3.1 OMVs: De är resistenta och diskreta, sfäriska, sfäriska, tvåskiktade lipidnanostrukturer med en diameter på mellan 10 och 300 nm som härstammar från cellhöljet och som inte kan replikera sig självständigt (Kulp och Kuehn, 2010; Huang et al., 2016) (fig. 4). Avlossning av OMV:er observerades för första gången för mer än 50 år sedan i transmissionselektronmikrografer som avbildar ultrastrukturen i bakteriens cellvägg (Bladen och Waters, 1963; Bayer och Anderson, 1965; Chatterjee och Das, 1967). Det fastställdes att dessa nanosfäriska strukturer bestod av ett enda membran som omgav ett elektrontätt centrum (Work et al., 1966). Andra studier från samma period rapporterade också om förekomsten av ”extracellulära globuler” i den cellfria supernatanten från E. coli som odlats under näringsbegränsande tillväxtförhållanden (Bishop och Work, 1965; Knox et al., 1966; Work et al., 1966). Därför postulerades ursprungligen att bildandet av OMV:er endast skedde under stressiga förhållanden. Ytterligare undersökningar visade dock tydligt att OMV också kunde upptäckas under icke stressiga förhållanden, både i laboratorie- och miljöförhållanden (Hoekstra et al., 1976; Hellman et al., 2000). Numera är det känt att OMV bidrar till en mängd viktiga biologiska funktioner, och en av de första rollerna som någonsin beskrivits för OMV är deras inblandning i patogenes, särskilt som leveransfordon för virulensfaktorer (se Ellis och Kuehn, 2010). Under årens lopp har ytterligare funktioner tillskrivits OMV, beroende på art och odlingsförhållanden, inklusive kommunikation inom och mellan arter, respons på omslagsstress, näringsanskaffning, horisontell genöverföring, agerande som ”lockbete”-agenter samt kollektiva nyttigheter (för en detaljerad beskrivning, se Kulp och Kuehn, 2010 och Schwechheimer och Kuehn, 2015). Generellt sett verkar OMV:er främja bakteriens överlevnad inom en specifik miljönisch, vilket understryker deras relevans för bakteriell homeostas.
Fig. 4. Yttre membranvesiklar från gramnegativa bakterier. (A) Representation av en yttre membranvesikel (OMV – övre panel) som härrör från bakteriens cellhölje (nedre panel). Detaljer om det yttre membranet (OM) och det inre membranet (IM) visas, inklusive transmembranproteiner. I det periplasmatiska utrymmet, där peptidoglykanskiktet (PG) finns, visas lösliga periplasmatiska proteiner, felveckade proteiner och nukleinsyror. Innehållet i OMV illustrerar en del av de biomolekyler som har identifierats både på deras membran och lumen. (B och C) Transmissionselektronmikrografer av uranylacetatnegativt färgad Synechocystis sp. PCC 6803-cell som frigör en OMV (B, 120 000 × förstoring), och cellfritt koncentrerat extracellulärt medium av Synechocystis sp. PCC 6803 som visar flera OMV:er (C, 40 000 × förstoring).
(A)Baserat på Jan, A.T., 2017. Yttre membranvesiklar (OMV) hos gramnegativa bakterier: en perspektivisk uppdatering. Front. Microbiol. 8, 1053.
Antaliga studier har visat att OMVs är berikade med OM-komponenter, nämligen LPS och OMPs, samt periplasmatiska proteiner, PG-fragment och till och med cytoplasmatiska och nukleinsyror (Biller et al., 2014, 2017; Lee et al., 2016). I tidiga rapporter skiljde man faktiskt inte MVs som bildats artificiellt i lösning (på grund av det naturliga lipidbeteendet att omgruppera sig till vesiklar och urskillningslöst fånga in material från bakterielysis) från intakta OMVs. På senare tid har förbättrade isoleringsmetoder och modern omikteknik möjliggjort en noggrann analys av OMVs sammansättning. Det är anmärkningsvärt att OMV:er faktiskt är berikade på specifika cellkomponenter, medan de är utarmade på andra (Lee et al., 2008), vilket stöder idén att valet av lastinnehåll inte är en slumpmässig process. Till exempel varierade Salmonella sp. OMVs innehåll beroende på de testade tillväxtförhållandena: i OMVs som isolerats från celler under näringsrika förhållanden upptäcktes företrädesvis cytosoliska proteiner som är involverade i translation och cellulär metabolism, medan OMVs under begränsande näringsförhållanden var berikade på membranproteiner som är involverade i näringstransport (Bai et al., 2014). Dessutom visade en masspektrometribaserad metod att ingen allmänt konserverad specifik komponent upptäcktes i OMVs (Schwechheimer et al., 2013), vilket återigen pekar på en varierande sammansättning. Sammantaget förväntas olika OMVs-kompositioner vara både relaterade till stamberoende cellhöljespecifika egenskaper och distinkta ekologiska nischer (Yoon, 2016).
Tre mekanismer för bildning av OMVs, som inte utesluter varandra, har föreslagits. I en modell sker vesikulering när kovalenta tvärbindningar mellan membranproteiner och PG-skiktet bryts lokalt, antingen genom en tillfällig minskning av den totala mängden tvärbindningar eller genom en lokaliserad förskjutning av tvärbindningar, vilket främjar utbuktningen av små OM-portioner. En annan modell inbegriper periplasmatiska nanoterritorier där felveckade proteiner och andra höljekomponenter (LPS eller PG-fragment) ackumuleras. Efter denna onormala, begränsade ansamling av cellulära komponenter minskar höljeintegriteten lokalt, vilket utlöser att OM-portioner som är fulla av lumenalt innehåll blöder upp. Slutligen har det också föreslagits att särskilda biofysiska egenskaper hos vissa OM-lipider kan främja vesikulering genom att man pekar ut den specifika integrationen av LPS eller fosfolipider, vilket leder till förändringar i membranens fluiditet och flexibilitet. Det antas också att många andra faktorer påverkar OMVs storlek, produktionshastighet och sammansättning, och om det finns en konsensus OMVs biogenesiprocess är den inte helt och hållet karakteriserad (Kulp och Kuehn, 2010; Schwechheimer och Kuehn, 2015; Yoon, 2016).
