Capa S

Una capa S (capa superficial) es una parte de la envoltura celular que se encuentra en casi todas las arqueas, así como en muchos tipos de bacterias. Las capas S tanto de arqueas como de bacterias consisten en una capa monomolecular compuesta por solo una (o, en algunos casos, dos) proteínas o glicoproteínas idénticas. Esta estructura se construye mediante autoensamblaje y encierra toda la superficie celular. Así, la proteína de la capa S puede representar hasta el 15% del contenido proteico total de una célula. Las proteínas de la capa S están mal conservadas o no se conservan en absoluto, y pueden diferir notablemente incluso entre especies relacionadas. Dependiendo de la especie, las capas S tienen un espesor de entre 5 y 25 nm y poseen poros idénticos de 2 a 8 nm de diámetro.

La terminología “capa S” se utilizó por primera vez en 1976. El uso general fue aceptado en el "Primer taller internacional sobre capas superficiales de células bacterianas cristalinas, celebrado en Viena (Austria)" en 1984, y en el año 1987, las capas S se definieron en el Taller de la Organización Europea de Biología Molecular sobre “Capas superficiales de células bacterianas cristalinas”, Viena como “conjuntos bidimensionales de subunidades proteicas que forman capas superficiales en células procarióticas” (ver &# 34;Prefacio", página VI en Sleytr "et al. 1988"). Para obtener un breve resumen sobre la historia de la investigación de la capa S, consulte "Referencias".

Ubicación de las capas S

• En bacterias gramnegativas, Las capas se asocian a los lipopolysaccharides a través de interacciones iónicas, carbohidratos-carbohidratos, proteína-carbohidratos y/o proteína-proteína.
• En bacterias grampositivas cuyas capas S suelen contener los dominios de homología de capa superficial (SLH), la unión se presenta al peptidoglycan y a un polímero de pared celular secundario (por ejemplo, ácidos teicóicos). En ausencia de dominios SLH, la unión se produce a través de interacciones electrostáticas entre la N-terminus positivamente cargada de la proteína S-layer y un polímero de pared celular secundario cargado negativamente. En Lactobacilli el dominio vinculante puede estar situado en el C-terminus.
• En la arqueaea gramnegativa, las proteínas de la capa S poseen un ancla hidrofóbico asociado con la membrana lipídica subyacente.
• En la arquea de gramos positivos, las proteínas de la capa S se unen a la pseudomureina o a la methanocondroitina.

Funciones biológicas de la capa S

Para muchas bacterias, la capa S representa la zona de interacción más externa con su entorno respectivo. Sus funciones son muy diversas y varían de una especie a otra. En muchas especies de arqueas, la capa S es el único componente de la pared celular y, por tanto, es importante para la estabilización mecánica y osmótica. La capa S se considera porosa, lo que contribuye a muchas de sus funciones. Las funciones adicionales asociadas con las capas S incluyen:

• protección contra bacteriófagos, Bdellovibrios y fagocitosis
• resistencia contra baja p H
• barrera contra sustancias de alto peso molecular (por ejemplo, enzimas líticas)
• adhesión (para capas glucosiladas)
• estabilización de la membrana (por ejemplo, el SDBC en Deinococcus radiodurans)
• resistencia contra el estrés electromagnético (por ejemplo, radiación ionizante y altas temperaturas)
• provisión de sitios de adhesión para exoproteínas
• provisión de un compartimento periplasmático en prokaryotos gramos positivos junto con el peptidoglycan y las membranas citoplasmáticas
• propiedades antiincrustantes
• biomineralización
• función de sieve molecular y barrera

Un gran ejemplo de una bacteria que utiliza las funciones biológicas de la capa S es Clostridioides difficile. En C. difficile, la capa S ha ayudado con la formación de biopelículas, la adhesión de la célula huésped y la inmunomodulación a través de la señalización celular de la respuesta del huésped.

Estructura de capa S

Si bien son omnipresentes entre las arqueas y comunes en las bacterias, las capas S de diversos organismos tienen propiedades estructurales únicas, incluidas la simetría y las dimensiones de las células unitarias, debido a diferencias fundamentales en sus componentes básicos. Los análisis de secuencia de las proteínas de la capa S han predicho que las proteínas de la capa S tienen tamaños de 40 a 200 kDa y pueden estar compuestas por múltiples dominios, algunos de los cuales pueden estar relacionados estructuralmente. Desde la primera evidencia de una matriz macromolecular en un fragmento de pared celular bacteriana en la década de 1950, la estructura de la capa S ha sido investigada extensamente mediante microscopía electrónica y las imágenes de resolución media de las capas S a partir de estos análisis han proporcionado información útil sobre la morfología general de la capa S. Estructuras de alta resolución de una proteína de la capa S de arqueas (MA0829 de Methanosarcina acetivorans C2A) de la familia de proteínas de la capa S de Methanosarcinales y una proteína de la capa S bacteriana (SbsB), de Geobacillus stearothermophilus PV72, han sido determinados recientemente mediante cristalografía de rayos X. A diferencia de las estructuras cristalinas existentes, que han representado dominios individuales de proteínas de la capa S o componentes proteicos menores de la capa S, las estructuras MA0829 y SbsB han permitido modelos de alta resolución de la M. acetivoranos y G. Se propondrán capas S de stearothermophilus. Estos modelos exhiben simetría hexagonal (p6) y oblicua (p2), para M. acetivoranos y G. Las capas S de stearothermophilus, respectivamente, y sus características moleculares, incluidas las dimensiones y la porosidad, concuerdan bien con los datos de estudios de microscopía electrónica de capas S de arqueas y bacterias.

En general, las capas S exhiben simetría reticular oblicua (p1, p2), cuadrada (p4) o hexagonal (p3, p6). Dependiendo de la simetría de la red, cada unidad morfológica de la capa S se compone de una (p1), dos (p2), tres (p3), cuatro (p4) o seis (p6) subunidades proteicas idénticas. El espaciado de centro a centro (o dimensiones de celda unitaria) entre estas subunidades varía de 4 a 35 nm.

Autoensamblaje

Montaje in vivo

El ensamblaje de una matriz de capas S monomolecular coherente altamente ordenada en una superficie celular en crecimiento requiere una síntesis continua de un excedente de proteínas de la capa S y su translocación a sitios de crecimiento reticular. Además, la información sobre este proceso dinámico se obtuvo a partir de experimentos de reconstitución con subunidades de la capa S aisladas en superficies celulares de las que se habían eliminado (reinserción homóloga) o en las de otros organismos (reinserción heteróloga).

Montaje in vitro

Las proteínas de la capa S tienen la capacidad natural de autoensamblarse en matrices monomoleculares regulares en solución y en interfaces, como soportes sólidos, la interfaz aire-agua, películas lipídicas, liposomas, emulsomas, nanocápsulas, nanopartículas o microperlas. El crecimiento de los cristales de la capa S sigue una vía no clásica en la que un paso final de replegamiento de la proteína de la capa S es parte de la formación de la red.

Aplicación

Las proteínas nativas de la capa S ya se utilizaron hace tres décadas en el desarrollo de biosensores y membranas de ultrafiltración. Posteriormente, las proteínas de fusión de la capa S con dominios funcionales específicos (por ejemplo, enzimas, ligandos, mimotopos, anticuerpos o antígenos) permitieron investigar estrategias completamente nuevas para funcionalizar superficies en las ciencias de la vida, como en el desarrollo de nuevas matrices de afinidad, vacunas mucosas, superficies biocompatibles, microportadores y sistemas de encapsulación, o en las ciencias de los materiales como plantillas para la biomineralización.