Rhamnolipid
 Rhamnolipid 1, ett exempel på en di-rhamnolipid
|
|
| Namn | |
|---|---|
|
IUPAC-namn
3-[3-[(2R,3R,4R,5R,6S)-4,5-dihydroxi-6-metyl-3-[(2S,3R,4R,5R,6S)-3,4,5-trihydroxi -6-metyloxan-2-yl]oxioxan-2-yl]oxidekanoyloxi]dekansyra
|
|
| Andra namn 3-[(3-{[6-deoxi-2-O-(6-deoxi-alfa-L-mannopyranosyl)-alfa-L-mannopyranosyl]oxi}dekanoyl)oxi]dekansyra
|
|
| Identifierare | |
|
3D-modell ( JSmol )
|
|
|
PubChem CID
|
|
| UNII | |
|
|
|
|
| Egenskaper | |
| C32H58O 13 _ _ _ _ | |
| Molar massa | 650,79512 |
|
Om inte annat anges ges data för material i standardtillstånd (vid 25 °C [77 °F], 100 kPa).
|
|
Rhamnolipider är en klass av glykolipider som produceras av Pseudomonas aeruginosa , bland andra organismer, ofta citerade som bakteriella ytaktiva ämnen . De har en glykosylhuvudgrupp, i detta fall en rhamnosdel , och en 3-(hydroxialkanoyloxi)alkansyra (HAA) fettsyrasvans, såsom 3-hydroxidekansyra .
Specifikt finns det två huvudklasser av rhamnolipider: mono-rhamnolipider och di-rhamnolipider, som består av en respektive två rhamnosgrupper. Ramnolipider är också heterogena i längden och graden av förgrening av HAA-delen, vilket varierar med de odlingsmedier som används och miljöförhållandena.
Rhamnolipids biosyntes
De första generna som upptäcktes i en mutagenesscreening för mutanter som inte kunde producera rhamnolipider var rhlA och rhlB . De är ordnade i en operon , intill rhlRI , en mästarregulator för kvorumavkänning i Pseudomonas aeruginosa . Proteinerna som kodas av rhlA och rhlB ; RhlA respektive RhlB förväntas bilda ett komplex på grund av den operoniska naturen hos generna som kodar för dessa två proteiner och eftersom båda proteinerna är nödvändiga för produktion av rhamnolipider. Vidare antogs det att RhlA:s roll var att stabilisera RhlB i cellmembranet och därför märktes RhlAB-komplexet som enzymet Rhamnosyltransferas 1 och citeras ofta som sådant även om det inte finns några biokemiska bevis för detta och RhlA har visats att vara monomer i lösning. RhlA visade sig därefter vara involverad i produktionen av prekursorn till RHL, HAA. RhlB lägger till en ramnosgrupp till HAA-prekursorn för att bilda mono-rhamnolipid. Därför katalyserar produkterna av rhlAB- operonet, RhlA och RhlB, bildningen av HAA respektive mono-rhamnolipider.
RhlA är ett α, β-hydrolas (analys av Fugues strukturella prediktionsprogram). Denna veckning är ett vanligt strukturellt motiv i syntetiska fettsyraproteiner och RhlA visar homologi med transacylaser. Det har visats med hjälp av enzymanalyser att substratet för RhlA är hydroxiacyl-ACP snarare än hydroxiacyl-CoA, vilket tyder på att det katalyserar bildningen av HAA direkt från typ II- fettsyrasyntasvägen (FASII). Vidare interagerar RhlA företrädesvis med hydroxiacyl-ACP med en acylkedjelängd på tio kolrester. Hydroxiacyl-ACP-substratet av RhlA är produkten av FabG, ett protein som kodar för det NADPH-beroende β-keto-acyl-ACP-reduktaset som krävs för fettsyrasyntes. Det är en medlem av FASII-cykeln tillsammans med FabI och FabA, som syntetiserar prekursorerna som används av FabG.
En annan gen som är nödvändig för syntes av di-rhamnolipider, rhlC , har också identifierats. RhlC katalyserar tillägget av den andra rhamnosdelen till mono-rhamnolipider som bildar di-rhamnolipider, och är därför ofta märkt rhamnosyltransferas 2. Liksom rhlA och rhlB , anses rhlC vara en förfäders gen som kontrolleras av samma kvorumavkänningssystem som rhlBhl . Ramnosdelen för mono- och di-ramnolipider härrör från AlgC-aktivitet och RmlABCD-vägen, kodad på rmlBCAD -operonet. AlgC producerar sockerprekursorer direkt för alginat och lipopolysackarider (LPS) samt rhamnolipider. Vid ramnossyntes producerar AlgC glukos-1-fosfat (G1P) som omvandlas till dTDP-D-glukos genom RmlA följt av omvandling till dTDP-6-deoxi-D-4-hexulos och sedan dTDP-6-deoxi-L- lyxo-4-hexulos av RmlB respektive RmlC. Slutligen omvandlas dTDP-6-deoxi-L-lyxo-4-hexulos till dTDP-L-ramnos genom RmlD. Ramnosen kan sedan användas i syntesen av rhamnolipider av RhlB och RhlC.
