Сидерофоры: Соединения для захвата железа микроорганизмами

Введение

Соединения железа, выделяемые микроорганизмами. Сидерофоры (от греч. "железоноситель") – это небольшие соединения с высокой аффинностью к железу, образующие хелаты и выделяемые микроорганизмами, такими как бактерии и грибы. Они помогают организмам накапливать железо. Хотя в настоящее время признается все более широкий спектр функций сидерофоров, они остаются одними из самых сильных (обладающих наивысшей аффинностью) известных агентов, связывающих Fe3+. Фитосидерофоры – это сидерофоры, производимые растениями.

Нехватка растворимого железа

Несмотря на то, что железо является одним из самых распространенных элементов в земной коре, оно не отличается высокой биодоступностью. В большинстве аэробных сред, таких как почва или море, железо существует в форме трехвалентного железа (Fe3+), которое склонно образовывать нерастворимые соединения, подобные ржавчине. Для эффективного усвоения питательные вещества должны быть не только доступны, но и растворимы. Микробы выделяют сидерофоры для извлечения железа из этих минеральных фаз путем образования растворимых комплексов Fe3+, которые затем поглощаются с помощью механизмов активного транспорта. Многие сидерофоры представляют собой нерибосомальные пептиды, хотя некоторые биосинтезируются независимо. Сидерофоры также важны для некоторых патогенных бактерий, обеспечивая им доступ к железу. Следовательно, на патогенные бактерии оказывается сильное эволюционное давление для получения этого металла. Например, возбудитель сибирской язвы Bacillus anthracis выделяет два сидерофора – бациллибактин и петробактин – для извлечения ионов железа из железосодержащих белков. В то время как было показано, что бациллибактин связывается с белком иммунной системы сидерокалин, предполагается, что петробактин способен обходить иммунную систему и, как было показано на мышах, играет важную роль в вирулентности. Сидерофоры – одни из самых сильных известных связующих агентов для Fe3+, среди которых энтеробактин выделяется особой прочностью связывания. Помимо сидерофоров, некоторые патогенные бактерии производят гемофоры (белки, связывающие гем и участвующие в его извлечении) или обладают рецепторами, которые непосредственно связываются с железо/гемопротеинами. У эукариот для повышения растворимости и усвоения железа используются и другие стратегии, такие как подкисление окружающей среды (например, корнями растений) или внеклеточное восстановление Fe3+ до более растворимых ионов Fe2+.

Структура

Сидофоры обычно образуют стабильный, шестизубчатый, октаэдрический комплекс, преимущественно с Fe3+ по сравнению с другими распространенными природными ионами металлов, хотя при наличии менее шести атомов-доноров вода также может координироваться. Наиболее эффективными сидерофорами являются те, которые содержат три бидентатных лиганда на молекулу, формируя гексадентатный комплекс и вызывая меньшее энтропийное изменение, чем при хелатировании одного иона железа отдельными лигандами. Fe3+ является сильной кислотой Льюиса, предпочитая для координации сильные основания Льюиса, такие как анионные или нейтральные атомы кислорода. Микроорганизмы обычно высвобождают железо из сидерофора путем восстановления до Fe2+, который имеет низкое сродство к этим лигандам. Широкое разнообразие сидерофоров может быть обусловлено эволюционным давлением, заставляющим микроорганизмы производить структурно различные сидерофоры, которые не могут транспортироваться специфическими активными транспортными системами других микроорганизмов, или, в случае патогенов, быть деактивированными организмом-хозяином. Сидерофоры затем распознаются клеточно-специфическими рецепторами на внешней мембране клетки. У грибов и других эукариот комплекс Fe-сидерофора может быть восстановлен до Fe2+ вне клетки, в то время как во многих случаях весь комплекс Fe-сидерофора активно транспортируется через клеточную мембрану. У грамотрицательных бактерий они транспортируются в периплазму через рецепторы, зависимые от TonB, и переносятся в цитоплазму транспортерами ABC. Попав в цитоплазму клетки, комплекс Fe3+-сидерофора обычно восстанавливается до Fe2+ для высвобождения железа, особенно в случае "слабых" сидерофорных лигандов, таких как гидроксаматы и карбоксилаты. Разложение сидерофоров или другие биологические механизмы также могут высвобождать железо, типичным примером является дезоксимугиновая кислота. Фитосидерофоры имеют структуру, отличную от структуры грибных и бактериальных сидерофоров, содержащую два α-аминокарбоксилатных связующих центра и одну α-гидроксикарбоксилатную группу. Эта последняя бидентатная функция обеспечивает фитосидерофорам высокую селективность к железу(III). При выращивании в почве, бедной железом, корни злаковых растений выделяют сидерофоры в ризосферу. После захвата железа(III) комплекс железа-фитосидерофора транспортируется через цитоплазматическую мембрану с использованием механизма протонового симпорта. Затем комплекс железа(III) восстанавливается до железа(II), а железо передается никотианамину, который, хотя и очень похож на фитосидерофоры, селективен к железу(II) и не секретируется корнями. Никотианамин транспортирует железо по флоэме во все части растения.

