil-ACP con una longitud de cadena de acilo de diez residuos de carbono. [11] El sustrato hidroxiacil-ACP de RhlA es el producto de FabG, una proteína que codifica la β-ceto-acil-ACP reductasa dependiente de NADPH necesaria para la síntesis de ácidos grasos. [12] Es un miembro del ciclo FASII junto con FabI y FabA, que sintetizan los precursores utilizados por FabG. [11]

Otro gen necesario para la síntesis de di-ramnolípidos, rhlC , también ha sido identificado. RhlC cataliza la adición de la segunda fracción de ramnosa a mono-ramnolípidos formando di-ramnolípidos, por lo tanto, a menudo se etiqueta como ramnosiltransferasa 2. [6] Al igual que rhlA y rhlB , se piensa que rhlC es un gen ancestral controlado por el mismo sistema de detección de quórum que rhlA y rhlB . La fracción de ramnosa para mono- y di-ramnolípidos se deriva de la actividad de AlgC y la vía RmlABCD, codificada en el operón rmlBCAD . AlgC produce precursores de azúcar directamente para alginato y lipopolisacárido (LPS), así como ramnolípidos. [13] En la síntesis de ramnosa, AlgC produce glucosa-1-fosfato (G1P) que se convierte en dTDP-D-glucosa por RmlA seguida de la conversión a dTDP-6-desoxi-D-4-hexulosa y luego dTDP-6-desoxi-L-lixo-4-hexulosa por RmlB y RmlC respectivamente. Finalmente, dTDP-6-desoxi-L-lixo-4-hexulosa se convierte en dTDP-L-ramnosa por RmlD. [3] La ramnosa puede luego ser utilizada en la síntesis de ramnolípidos por RhlB y RhlC.

No se ha confirmado la vía completa de biosíntesis de los ramnolípidos. En resumen, los mono- y di-ramnolípidos se producen mediante reacciones secuenciales de ramnosiltransferasa catalizadas por RhlB y RhlC respectivamente. [6] El sustrato para RhlB es la fracción de ácido graso del detergente, producida por RhlA. [4] [11]

El papel de los ramnolípidos para la célula productora

La razón por la que Pseudomonas aeruginosa produce ramnolípidos es objeto de mucha especulación. [14] Se ha demostrado que tienen varias propiedades, y las investigaciones en un mutante rhlA que no produce HAA ni ramnolípidos han atribuido muchas funciones a los ramnolípidos que, de hecho, pueden deberse a los HAA. Estas funciones se dividen en cinco categorías generales, que se describen a continuación.

Captación de sustratos hidrofóbicos

Como se mencionó anteriormente, Pseudomonas aeruginosa tiene la capacidad de metabolizar una variedad de sustratos, incluidos n-alcanos, hexadecano y aceites. Se especula que la absorción de estos sustratos hidrófobos depende de la producción de ramnolípidos. Se cree que los ramnolípidos hacen que la superficie celular de Pseudomonas aeruginosa se vuelva hidrófoba, promoviendo una interacción entre el sustrato y la célula, o los ramnolípidos secretados emulsionan el sustrato y permiten que sea absorbido por la célula de Pseudomonas aeruginosa . Existe evidencia de que los ramnolípidos son altamente adsorbentes a la superficie celular de Pseudomonas aeruginosa , haciendo que se vuelva hidrófoba. [15] [16] También se ha demostrado que la producción de ramnolípidos promueve la absorción de hexadecano al superar el efecto inhibidor de las interacciones hidrófilas causadas por LPS. [17] La ​​producción de ramnolípidos se observa en sustratos hidrófobos, pero se pueden lograr rendimientos igualmente altos en otras fuentes de carbono, como los azúcares. Además, aunque se ha demostrado que los monoramnolípidos interactúan con la membrana celular de Pseudomonas aeruginosa y hacen que se vuelva hidrófoba, los diramnolípidos no interactúan bien con la membrana celular porque el grupo de cabeza polar es demasiado grande para penetrar la capa de LPS. [18] Por lo tanto, aunque los ramnolípidos pueden desempeñar un papel en la interacción de Pseudomonas aeruginosa con fuentes de carbono hidrófobas, es probable que tengan funciones adicionales.

Propiedades antimicrobianas

Desde hace mucho tiempo se ha informado que los ramnolípidos tienen propiedades antimicrobianas. [19] Se ha demostrado que tienen actividad contra una variedad de bacterias, incluidas Serratia marcescens , Klebsiella pneumoniae , Staphylococcus aureus y Bacillus subtilis con concentraciones inhibitorias mínimas (CIM) que varían de 0,5 μg/ml a 32 μg/ml. También se ha observado actividad contra varios hongos como Fusarium solani y Penicillium funiculosum con CIM de 75 μg/ml y 16 μg/ml respectivamente. [20] Se ha sugerido que los ramnolípidos son antimicrobianos capaces de eliminar biopelículas de Bordetella bronchiseptica . [21] Se ha demostrado que el modo de eliminación es el resultado de la intercalación de ramnolípidos en la membrana celular, lo que provoca la formación de poros que dan lugar a la lisis celular, al menos en el caso de Bacillus subtilis . [22] La acción antimicrobiana de los ramnolípidos puede proporcionar una ventaja de aptitud para Pseudomonas aeruginosa al excluir otros microorganismos del nicho colonizado. Además, se ha demostrado que los ramnolípidos tienen actividades antivirales y zoosporicidas. [2] Las propiedades antimicrobianas de los ramnolípidos pueden conferir una ventaja de aptitud para Pseudomonas aeruginosa en la colonización del nicho, ya que Pseudomonas aeruginosa es una bacteria del suelo, además de competir con otras bacterias en el pulmón de la fibrosis quística . [3]