Den fullständiga vägen för biosyntes av rhamnolipider har inte bekräftats. Sammanfattningsvis produceras mono- och dirhamnolipider genom sekventiella rhamnosyltransferasreaktioner katalyserade av RhlB respektive RhlC. Substratet för RhlB är fettsyradelen i tvättmedlet, producerat av RhlA.
Rhamnolipidernas roll för den producerande cellen
Anledningen till att Pseudomonas aeruginosa producerar rhamnolipider är föremål för många spekulationer. De har visat sig ha flera egenskaper och undersökningar av en rhlA- mutant som inte gör HAA eller rhamnolipider har tillskrivit rhamnolipider många funktioner som faktiskt kan bero på HAA. Dessa funktioner delas i stort sett in i fem kategorier, som beskrivs nedan.
Upptag av hydrofoba substrat
Som nämnts tidigare har Pseudomonas aeruginosa förmågan att metabolisera en mängd olika substrat inklusive n-alkaner, hexadekan och oljor. Upptag av dessa hydrofoba substrat spekuleras för att förlita sig på produktionen av rhamnolipider. Man tror att rhamnolipider antingen gör att Pseudomonas aeruginosa- cellytan blir hydrofob, vilket främjar en interaktion mellan substratet och cellen, eller utsöndrade rhamnolipider emulgerar substratet och tillåter det att tas upp av Pseudomonas aeruginosa- cellen . Det finns bevis för att rhamnolipider är mycket adsorberande till Pseudomonas aeruginosa- cellytan, vilket gör att den blir hydrofob. Det har också visat sig att produktion av rhamnolipider främjar upptaget av hexadekan genom att övervinna den hämmande effekten av de hydrofila interaktioner som orsakas av LPS. Produktion av rhamnolipider observeras på hydrofoba substrat men lika höga utbyten kan uppnås på andra kolkällor såsom socker. Dessutom, även om mono-rhamnolipider har visats interagera med Pseudomonas aeruginosa- cellmembranet och gör att det blir hydrofobt, interagerar di-rhamnolipider inte bra med cellmembranet eftersom den polära huvudgruppen är för stor för att penetrera LPS-skiktet. Därför, även om Rhamnolipider kan spela en roll i interaktionen mellan Pseudomonas aeruginosa och hydrofoba kolkällor, kommer de sannolikt att ha ytterligare funktioner.
Antimikrobiella egenskaper
Rhamnolipider har länge rapporterats ha antimikrobiella egenskaper. De har visat sig ha aktivitet mot en rad bakterier inklusive Serratia marcescens , Klebsiella pneumoniae , Staphylococcus aureus och Bacillus subtilis med lägsta hämmande koncentrationer (MIC) som sträcker sig från 0,5 µg/mL till 32 µg/ml. Aktivitet mot flera svampar såsom Fusarium solani och Penicillium funiculosum har också observerats med MIC på 75 µg/mL respektive 16 µg/ml. Rhamnolipider har föreslagits som antimikrobiella medel som kan ta bort Bordetella bronchiseptica biofilmer . Dödssättet har visat sig vara ett resultat av interkalering av rhamnolipider i cellmembranet vilket orsakar att porer bildas som resulterar i cellys, åtminstone i fallet med Bacillus subtilis . Den antimikrobiella effekten av rhamnolipider kan ge en fitnessfördel för Pseudomonas aeruginosa genom att utesluta andra mikroorganismer från den koloniserade nischen. Dessutom har rhamnolipider visats ha antivirala och zoosporicidala aktiviteter. De antimikrobiella egenskaperna hos rhamnolipider kan ge en konditionsfördel för Pseudomonas aeruginosa i nischkolonisering eftersom Pseudomonas aeruginosa är en jordbakterie, samt konkurrerar med andra bakterier i cystisk fibros- lungan.