Siderophores usually form a stable, hexadentate, octahedral complex preferentially with Fe3+ compared to other naturally occurring abundant metal ions, although if there are fewer than six donor atoms water can also coordinate. The most effective siderophores are those that have three bidentate ligands per molecule, forming a hexadentate complex and causing a smaller entropic change than that caused by chelating a single ferric ion with separate ligands. Fe3+ is a strong Lewis acid, preferring strong Lewis bases such as anionic or neutral oxygen atoms to coordinate with. Microbes usually release the iron from the siderophore by reduction to Fe2+ which has little affinity to these ligands. The wide variety of siderophores may be due to evolutionary pressures placed on microbes to produce structurally different siderophores which cannot be transported by other microbes' specific active transport systems, or in the case of pathogens deactivated by the host organism. Siderophores are then recognized by cell specific receptors on the outer membrane of the cell. In fungi and other eukaryotes, the Fe siderophore complex may be extracellularly reduced to Fe2+, while in many cases the whole Fe siderophore complex is actively transported across the cell membrane. In gram negative bacteria, these are transported into the periplasm via TonB dependent receptors, and are transferred into the cytoplasm by ABC transporters. Once in the cytoplasm of the cell, the Fe3+ siderophore complex is usually reduced to Fe2+ to release the iron, especially in the case of "weaker" siderophore ligands such as hydroxamates and carboxylates. Siderophore decomposition or other biological mechanisms can also release iron, a typical example being deoxymugineic acid. Phytosiderophores have a different structure to those of fungal and bacterial siderophores having two α aminocarboxylate binding centres, together with a single α hydroxycarboxylate unit. This latter bidentate function provides phytosiderophores with a high selectivity for iron(III). When grown in an iron deficient soil, roots of graminaceous plants secrete siderophores into the rhizosphere. On scavenging iron(III) the iron–phytosiderophore complex is transported across the cytoplasmic membrane using a proton symport mechanism. The iron(III) complex is then reduced to iron(II) and the iron is transferred to nicotianamine, which although very similar to the phytosiderophores is selective for iron(II) and is not secreted by the roots. Nicotianamine translocates iron in phloem to all plant parts.

Келирование в Pseudomonas aeruginosa

Железо является важным питательным веществом для бактерии Pseudomonas aeruginosa, однако железо нелегко доступно в окружающей среде. Чтобы преодолеть эту проблему, P. aeruginosa производит сидерофоры для связывания и транспортировки железа. Однако бактерия, выделившая сидерофоры, не обязательно получает прямую выгоду от поглощения железа. Скорее, все члены клеточной популяции имеют одинаковую вероятность получить доступ к комплексам железа с сидерофорами. Производство сидерофоров также требует от бактерии затрат энергии. Таким образом, производство сидерофоров можно рассматривать как альтруистическую черту, поскольку оно полезно для локальной группы, но обходится дорого индивидууму. Эта альтруистическая динамика требует, чтобы каждый член клеточной популяции вносил равный вклад в производство сидерофоров. Но иногда возникают мутации, в результате которых некоторые бактерии производят меньшее количество сидерофоров. Эти мутации дают эволюционное преимущество, поскольку бактерия может извлекать выгоду из производства сидерофоров, не неся энергетических затрат. Таким образом, больше энергии может быть направлено на рост. Члены клеточной популяции, которые эффективно производят эти сидерофоры, обычно называются кооператорами, а члены, производящие мало или совсем не производящие сидерофоров, часто называются обманщиками. Исследования показали, что при совместном культивировании кооператоров и обманщиков у кооператоров снижается приспособленность, а у обманщиков – повышается. Наблюдается, что величина изменения приспособленности увеличивается с усилением дефицита железа. Благодаря увеличению приспособленности обманщики могут обойти кооператоров; это приводит к общему снижению приспособленности группы из-за недостаточного производства сидерофоров.

