Biosyn of Cell Wall
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CHEMICAL STRUCTURE AND BIOSYNTHESIS O F BACTERIAL CELL WALLS H . R . PERKINS1 Bacterial Physiology Division, National Institute f o r Medical Research, Mill Hill, London, England INTRODUCTION ................................................................................ Isolation o f Cell Walls ........................................................................ WALLS O F GRAM-POSITIVE ORGANISMS. ......................................................... Mucopeptide ................................................................................. Components Other Than Amino Acids a n d N-Acetylamino Sugars ................................ TEICHOIC ACIDS ..................................................... Composition a n d Structure ................................................................... POLYSACCHARIDES ............. PROTEINS ..................................................................................... WALLS O F GRAM-NEGATIVE ORGANISMS. ....................................................... Mucopeptide Component. .................................................................... Polysaccharides ............................................................................. CELL WALLS O F RICKETTSIAE AN D ORGANISMS O F THE PSITTACOSIS-LYMPHOGRANULOMA GROUP. ENZYMATIC ATTACK O N WALL STRUCTURES. ..................................................... Lysozyme .................................................................................... Other Enzymes Resembling Lysozyme ......................................................... Streptomyces F j B Enzyme ................................................................... ANTIBIOTICS WHICH SPECIFICALLY INHIBIT CELL-WALL SYNTHESIS ............................. Penicillins ................................................................................... Oxamycin (D-Cycloserine). .................................................................. Bacitracin A ................................................................................. Vancomycin .............................................................................. Novobiocin .................................................................................. EVIDENCE O N THE BIOSYNTHESIS OF BACTERIAL CELL WALLS ................................... Biosynthesis o f Muramic Acid a n d Diaminopimelic Acid ........................................ Park Nucleotides ........................................................................... Mucopeptide ................................................................................. Scheme f o r Biosynthesis o f Mucopeptide ..................................................... Uridine Nucleotides i n Gram-Negative Bacteria ................................................. Effect o f Chloramphenicol. ................................................................... Cell-Free Systems ........................................................................... Biosynthesis o f t h e Whole Cell Wall ........................................................... LITERATURE CITED ........................................................................... INTRODUCTION Somewhere i n t h e neighborhood o f i t s surface, each bacterial cell h a s a structure which c a n b e regarded a s i t s boundary wall. Electron micro- graphs show this material clearly and, beneath i t , another enveloping layer, which i s t he proto- plast membrane (Fig. 1 ) . T he subject o f this review i s t h e outer o f these t w o layers, a n d t h e following discussion i s concerned with isolated material which o n e h a s reason fo r believing w a s present i n this region i n t h e whole cell. ' Present address: Twyford Laboratories, Twyford Abbey Road, London N.W. 1 0 , England. 1 8 1 8 1 9 2 0 2 1 2 6 2 7 2 8 3 0 3 2 3 3 33 3 5 3 6 3 6 3 6 3 8 3 9 3 9 40 40 40 4 1 4 1 4 1 4 1 42 44 46 47 47 4 7 48 49 I n common with many other biological entities, t h e bacterial cell wall c a n only b e defined i n terms o f t h e means b y which i t can be observed a n d isolated. These methods a t least tell u s something of what structure t h e wall i s likely to have a n d what functions it is likely t o perform. Thus, when bacteria a r e disrupted i n a variety of ways, a n insoluble residue r e - mains. I t s properties strongly suggest that i t represents t h e more o r less rigid structural material which surrounded t h e intact cells. O n e fact makes such a n identification almost unavoidable; electron micrographs o f t h e residue show that i t consists of fragments which look
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8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
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CHEMICAL STRUCTURE AND BIOSYNTHESIS OF BACTERIALCELL WALLS
H . R . PERKINS1
B a c t e r i a l P h y s i o l o g y D i v i s i o n , N a t i o n a l I n s t i t u t e f o r M e d i c a l R e s e a r c h , M i l l H i l l , L o n d o n , E n g l a n d
I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .I s o l a t i o n o f C e l l W a l l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
WALLS O F G R A M - P O S I T I V E ORGANISMS..........................................................M u c o p e p t i d e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .C o m p o n e n t s O t h e r T h a n Amino A c i d s a n d N - A c e t y l a m i n o S u g a r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
T E I C H O I C A C I D S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C o m p o s i t i o n a n d S t r u c t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .P O L Y S A C C H A R I D E S . . . . . . . . . . . . .
P R O T E I N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .WALLS O F G R A M - N E G A T I V E ORGANISMS........................................................
M u c o p e p t i d e Component.....................................................................P o l y s a c c h a r i d e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .
C E L L WALLS O F R I C K E T T S I A E AND O R G A N I S M S O F THE P S I T T A C O S I S - L Y M P H O G R A N U L O M A GROUP.E N Z Y M A T I C A T T A C K ON WALL STRUCTURES......................................................
L y s o z y m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .O t h e r E n z y m e s R e s e m b l i n g L y s o z y m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .S t r e p t o m y c e s F j B E n z y m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A N T I B I O T I C S WHICH S P E C I F I C A L L Y I N H I B I T C E L L - W A L L S Y N T H E S I S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .P e n i c i l l i n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .O x a m y c i n (D-Cycloserine)...................................................................B a c i t r a c i n A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V a n c o m y c i n . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
N o v o b i o c i n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
E V I D E N C E ON THE B I O S Y N T H E S I S OF B A C T E R I A L CELL W A L L S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B i o s y n t h e s i s o f M u r a m i c A c i d a n d D i a m i n o p i m e l i c A c i d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .P a r k N u c l e o t i d e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
M u c o p e p t i d e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
S c h e m e f o r B i o s y n t h e s i s o f M u c o p e p t i d e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
U r i d i n e N u c l e o t i d e s i n G r a m - N e g a t i v e B a c t e r i a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .E f f e c t o f Chloramphenic ol....................................................................C e l l - F r e e S y s t e m s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B i o s y n t h e s i s o f t h e W h o l e C e l l W a l l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
L I T E R A T U R E C I T E D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I N T R O D U C T I O N
S o m e w h e r e i n t h e n e i g h b o r h o o d o f i t s s u r f a c e ,e a c h b a c t e r i a l c e l l h a s a s t r u c t u r e w h i c h c a n b e
r e g a r d e d a s i t s b o u n d a r y w a l l . E l e c t r o n m i c r o -g r a p h s s h o w t h i s m a t e r i a l c l e a r l y a n d , b e n e a t h
i t , a n o t h e r e n v e l o p i n g l a y e r , w h i c h i s t h e p r o t o -p l a s t m e m b r a n e ( F i g . 1 ) . T h e s u b j e c t o f t h i sr e v i e w i s t h e o u t e r o f t h e s e t w o l a y e r s , a n d t h ef o l l o w i n g d i s c u s s i o n i s c o n c e r n e d w i t h i s o l a t e dm a t e r i a l w h i c h o n e h a s r e a s o n f o r b e l i e v i n g w a s
p r e s e n t i n t h i s r e g i o n i n t h e w h o l e c e l l .
' P r e s e n t a d d r e s s : T w y f o r d L a b o r a t o r i e s ,T w y f o r d A b b e y R o a d , London N . W . 1 0 , E n g l a n d .
1 8
1 81 92 0
2 1
2 6
2 7
2 8
3 0
3 2
3 3
3 33 5
3 6
3 6
3 6
3 8
3 9
3 9
4 0
4 0
4 0
4 1
4 1
4 14 1
4 2
4 4
4 6
4 7
4 7
4 7
4 8
4 9
I n common w i t h many o t h e r b i o l o g i c a l e n t i t i e s ,t h e b a c t e r i a l c e l l w a l l c a n o n l y b e d e f i n e d i nt e r m s o f t h e m e a n s b y w h i c h i t c a n b e o b s e r v e d
a n d i s o l a t e d . T h e s e m e t h o d s a t l e a s t t e l l u s
s o m e t h i n g o f w h a t s t r u c t u r e t h e w a l l i s l i k e l yt o h a v e a n d w h a t f u n c t i o n s i t i s l i k e l y t o p e r f o r m .T h u s , w h e n b a c t e r i a a r e d i s r u p t e d m e c h a n i c a l l y
i n a v a r i e t y o f w a y s , a n i n s o l u b l e r e s i d u e r e -m a i n s . I t s p r o p e r t i e s s t r o n g l y s u g g e s t t h a t i t
r e p r e s e n t s t h e m o r e o r l e s s r i g i d s t r u c t u r a lm a t e r i a l w h i c h s u r r o u n d e d t h e i n t a c t c e l l s .