Virulencia

Como se mencionó anteriormente, Pseudomonas aeruginosa produce una serie de factores de virulencia en conjunto, bajo el control del sistema de detección de quórum . Muchos estudios muestran que la inhibición del sistema de detección de quórum regula a la baja la patogenicidad de Pseudomonas aeruginosa . [23] Sin embargo, se ha demostrado que los ramnolípidos específicamente son un determinante clave de virulencia en Pseudomonas aeruginosa . Se analizaron diversos factores de virulencia en cepas de Pseudomonas aeruginosa aisladas de pacientes con neumonía. Se descubrió que los ramnolípidos eran el único factor de virulencia que se asociaba con el deterioro de los pacientes a neumonía asociada al respirador. [23] Varios otros informes también respaldan el papel de los ramnolípidos en las infecciones pulmonares. [24] [25] [26] El efecto de los ramnolípidos en la virulencia de Pseudomonas aeruginosa se ha observado además en infecciones corneales (Alarcon et al., 2009; Zhu et al., 2004). Se ha demostrado que los ramnolípidos pueden integrarse en la membrana celular epitelial y alterar las uniones estrechas. Este estudio utilizó membranas epiteliales reconstituidas y ramnolípidos purificados para demostrar este mecanismo. [26] Además de la inhibición y la muerte de las células epiteliales, [27] los ramnolípidos pueden matar leucocitos polimorfonucleares (PMN) y macrófagos e inhibir la fagocitosis . [28] [29] [30] En resumen, se ha demostrado inequívocamente que los ramnolípidos son un potente factor de virulencia en el huésped humano, sin embargo, también se producen fuera del huésped, por ejemplo en un entorno de suelo.

Los ramnolípidos contribuyen al establecimiento y mantenimiento de la infección en pacientes con fibrosis quística de varias maneras: alteran el epitelio bronquial al romper las membranas celulares, lo que promueve la invasión paracelular de Pseudomonas aeruginosa y causa ciliostasis, impidiendo aún más la eliminación de la mucosidad. [25] [26] También solubilizan el surfactante pulmonar, lo que permite el acceso de la fosfolipasa C a las membranas celulares [4] y son necesarios para la formación correcta de biopelículas .

Modo de crecimiento de la biopelícula

Hay tres fases principales en el desarrollo de una biopelícula y los ramnolípidos están implicados en cada fase. Se informa que los ramnolípidos promueven la motilidad , inhibiendo así la unión al evitar que las células se adhieran firmemente al sustrato. Durante el desarrollo de la biopelícula, se informa que los ramnolípidos crean y mantienen canales de fluidos para el flujo de agua y oxígeno alrededor de la base de la biopelícula. [31] Además, son importantes para formar la estructura en las biopelículas; un mutante rhlA forma una biopelícula plana. [32] [33] La dispersión de la biopelícula depende de los ramnolípidos, sin embargo, es probable que también sean necesarios otros factores como la degradación de la matriz y la activación de la motilidad. [34] Se ha demostrado mediante microscopía de fluorescencia que el operón rhlAB se induce en el centro del sombrero del hongo, seguido de la dispersión de células de la matriz de polisacáridos desde el centro de estos sombreros, lo que provoca la formación de una cavidad. Una mutación en rhlA provoca un fracaso en la formación de sombreros de hongo. [34]

Motilidad

La motilidad es un determinante clave de virulencia en Pseudomonas aeruginosa . Pseudomonas aeruginosa tiene tres métodos distintos de moverse a través de un medio. Los ramnolípidos son particularmente importantes en la motilidad de enjambre donde se postula que reducen la tensión superficial de la superficie a través de sus propiedades surfactantes, lo que permite que la célula bacteriana se enjambre. [32] Nueva evidencia sugiere que los ramnolípidos son necesarios para permitir que las células de Pseudomonas aeruginosa superen la adhesión mediada por pili tipo IV . [35] Existe cierta discrepancia entre el papel de los HAA y los RHL en la motilidad de enjambre. Algunos estudios utilizan una mutación rhlA para evaluar el efecto sobre la motilidad, que previene la formación de HAA y ramnolípidos. Los estudios que utilizan un mutante rhlB muestran que Pseudomonas aeruginosa puede enjambrar en ausencia de ramnolípidos, pero los HAA son absolutamente necesarios para el enjambre. [36] [37] Se ha propuesto que los ramnolípidos son importantes en la regulación de la formación de zarcillos en enjambre. [38] Los ramnolípidos y los HAA también están implicados en la motilidad de espasmos, de manera similar se cree que el surfactante reduce la tensión superficial permitiendo que las células se muevan a través del sustrato. [32] [39] [40] Sin embargo, el papel de los ramnolípidos en la motilidad de espasmos puede ser nutricionalmente condicional. [41]

Potencial comercial de los ramnolípidos

Los surfactantes tienen una gran demanda en una amplia gama de aplicaciones industriales, ya que aumentan la solubilidad, la capacidad de formación de espuma y reducen las tensiones superficiales. En particular, los ramnolípidos se han utilizado ampliamente en la industria cosmética para productos como humectantes, lubricantes para condones y champús. [1] [42] Los ramnolípidos son eficaces en la biorremediación de sitios contaminados con metales pesados ​​y orgánicos. [7] También facilitan la degradación de hidrocarburos residuales como el petróleo crudo y el aceite vegetal por Pseudomonas aeruginosa . [43] El surfactante ramnolípido en sí mismo es valioso en la industria cosmética, y los ramnolípidos son una fuente de ramnosa, que es un azúcar caro en sí mismo. [2] [44]

Otros surfactantes de origen biológico incluyen soforolípidos y lípidos de manosa-eritritol.

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