Az OMV-k ellenálló és diszkrét, gömb alakú, 10 és 300 nm közötti átmérőjű, gömb alakú, kétrétegű lipid nanoszerkezetek, amelyek a sejtburkolóból származnak és nem képesek önállóan szaporodni (Kulp és Kuehn, 2010; Huang és mtsai., 2016) (4. ábra). Az OMV-k leválását több mint 50 évvel ezelőtt figyelték meg először a bakteriális sejtfal ultrastruktúráját ábrázoló transzmissziós elektronmikroszkópos felvételeken (Bladen és Waters, 1963; Bayer és Anderson, 1965; Chatterjee és Das, 1967). Megállapították, hogy ezek a nanogömb alakú struktúrák egyetlen membránból állnak, amely egy elektronsűrű központot vesz körül (Work és mtsai., 1966). Ugyanebből az időszakból származó más vizsgálatok is beszámoltak “extracelluláris gömböcskék” jelenlétéről a tápanyaglimitáló növekedési körülmények között tenyésztett E. coli sejtmentes felülúszójában (Bishop és Work, 1965; Knox és mtsai., 1966; Work és mtsai., 1966). Ezért kezdetben azt feltételezték, hogy az OMV-k képződése kizárólag stresszes körülmények között következik be. A további vizsgálatok azonban egyértelműen kimutatták, hogy az OMV-k nem stresszes körülmények között is kimutathatók, mind laboratóriumi, mind környezeti körülmények között (Hoekstra és mtsai., 1976; Hellman és mtsai., 2000). Ma már ismert, hogy az OMV-k számtalan kulcsfontosságú biológiai funkcióhoz járulnak hozzá, és az OMV-k egyik első, valaha leírt szerepe a patogenezisben való részvételük, különösen a virulenciafaktorok szállítójárműveként (áttekintés: Ellis és Kuehn, 2010). Az évek során a fajoktól és a tenyésztési körülményektől függően további funkciókat tulajdonítottak az OMV-knek, beleértve a fajon belüli/fajok közötti kommunikációt, a burkoló stresszre való reagálást, a tápanyagszerzést, a horizontális géntranszfert, a “csali” ágensként való működést, valamint a közjavakat (részletes leírásért lásd Kulp és Kuehn, 2010 és Schwechheimer és Kuehn, 2015). Általánosságban úgy tűnik, hogy az OMV-k elősegítik a baktérium túlélését egy adott környezeti fülkében, ami kiemeli jelentőségüket a bakteriális homeosztázis szempontjából.
4. ábra. Gram-negatív baktériumok külső membrán vezikulái. (A) A baktérium sejtburkából (alsó panel) származó külső membrán vezikulum (OMV-felső panel) ábrázolása. A külső membrán (OM) és a belső membrán (IM) részletei láthatóak, beleértve a transzmembrán fehérjéket is. A periplazmatikus térben, amelyben a peptidoglikán (PG) réteg található, oldható periplazmatikus fehérjék, félbehajtott fehérjék és nukleinsavak láthatók. Az OMV tartalma a membránjukon és a lumenükön egyaránt azonosított biomolekulák egy részét szemlélteti. (B és C) Transzmissziós elektronmikroszkópos felvételek uranil-acetát negatív festésű Synechocystis sp. PCC 6803 sejtről, amely egy OMV-t bocsát ki (B, 120 000 × nagyítás), és Synechocystis sp. PCC 6803 sejtmentes, koncentrált extracelluláris közegéről, amely több OMV-t mutat (C, 40 000 × nagyítás).
(A)Jan, A.T., 2017 alapján. Gram-negatív baktériumok külső membrán vezikulái (OMV-k): egy perspektivikus frissítés. Front. Microbiol. 8, 1053.