O n e f a c t m a k e s s u c h a n i d e n t i f i c a t i o n a l m o s t
u n a v o i d a b l e ; e l e c t r o n m i c r o g r a p h s o f t h e r e s i d u e
s h o w t h a t i t c o n s i s t s o f f r a g m e n t s w h i c h l o o k
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
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V O I L . 2 7 , 1 9 6 3 BACTERIAL CELL WALLS, STRUCTURE AND BIOSYNTHESIS
FIG. 1 . C r o s s s e c t i o n o f a c e l l o f S t a p h y l o c o c c u s
aureus X 1 6 0 , 00 0 ( f r o m S u g a n u m a , 1 7 1 ) . L i n e
i n d i c a t e s a l e n g t h o f 0 . 1 p .
e x a c t l y l i k e f l a t t e n e d b a c t e r i a w i t h o u t t h e i rc o n t e n t s a n d w h i c h are a b o u t t h e same s i z e as
t h e u n d a m a g e d c e l l s ( 8 5 , 1 4 5 ) . T h i s i m p l i e s t h a t
t h e w a l l m u s t b e a f a i r l y r i g i d case a r o u n d a
s o f t i n t e r i o r , s i n c e w h e n t h e l a t t e r i s r e m o v e d
t h e w a l l m e r e l y b e c o m e s f l a t t e n e d a n d d o e s n o t
s h r i n k l i k e a p r i c k e d b a l l o o n .F u r t h e r e v i d e n c e f o r t h e f u n c t i o n o f t h e c e l l
w a l l as a s t r u c t u r a l e n t i t y i s p r o v i d e d b y t h ea c t i o n o f v a r i o u s l y t i c e nz y m e s . S u c h e n z y m e s
d i s s o l v e e s s e n t i a l c o m p o n e n t s o f t h e w a l l s o f
s u s c e p t i b l e b a c t e r i a so t h a t , i n a h y p o t o n i c
m e d i u m , t h e c e l l s b u r s t a n d are d e s t r o y e d .
H o w e v e r , t h e w a l lmay b e
d i s t i n g u i s h e df r o m
t h ec h i e f o s m o t i c b a r r i e r o f t h e c e l l s i n c e , i f t h e l y t i ce n z y m e i s a l l o w e d t o a c t i n a h y p e r t o n i c m e d i u m
s u c h as s t r o n g sucrose s o l u t i o n , t h e w a l l - l e s s c e l l
r e m a i n s i d e n t i f i a b l e as a s p h e r i c a l p r o t o p l a s t .T h e o s m o t i c b a r r i e r , w h i c h now s u r r o u n d s t h ec e l l c o n t e n t s , i s t h e c y t o p l a s m i c m e m b r a n e .
T h e w a l l , t h e r e f o r e , i s s e e n t o p r o v i d e a p h y s i c a ls u p p o r t , e n a b l i n g t h e w e a k c y t o p l a s m i c mem-
b r a n e t o w i t h s t a n d t h e o s m o t i c pressure e x e r t e db y t h e c e l l c o n t e n t s .
T h e c a p s u l e i s a n o t h e r e x t e r n a l c o m p o n e n t o f
some b a c t e r i a f r o m w h i c h c e l l w a l l s may b e
d i s t i n g u i s h e d a n d i s c o n s i d e r e d t o l i e o u t s i d e t h ec e l l w a l l . O f t e n , c a p s u l e s a r e n o t a n o b l i g a t o r yp a r t o f t h e o r g a n i s m , a n d , w h e n p r e s e n t , mayb e r e m o v e d b y p r o c e d u r e s s u c h a s p r o t r a c t e db o i l i n g i n w a t e r . T h e r e l a t i o n s h i p o f c a p s u l e s
t o t h e s t r u c t u r a l c e l l w a l l h a s b e e n d i s c u s s e db y T o m c s i k ( 1 7 3 ) a n d w i l l n o t b e c o n s i d e r e df u r t h e r h e r e .
I s o k d i o n o f C e l l W a l l s
B o t h p h y s i c a l a n d c h e m i c a l m e t h o d s h a v e
b e e n u s e d t o p r e p a r e c e l l w a l l s f o r f u r t h e r s t u d y .T h e f o r m e r g r o u p i n v o l v e s m e c h a n i c a l d i s i n -t e g r a t i o n a s i n t h e o r i g i n a l e x p e r i m e n t s o f D a w -
s o n ( 4 4 ) a n d S a l t o n a n d H o r n e ( 1 4 5 ) , i n w h i c h
t h e c e l l s w e r e s h a k e n i n a M i c k l e d i s i n t e g r a t o r
w i t h s m a l l g l a s s b e a d s . S o n i c d i s i n t e g r a t i o n a n dt h e H u g h e s p r e s s h a v e a l s o b e e n e m p l o y e d f o rt h e s a m e p u r p o s e . A f t e r s u c h p h y s i c a l d i s r u p t i o n ,t h e l i b e r a t e d w a l l s a r e t h e n s e p a r a t e d f r o m