Производство пиовердина и сидерофора у Pseudomonas aeruginosa

В недавнем исследовании был изучен синтез пиовердина (PVD), типа сидерофора, бактерией Pseudomonas aeruginosa. В рамках этого исследования основное внимание уделялось разработке, моделированию и динамическому моделированию биосинтеза ПВД – фактора вирулентности – с использованием системного подхода. Этот подход основан на том, что метаболический путь синтеза PVD регулируется феноменом кворумного зондирования (QS), системы клеточной коммуникации, позволяющей бактериям координировать свое поведение в зависимости от плотности популяции. Исследование показало, что с ростом бактериальной популяции увеличивается внеклеточная концентрация сигнальных молекул QS, что имитирует естественное поведение P. aeruginosa PAO1. Для проведения исследования была построена модель метаболической сети P. aeruginosa на основе модели iMO1056, геномной аннотации штамма P. aeruginosa PAO1 и метаболического пути синтеза PVD. Эта модель включала синтез PVD, транспортные реакции, обменные процессы и сигнальные молекулы QS. Полученная модель, получившая название CCBM1146, продемонстрировала, что феномен QS напрямую влияет на метаболизм P. aeruginosa, направляя его в сторону биосинтеза PVD в зависимости от изменения интенсивности сигнала QS. Данная работа представляет собой первый in silico отчет об интегративной модели, объединяющей сеть регуляции генов QS и метаболическую сеть P. aeruginosa, и предоставляет детальное представление о том, как на производство пиовердина и сидерофоров в Pseudomonas aeruginosa влияет феномен кворумного зондирования.

Экология

Сидофоры приобретают важное значение в экологической нише, характеризующейся низкой доступностью железа, поскольку железо является одним из важнейших факторов, ограничивающих рост практически всех аэробных микроорганизмов. Выделяют четыре основных экологических местообитания: почва и поверхностные воды, морская вода, растительные ткани (для патогенов) и ткани животных (для патогенов).

Почва и поверхностные воды

Почва является богатым источником бактериальных и грибковых родов. К распространенным грамположительным видам относятся виды, принадлежащие к порядку Actinomycetales, а также виды родов Bacillus, Arthrobacter и Nocardia. Многие из этих организмов производят и выделяют ферриоксамины, что способствует росту не только продуцентов, но и других микробных популяций, способных использовать экзогенные сидерофоры. Среди почвенных грибов Aspergillus и Penicillium преимущественно продуцируют феррихромы. Эта группа сидерофоров состоит из циклических гексапептидов и, следовательно, обладает высокой устойчивостью к деградации в окружающей среде, обусловленной широким спектром гидролитических ферментов, присутствующих в гумусовых почвах. Почвы, содержащие разлагающийся растительный материал, могут иметь pH в диапазоне 3–4. В таких условиях организмы, продуцирующие гидроксаматные сидерофоры, имеют преимущество благодаря исключительной кислотоустойчивости этих молекул. Микробное население пресных вод сходно с почвенным, поскольку многие бактерии вымываются из почвы. Кроме того, в пресноводных озерах обитают многочисленные популяции видов Pseudomonas, Azomonas, Aeromonas и Alcaligenes. Поскольку сидерофоры выделяются во внешнюю среду, они могут быть обнаружены бактериофагами-хищниками, включая Caenorhabditis elegans, что вызывает миграцию нематод к бактериальной добыче.