I cyanobakterieforskningen är området OMVs fortfarande ganska nytt, och mycket återstår att utforska. Detta illustreras särskilt väl av det faktum att den tidigaste publikationen som uteslutande ägnas åt studiet av cyanobakteriella OMVs är från 2014 (Biller et al., 2014). I denna banbrytande studie visas inte bara att laboratoriekontrollerade kulturer av den marina cyanobakterien Prochlorococcus kontinuerligt släpper ut OMV:er, utan också att dessa vesiklar kan hittas rikligt i havsvattenprover. Dessutom visades att Prochlorococcus OMVs kunde stödja tillväxten av heterotrofa bakteriekulturer, vilket innebär att dessa strukturer är involverade i marina kolflöden. Dessutom observerades marina interaktioner mellan fager och vesiklar, vilket visar på OMV:s potential att fungera som ”lockmedel”. Sammantaget illustrerade författarna några av OMV:s grundläggande roller och deras otaliga konsekvenser för mikrobiella ekosystem (Biller et al., 2014). I en nyare publikation jämfördes OMVs från Prochlorococcus med dem från tre andra marina heterotrofa organismer i ett försök att avslöja frekvensen av DNA-paketering i vesiklar och variationen mellan olika taxa (Biller et al., 2017). Genom att undersöka mängden och fördelningen av DNA associerat med OMVs visades att DNA är differentiellt inkapslat inom och mellan OMVs-populationer. Mer avgörande är att detta arbete tyder på att den mekanism som packar in DNA i OMVs inte fungerar lika i alla bakterier (Biller et al., 2017). Förutom Prochlorococcus och de marina Synechococcus-stammarna har även andra cyanobakterier visat sig bilda och frigöra OMV:er, bland annat den encelliga Synechococcus sp. PCC 7002 (Xu et al., 2013) och Synechocystis sp. PCC 6803 (Pardo et al., 2015; Oliveira et al., 2016), den filamentösa Jaaginema litorale LEGE 07176 (Brito et al, 2017), och den filamentösa, heterocystbildande Anabaena sp. PCC 7120 (Oliveira et al., 2015a) och Cylindrospermopsis raciborskii (CYRF-01) (Zarantonello et al., 2018).
Bortsett från de roller som beskrivits ovan för OMV:er som härrör från marina cyanobakterier (Biller et al., 2014) har andra funktioner föreslagits för dessa extracellulära vesiklar. Cyanobakteriernas frisättning av OMVs skulle kunna fungera som en effektiv sekretionsväg. En metaboliskt manipulerad Synechococcus sp. PCC 7002-stam som saknar två glykogensyntasgener, glgA-I och glgA-II, visade sig frigöra betydligt fler OMV:er än vildtypstammen (Xu et al., 2013). Författarna antog att eftersom denna mutant observerades exportera spontant lösliga sockerarter till mediet, kunde de observerade OMV:erna vara relaterade till denna sekretionsmekanism, även om sockerinnehållet i de observerade OMV:erna inte utvärderades (Xu et al., 2013). Dessutom visades en Synechocystis sp. PCC 6803-stam som saknar TolC-homologen (nödvändig för membranberoende sekretionsmekanismer; se figurerna 1 och 3) också släppa ut betydligt fler OMV:er än föräldrastammen (Oliveira et al., 2016). Eftersom tolC-knockout var kraftigt nedsatt i sekretionen av intracellulära proteiner, metaboliter och exogena föreningar föreslogs det att hypervesikulering skulle kunna uppfylla behovet av sekretion. I överensstämmelse med detta har cyanobakteriella OMV:er också föreslagits transportera material som är nödvändigt för biofilmsutveckling. Detta föreslogs efter observation av vesiklar som härstammar från cyanobionter i sporokarpet hos vattensärlan Azolla microphylla (Zheng et al., 2009). Eftersom genetiskt material enligt uppgift observerades inuti dessa vesiklar skulle de dessutom kunna vara vektorer för lateral genöverföring mellan cyanobionten och ormbunken (Zheng et al., 2009). Cyanobakteriella OMV:er kan dock också fungera som en mekanism för att avleda omslagsstress: Gonçalves et al. karakteriserade en uppsättning Synechocystis sp. PCC 6803-stammar som saknar flera IM-translocaskomponenter som är involverade i TolC-beroende sekretionssystem (Gonçalves et al., 2018). Intressant nog var tolC-knockout (den högsta OMV-producenten i studien) bland de olika stammarna som uppvisade olika kapacitet att släppa ut OMV:er den enda som uppvisade anmärkningsvärt höga transkriptnivåer av spy och degQ, som kodar för proteiner som är involverade i enveloppstressreaktioner, och överuttryck av Spy och DegP (Gonçalves et al., 2018). Författarna föreslog därför att deletion av tolC framkallar envelope stress, och att hypervesikulering i tolC-knockout representerar en oberoende mekanism för att hantera sådana stressiga förhållanden (Gonçalves et al., 2018).