Néhány tanulmány kimutatta, hogy az OMV-k OM komponensekben, nevezetesen LPS és OMP-kben, valamint periplazmatikus fehérjékben, PG fragmentumokban, sőt citoplazmatikus és nukleinsavakban is gazdagok (Biller és mtsai., 2014, 2017; Lee és mtsai., 2016). A korai jelentések valójában nem különböztették meg az oldatban mesterségesen képződött MV-ket (a természetes lipidek természetes viselkedése, a vezikulákba való átcsoportosulás, a bakteriális lízisből származó anyagok válogatás nélküli magába zárása miatt) az intakt OMV-ktől. A közelmúltban a továbbfejlesztett izolálási módszerek és a legmodernebb omikai technikák lehetővé tették az OMV-k összetételének gondos elemzését. Figyelemre méltó, hogy az OMV-k valójában bizonyos sejtkomponensekben gazdagodnak, míg másokban szegényednek (Lee és mtsai., 2008), ami alátámasztja azt az elképzelést, hogy a rakománytartalom kiválasztása nem véletlenszerű folyamat. A Salmonella sp. OMV-k tartalma például a vizsgált növekedési körülményektől függően változott: a tápanyagbőséges körülmények között lévő sejtekből izolált OMV-kben előnyben részesültek a transzlációban és a sejtanyagcserében részt vevő citoszolikus fehérjék, míg limitáló tápanyagellátási körülmények között az OMV-k a tápanyagszállításban részt vevő membránfehérjékben gazdagodtak (Bai és mtsai., 2014). Emellett egy tömegspektrometrián alapuló megközelítés azt jelezte, hogy az OMV-kben nem detektáltak széles körben konzervált specifikus komponenst (Schwechheimer és mtsai., 2013), ami ismét a változó összetételre utal. Mindent egybevetve, várhatóan a differenciális OMV-összetétel egyaránt összefügg a törzsfüggő sejtburkolati sajátosságokkal és a különböző ökológiai fülkékkel (Yoon, 2016).
Három, egymást nem kizáró OMV-képződési mechanizmust javasoltak. Az egyik modell szerint a vezikuláció akkor következik be, amikor a membránfehérjék és a PG-réteg közötti kovalens keresztkötések lokálisan megszakadnak, vagy a keresztkötések általános gyakoriságának átmeneti csökkenésével, vagy a keresztkötések lokális elmozdulásával, ami elősegíti a kis OM-részek kidudorodását. Egy másik modell periplazmatikus nanoterritóriumokat foglal magában, amelyekben félrecsúszott fehérjék és más burokkomponensek (LPS vagy PG-fragmentumok) halmozódnak fel. A sejtkomponensek ilyen abnormális, zárt felhalmozódását követően a burok integritása lokálisan csökken, ami a lumenes tartalommal terhelt OM-részek kidudorodását váltja ki. Végül azt is javasolták, hogy bizonyos OM-lipidek sajátos biofizikai jellemzői elősegíthetik a vezikulációt az LPS vagy a foszfolipidek specifikus integrációjának pontosításával, ami a membrán fluiditásának és rugalmasságának megváltozásához vezet. Azt is feltételezik, hogy számos más tényező is befolyásolja az OMV-k méretét, termelési sebességét és összetételét, és ha létezik is konszenzusos OMV-biogenezis folyamat, az nem teljesen jellemezhető (Kulp és Kuehn, 2010; Schwechheimer és Kuehn, 2015; Yoon, 2016).
A cianobaktérium-kutatásban az OMV-k területe még meglehetősen friss, és sok még a feltárásra váró terület. Ezt különösen jól mutatja, hogy a legkorábbi, kizárólag a cianobakteriális OMV-k vizsgálatának szentelt publikáció 2014-ből származik (Biller et al., 2014). Ebben az úttörő tanulmányban nemcsak azt mutatják ki, hogy a Prochlorococcus tengeri cianobaktérium laboratóriumban ellenőrzött tenyészeteiből folyamatosan szabadulnak fel OMV-k, hanem azt is, hogy ezek a vezikulák bőségesen megtalálhatók a tengervízmintákban. Ezenkívül kimutatták, hogy a Prochlorococcus OMV-k képesek támogatni a heterotróf baktériumtenyészetek növekedését, ami arra utal, hogy ezek a struktúrák részt vesznek a tengeri szénáramlásban. Megfigyelték továbbá a tengeri fág-ivarsejt kölcsönhatásokat, ami azt mutatja, hogy az OMV-k “csalétekként” működhetnek. Összességében a szerzők bemutatták az OMV-k néhány alapvető szerepét és a mikrobiális ökoszisztémákra gyakorolt számtalan jelentőségüket (Biller et al., 2014). Egy újabb publikációban a Prochlorococcus OMV-it hasonlították össze három másik tengeri heterotróf faj OMV-jeivel, hogy megpróbálják feltárni a DNS vezikulákba csomagolásának gyakoriságát és a különböző taxonok közötti eltéréseket (Biller et al., 2017). Az OMV-khez kapcsolódó DNS mennyiségének és eloszlásának vizsgálatával kimutatták, hogy a DNS az OMV-populációkon belül és az egyes populációk között differenciáltan kapszulázódik. Még döntőbb, hogy ez a munka arra utal, hogy az a mechanizmus, amely a DNS-t az OMV-kbe csomagolja, nem minden baktériumban működik egyformán (Biller et al., 2017). A Prochlorococcus és a tengeri Synechococcus törzseken kívül más cianobaktériumokról is kimutatták, hogy OMV-ket képeznek és bocsátanak ki, köztük az egysejtű Synechococcus sp. PCC 7002 (Xu et al., 2013) és Synechocystis sp. PCC 6803 (Pardo et al., 2015; Oliveira et al., 2016), a fonalas Jaaginema litorale LEGE 07176 (Brito et al., 2017), valamint a filamentózus, heterocisztaképző Anabaena sp. PCC 7120 (Oliveira et al., 2015a) és a Cylindrospermopsis raciborskii (CYRF-01) (Zarantonello et al., 2018).