Virulens
Som tidigare nämnts producerar Pseudomonas aeruginosa en mängd virulensfaktorer i samverkan, under kontroll av kvorumavkänningssystemet . Många studier visar att hämmande av kvorumavkänning nedreglerar patogeniciteten hos Pseudomonas aeruginosa . Det har emellertid visats att rhamnolipider specifikt är en nyckelvirulensdeterminant i Pseudomonas aeruginosa . En mängd olika virulensfaktorer analyserades i Pseudomonas aeruginosa -stammar isolerade från lunginflammationspatienter. Rhamnolipider visade sig vara den enda virulensfaktorn som var associerad med att patienterna försämrades till ventilatorrelaterad lunginflammation. Flera andra rapporter stöder också rhamnolipids roll vid lunginfektioner. Effekten av rhamnolipider i Pseudomonas aeruginosa virulens har ytterligare noterats vid hornhinneinfektioner (Alarcon et al., 2009; Zhu et al., 2004). Det har visats att rhamnolipider kan integreras i epitelcellsmembranet och störa täta förbindelser. Denna studie använde rekonstituerade epitelmembran och renade rhamnolipider för att demonstrera denna mekanism. Förutom hämning och dödande av epitelceller kan rhamnolipider döda polymorfonukleära (PMN) leukocyter och makrofager och hämma fagocytos . Sammanfattningsvis har rhamnolipider otvetydigt visats vara en potent virulensfaktor i den mänskliga värden, men de produceras även utanför värden, till exempel i en jordmiljö.
Rhamnolipider bidrar till etableringen och upprätthållandet av infektion hos patienter med cystisk fibros på ett antal sätt, de stör bronkialepitelet genom att störa cellmembranen, vilket främjar paracellulär invasion av Pseudomonas aeruginosa och orsakar ciliostas, vilket ytterligare förhindrar rensningen av slem. De solubiliserar också lungtensid, vilket ger fosfolipas C tillgång till cellmembran och är nödvändiga för korrekt biofilmbildning .
Biofilms växtsätt
Det finns tre huvudfaser av biofilmutveckling och rhamnolipider är inblandade i varje fas. Rhamnolipider har rapporterats främja motilitet och därigenom inhibera vidhäftning genom att förhindra celler från att fästa tätt till substratet. Under utveckling av biofilm rapporteras rhamnolipider skapa och upprätthålla vätskekanaler för vatten och syreflöde runt biofilmens bas. Dessutom är de viktiga för att bilda struktur i biofilmer; en rhlA -mutant bildar en platt biofilm. Biofilmspridning är beroende av Rhammnolipider, men andra faktorer såsom nedbrytning av matrisen och aktivering av motilitet är sannolikt också nödvändiga. Det har visats med fluorescensmikroskopi att rhlAB- operonet induceras i mitten av svamplocket, följt av spridning av celler från polysackaridmatrisen från mitten av dessa lock, vilket orsakar att en hålighet bildas. En mutation i rhlA orsakar ett misslyckande i bildandet av svamplock överhuvudtaget.
Motilitet
Motilitet är en viktig virulensdeterminant i Pseudomonas aeruginosa . Pseudomonas aeruginosa har tre distinkta metoder för att förflytta sig över eller genom ett medium. Ramnolipider är särskilt viktiga för svärmande motilitet där de antas sänka ytspänningen på ytan genom sina ytaktiva egenskaper, vilket gör att bakteriecellen kan svärma. Nya bevis tyder på att rhamnolipider är nödvändiga för att tillåta Pseudomonas aeruginosa- celler att övervinna bindning medierad av typ IV pili . Det finns en viss diskrepans mellan HAAs och RHLs roll i svärmande motilitet. Vissa studier använder en rhlA -mutation för att bedöma effekten på motiliteten, vilket förhindrar bildandet av HAA och rhamnolipider. Studier som använder en rhlB- mutant visar att Pseudomonas aeruginosa kan svärma i frånvaro av rhamnolipider, men HAA är absolut nödvändiga för svärmning. Rhamnolipider har föreslagits vara viktiga för att reglera bildning av svärmrankor. Rhamnolipider och HAA är också inblandade i ryckningsmotilitet, på samma sätt tros det ytaktiva medlet sänka ytspänningen så att cellerna kan röra sig över substratet. Emellertid kan rhamnolipidernas roll i ryckmotiliteten vara näringsmässigt villkorad.
Kommersiell potential för rhamnolipider
Ytaktiva ämnen är efterfrågade för ett brett spektrum av industriella tillämpningar eftersom de ökar lösligheten, skumningskapaciteten och lägre ytspänningar. Framför allt har rhamnolipider använts i stor utsträckning inom den kosmetiska industrin för produkter som fuktkrämer, kondomsmörjmedel och schampo. Ramnolipider är effektiva vid biosanering av organiska och tungmetallförorenade platser. De underlättar också nedbrytning av avfallskolväten såsom råolja och vegetabilisk olja av Pseudomonas aeruginosa . Själva rhamnolipid-tensiden är värdefull inom kosmetisk industri, och rhamnolipider är en källa till rhamnos, som är ett dyrt socker i sig.
Andra biobaserade ytaktiva ämnen inkluderar soforolipider och mannos-erytritollipider.