Морская вода

В отличие от большинства источников пресной воды, концентрация железа в поверхностных морских водах крайне низка (от 1 нМ до 1 мкМ в верхних 200 м) и значительно ниже, чем концентрации V, Cr, Co, Ni, Cu и Zn. Практически все железо находится в трехвалентном состоянии (Fe(III)) и связано с органическими лигандами. Эти низкие концентрации железа ограничивают первичную продукцию фитопланктона и привели к выдвижению гипотезы о роли железа, согласно которой поступление железа должно стимулировать рост фитопланктона и тем самым снизить содержание CO2 в атмосфере. Эта гипотеза была проверена более десяти раз, и во всех случаях наблюдались массивные вспышки размножения водорослей. Однако продолжительность этих вспышек варьировалась. Интересным наблюдением, сделанным в некоторых исследованиях, было увеличение концентрации органических лигандов за короткий промежуток времени, чтобы соответствовать концентрации добавленного железа, что указывает на биологическое происхождение и, учитывая их сродство к железу, возможно, на природу, сходную с сидерофорами. Важно отметить, что численность гетеротрофных бактерий также значительно возрастала во время вспышек, вызванных железом. Таким образом, существует синергизм между фитопланктоном и гетеротрофными бактериями. Фитопланктону требуется железо (предоставляемое бактериальными сидерофорами), а гетеротрофным бактериям – источники углерода, отличные от CO2 (предоставляемые фитопланктоном). Разбавленность пелагической морской среды способствует значительным диффузионным потерям и затрудняет эффективность обычных стратегий поглощения железа на основе сидерофоров. Однако многие гетеротрофные морские бактерии действительно производят сидерофоры, хотя и с несколько иными свойствами, чем у наземных организмов. Многие морские сидерофоры поверхностно активны и склонны к образованию молекулярных агрегатов, например, аквахелинов. Наличие жирноацильной цепи придает молекулам высокую поверхностную активность и способность образовывать мицеллы. Таким образом, при секреции эти молекулы связываются с поверхностями и друг с другом, замедляя скорость диффузии от продуцирующего организма и поддерживая относительно высокую локальную концентрацию сидерофоров. Фитопланктон имеет высокие потребности в железе, однако большинство (и, возможно, все) не производят сидерофоры. Фитопланктон, тем не менее, может получать железо из комплексов с сидерофорами с помощью мембранно-связанных редуктаз и, безусловно, из двухвалентного железа, образующегося в результате фотохимического разложения трехвалентных сидерофоров. Таким образом, значительная часть (возможно, все) железа, поглощаемого фитопланктоном, зависит от производства сидерофоров бактериями.

In contrast to most fresh water sources, iron levels in surface sea water are extremely low (1 nM to 1 μM in the upper 200 m) and much lower than those of V, Cr, Co, Ni, Cu and Zn. Virtually all this iron is in the iron(III) state and complexed to organic ligands. These low levels of iron limit the primary production of phytoplankton and have led to the Iron Hypothesis where it was proposed that an influx of iron would promote phytoplankton growth and thereby reduce atmospheric CO2. This hypothesis has been tested on more than 10 different occasions and in all cases, massive blooms resulted. However, the blooms persisted for variable periods of time. An interesting observation made in some of these studies was that the concentration of the organic ligands increased over a short time span in order to match the concentration of added iron, thus implying biological origin and in view of their affinity for iron possibly being of a siderophore or siderophore like nature. Significantly, heterotrophic bacteria were also found to markedly increase in number in the iron induced blooms. Thus there is the element of synergism between phytoplankton and heterotrophic bacteria. Phytoplankton require iron (provided by bacterial siderophores), and heterotrophic bacteria require non CO2 carbon sources (provided by phytoplankton). The dilute nature of the pelagic marine environment promotes large diffusive losses and renders the efficiency of the normal siderophore based iron uptake strategies problematic. However, many heterotrophic marine bacteria do produce siderophores, albeit with properties different from those produced by terrestrial organisms. Many marine siderophores are surface active and tend to form molecular aggregates, for example aquachelins. The presence of the fatty acyl chain renders the molecules with a high surface activity and an ability to form micelles. Thus, when secreted, these molecules bind to surfaces and to each other, thereby slowing the rate of diffusion away from the secreting organism and maintaining a relatively high local siderophore concentration. Phytoplankton have high iron requirements and yet the majority (and possibly all) do not produce siderophores. Phytoplankton can, however, obtain iron from siderophore complexes by the aid of membrane bound reductases and certainly from iron(II) generated via photochemical decomposition of iron(III) siderophores. Thus a large proportion of iron (possibly all iron) absorbed by phytoplankton is dependent on bacterial siderophore production.