A tengeri cianobaktériumokból származó OMV-k fent leírt szerepein kívül (Biller et al., 2014) más funkciókat is javasoltak ezen extracelluláris vezikulák számára. Az OMV-k cianobaktériumok általi felszabadulása hatékony szekréciós útvonalként működhet. Egy metabolikusan módosított Synechococcus sp. PCC 7002 törzsről, amelyből hiányzott két glikogénszintáz gén, a glgA-I és a glgA-II, kimutatták, hogy jelentősen több OMV-t bocsát ki, mint a vad típusú törzs (Xu et al., 2013). A szerzők feltételezték, hogy mivel megfigyelték, hogy ez a mutáns spontán oldható cukrokat exportál a közegbe, a megfigyelt OMV-k ehhez a szekréciós mechanizmushoz kapcsolódhatnak, bár a megfigyelt OMV-k cukortartalmát nem értékelték (Xu et al., 2013). Emellett egy olyan Synechocystis sp. PCC 6803 törzsről is kimutatták, amelyből hiányzik a TolC homológ (a membránfüggő szekréciós mechanizmusokhoz nélkülözhetetlen; lásd az 1. és 3. ábrát), hogy jelentősen több OMV-t bocsát ki, mint a szülői törzs (Oliveira et al., 2016). Mivel a tolC-knockout erősen károsodott az intracelluláris fehérjék, metabolitok és exogén vegyületek szekréciójában, azt javasolták, hogy a szekréció szükségletét a hipervezikuláció elégítheti ki. Egyetértésben a cianobakteriális OMV-ket is javasolták a biofilm kialakulásához szükséges anyagok szállítására. Ezt az Azolla microphylla vízipáfrány sporocarpiumában található cianobiont-eredetű vezikulák megfigyelése alapján javasolták (Zheng és mtsai., 2009). Továbbá, mivel a jelentések szerint genetikai anyagot figyeltek meg ezekben a vezikulákban, ezek a cianobionta és a páfrányfenyő közötti laterális génátvitel vektorai lehetnek (Zheng és mtsai., 2009). A cianobakteriális OMV-k azonban a burkolati stressz levezetésének mechanizmusaként is működhetnek: Gonçalves és munkatársai olyan Synechocystis sp. PCC 6803 törzseket jellemeztek, amelyekből több, a TolC-függő szekréciós rendszerekben részt vevő IM-transzlokáz komponens hiányzik (Gonçalves és munkatársai, 2018). Érdekes módon a különböző OMV-kibocsátási kapacitásokat bemutató törzsek közül a tolC-knockout (a vizsgálat legnagyobb OMV-termelője) volt az egyetlen, amely a burok stresszválaszokban szerepet játszó fehérjéket kódoló spy és degQ feltűnően magas transzkript-szintjét, valamint a Spy és DegP túlterjedését mutatta (Gonçalves et al., 2018). Így a szerzők azt sugallták, hogy a tolC deléciója borítékstresszt vált ki, és hogy a tolC-knockoutban a hipervezikuláció egy független mechanizmust jelent az ilyen stresszhelyzetek kezelésére (Gonçalves et al., 2018).