Растительные патогены

Большинство патогенов растений вторгаются в апоплазму, высвобождая пектолитические ферменты, которые способствуют распространению инвазирующего организма. Бактерии часто заражают растения, проникая в ткани через устьица. Попав в растение, они распространяются и размножаются в межклеточных пространствах. При бактериальных сосудистых заболеваниях инфекция распространяется внутри растений через ксилему. Как только бактерии попадают внутрь растения, им необходимо извлекать железо из двух основных лигандов, транспортирующих железо – никотиамина и цитрата. Для этого они производят сидерофоры, например, энтеробактериальная Erwinia chrysanthemi производит два сидерофора: хризобактин и ахромобактин. Группа патогенов растений Xanthomonas производит ксантоферриновые сидерофоры для извлечения железа. Как и у людей, растения также обладают сидерофор-связывающими белками, участвующими в защите хозяина, такими как основной аллерген березовой пыльцы Bet v 1, которые обычно секретируются и имеют липокалин-подобную структуру.

Most plant pathogens invade the apoplasm by releasing pectolytic enzymes which facilitate the spread of the invading organism. Bacteria frequently infect plants by gaining entry to the tissue via the stomata. Having entered the plant they spread and multiply in the intercellular spaces. With bacterial vascular diseases, the infection is spread within the plants through the xylem. Once within the plant, the bacteria need to be able to scavenge iron from the two main iron transporting ligands, nicotianamine and citrate. To do this they produce siderophores, thus the enterobacterial Erwinia chrysanthemi produces two siderophores, chrysobactin and achromobactin. Xanthomonas group of plant pathogens produce xanthoferrin siderophores to scavenge the iron. Like in humans, plants also possess siderophore binding proteins involved in host defense, like the major birch pollen allergen, Bet v 1, which are usually secreted and possess a lipocalin like structure. Infection type Organism Siderophore Dysentery Shigella sp. Aerobactin Intestinal infections Escherichia coli Enterobactin Typhoid Salmonella sp. Salmochelin Plague Yersinia sp. Yersiniabactin Cholera Vibrio sp. Vibriobactin Pulmonary infections Pseudomonas sp. Pyoverdins Whooping cough Bordetella sp. Alcaligin Tuberculosis Mycobacterium tuberculosis Mycobactins Skin and mucous membrane infections Staphylococcus sp. Staphyloferrin A Anthrax Bacillus anthracis Petrobactin

There are two major types of iron binding proteins present in most animals that provide protection against microbial invasion – extracellular protection is achieved by the transferrin family of proteins and intracellular protection is achieved by ferritin. Transferrin is present in the serum at approximately 30 μM, and contains two iron binding sites, each with an extremely high affinity for iron. Under normal conditions it is about 25–40% saturated, which means that any freely available iron in the serum will be immediately scavenged – thus preventing microbial growth. Most siderophores are unable to remove iron from transferrin. Mammals also produce lactoferrin, which is similar to serum transferrin but possesses an even higher affinity for iron. Lactoferrin is present in secretory fluids, such as sweat, tears and milk, thereby minimising bacterial infection. Ferritin is present in the cytoplasm of cells and limits the intracellular iron level to approximately 1 μM. Ferritin is a much larger protein than transferrin and is capable of binding several thousand iron atoms in a nontoxic form. Siderophores are unable to directly mobilise iron from ferritin. In addition to these two classes of iron binding proteins, a hormone, hepcidin, is involved in controlling the release of iron from absorptive enterocytes, iron storing hepatocytes and macrophages. Infection leads to inflammation and the release of interleukin 6 (IL 6 ) which stimulates hepcidin expression. In humans, IL 6 production results in low serum iron, making it difficult for invading pathogens to infect. Such iron depletion has been demonstrated to limit bacterial growth in both extracellular and intracellular locations. Siderophores are useful as drugs in facilitating iron mobilization in humans, especially in the treatment of iron diseases, due to their high affinity for iron. One potentially powerful application is to use the iron transport abilities of siderophores to carry drugs into cells by preparation of conjugates between siderophores and antimicrobial agents. Because microbes recognize and utilize only certain siderophores, such conjugates are anticipated to have selective antimicrobial activity. Microbial iron transport (siderophore) mediated drug delivery makes use of the recognition of siderophores as iron delivery agents in order to have the microbe assimilate siderophore conjugates with attached drugs. These drugs are lethal to the microbe and cause the microbe to apoptosise when it assimilates the siderophore conjugate. Fluorescent pseudomonads have been recognized as biocontrol agents against certain soil borne plant pathogens. They produce yellow green pigments (pyoverdines) which fluoresce under UV light and function as siderophores. They deprive pathogens of the iron required for their growth and pathogenesis.

Тип инфекции Организм Сидерофор
Дизентерия Shigella sp. Аэробактин
Кишечные инфекции Escherichia coli Энтеробактин
Тиф Salmonella sp. Сальмохелин
Чума Yersinia sp. Иерсинибактин
Холера Vibrio sp. Вибриобактин
Легочные инфекции Pseudomonas sp. Пиовердины
Коклюш Bordetella sp. Алкалигин
Туберкулез Mycobacterium tuberculosis Микобактины
Инфекции кожи и слизистых оболочек Staphylococcus sp. Стафилоферрин A
Сибирская язва Bacillus anthracis Петробактин

В большинстве животных присутствуют два основных типа железосвязывающих белков, обеспечивающих защиту от микробного вторжения: внеклеточная защита достигается с помощью семейства белков трансферрина, а внутриклеточная – с помощью ферритина. Трансферрин присутствует в сыворотке в концентрации около 30 мкМ и содержит два сайта связывания железа, каждый из которых обладает чрезвычайно высоким сродством к железу. В нормальных условиях он насыщен примерно на 25–40%, что означает, что любое свободно доступное железо в сыворотке немедленно извлекается, предотвращая тем самым рост микроорганизмов. Большинство сидерофоров не способны удалять железо из трансферрина. Млекопитающие также производят лактоферрин, который похож на сывороточный трансферрин, но обладает еще более высоким сродством к железу. Лактоферрин содержится в секреторных жидкостях, таких как пот, слезы и молоко, тем самым минимизируя бактериальную инфекцию. Ферритин присутствует в цитоплазме клеток и ограничивает внутриклеточный уровень железа примерно до 1 мкМ. Ферритин – гораздо более крупный белок, чем трансферрин, и способен связывать несколько тысяч атомов железа в нетоксичной форме. Сидерофоры не способны непосредственно мобилизовать железо из ферритина. Помимо этих двух классов железосвязывающих белков, в контроле высвобождения железа из абсорбирующих энтероцитов, запасающих железо гепатоцитов и макрофагов участвует гормон гепцидин. Инфекция приводит к воспалению и высвобождению интерлейкина 6 (IL-6), который стимулирует экспрессию гепцидина. У людей продукция IL-6 приводит к снижению уровня железа в сыворотке, что затрудняет инфицирование для вторгшихся патогенов. Показано, что такое истощение железа ограничивает рост бактерий как во внеклеточных, так и во внутриклеточных условиях. Сидерофоры полезны в качестве лекарственных средств для облегчения мобилизации железа у людей, особенно при лечении заболеваний, связанных с дефицитом железа, благодаря их высокому сродству к железу. Одним из потенциально мощных применений является использование способности сидерофоров транспортировать железо для доставки лекарств в клетки путем приготовления конъюгатов между сидерофорами и антимикробными агентами. Поскольку микроорганизмы распознают и используют только определенные сидерофоры, такие конъюгаты, как ожидается, будут обладать селективной антимикробной активностью. Микробная транспортировка железа (опосредованная сидерофорами) доставка лекарств использует распознавание сидерофоров в качестве агентов доставки железа, чтобы микроорганизмы ассимилировали сидерофорные конъюгаты с присоединенными лекарствами. Эти лекарства смертельны для микроорганизмов и вызывают апоптоз микроорганизмов при ассимиляции сидерофорного конъюгата. Флуоресцентные псевдомонады признаны биологическими агентами контроля против некоторых почвенных патогенов растений. Они производят желто-зеленые пигменты (пиовердины), которые флуоресцируют под УФ-светом и функционируют как сидерофоры. Они лишают патогены железа, необходимого для их роста и патогенности.

Другие хелатированные ионы металлов

Сидофоры, природные или синтетические, способны хелатировать ионы металлов, помимо ионов железа. К ним относятся алюминий, галлий, индий, беркелий, калифорний и уран.