u n b r o k e n c e l l s b y d i f f e r e n t i a l c e n t r i f u g a t i o na n d f r e e d f r o m c o n t a m i n a t i n g m a t e r i a l s i nv a r i o u s w a y s . R e c e n t l y , R o b e r s o n a n d S c h w a b
( 1 2 8 ) p r o p o s e d a r e f i n e m e n t o f t h e m e t h o d o fd i f f e r e n t i a l c e n t r i f u g a t i o n i n w h i c h a s u c r o s eg r a d i e n t i s e m p l o y e d . S a l t o n a n d H o r n e ( 1 4 5 )w a s h e d t h e w a l l w i t h 0 . 1 M p h o s p h a t e b u f f e r ( p H
7 . 0 ) t o r e m o v e n u c l e i c a c i d s , a n d C u m m i n s a n d
H a r r i s ( 3 9 ) r e m o v e d e x t r a n e o u s p r o t e i n a n dn u c l e i c a c i d s b y t r e a t i n g t h e c r u d e w a l l p r e p a r a -t i o n s w i t h r i b o n u c l e a s e , t r y p s i n , a n d p e p s i n .W a l l s p r e p a r e d b y s u c h m e t h o d s a p p e a r t o b e
d e v o i d o f g r o s s p h y s i c a l c o n t a m i n a t i o n w h e n
e x a m i n e d i n a n e l e c t r o n m i c r o s c o p e , a l t h o u g h ,o f c o u r s e , t h i s i s n o g u a r a n t e e a g a i n s t a d s o r p t i o no f o t h e r c e l l c o m p o n e n t s . T h e a b s e n c e o f n u c l e i ca c i d s may b e c h e c k e d b y e x a m i n a t i o n o f u l t r a -v i o l e t l i g h t a b s o r p t i o n a t 2 6 0 m / A w a v e l e n g t h
( 1 4 5 ) . C e r t a i n g r a m - p o s i t i v e o r g a n i s m s h a v e
w a l l s w h i c h h a v e o n l ya
f e w a m i n o a c i d s i n t h e i rc o m p o s i t i o n ( 3 9 , 1 3 7 ) , a n d w i t h t h e s e t h e a b s e n c eo f t h e o t h e r a m i n o a c i d s n o r m a l l y p r e s e n t i np r o t e i n s s e r v e s a s e v i d e n c e f o r t h e p u r i t y o f a
p r e p a r a t i o n . Work ( 1 7 8 ) s u g g e s t e d t h a t m a t e r i a lo f t h i s r e l a t i v e l y s i m p l e c o m p o s i t i o n w a s p r e s e n ti n t h e b a s a l s t r u c t u r e o f t h e c e l l w a l l s o f a l l
b a c t e r i a . T h i s m a t e r i a l h a s b e e n c a l l e d m u c o -
p e p t i d e , a n a m e i n t e n d e d t o c o n v e y t h e i d e a o fa s u b s t a n c e w h i c h c o n t a i n s a l a r g e p r o p o r t i o no f a m i n o s u g a r r e s i d u e s a s i n t y p i c a l m u c o p o l y -
s a c c h a r i d e s , s u c h a s h y a l u r o n i c a c i d o r
c h o n d r o i t i n s u l f a t e , i n c o v a l e n t c o m b i n a t i o n
1 9
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
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B A C T E R I O L . R E V .
w i t h a l i m i t e d n u m b e r o f a m i n o a c i d s j o i n e d i n
p e p t i d e - l i n k a g e ( 1 1 8 ) . S u b s e q u e n t l y , I k a w a
( 6 4 ) s u g g e s t e d t h e name " t e i c h o i n " w i t h t h e
c o n n o t a t i o n o f " w a l l - p r o t e i n . " T h i s seems l i k e l y
t o l e a d t o c o n f u s i o n , s i n c e t r u e p r o t e i n s w i t h a
f u l l r a n g e o f a m i n o a c i d s o c c u r i n t h e c e l l w a l l so f many b a c t e r i a .
W a l l p r e p a r a t i o n s f o r c o m p a r a t i v e s t u d y
h a v e b e e n o b t a i n e d c h e m i c a l l y . H a n c o c k a n d
P a r k ( 5 8 ) p r e c i p i t a t e d t h e o r g a n i s m s w i t h 5%
t r i c h l o r o a c e t i c a c i d a n d e x t r a c t e d t h e p r e c i p i t a t ew i t h more a c i d a t 9 0 C t o remove n u c l e i c a c i d s .
L i k e W e i d e l ( 1 7 4 ) , t h e y e m p l o y e d t r y p s i n t o
remove t h e c e l l p r o t e i n s as s o l u b l e f r a g m e n t s
a n d o b t a i n e d " t h e w a l l s " as t h e f i n a l r e s i d u e .I n p r e p a r a t i o n o f t h e w a l l s o f S t a p h y l o c o c c u s
aureus b y t h i s m e t h o d , t h e l o w l e v e l o f n o n w a l l
a m i n o a c i d s i n d i c a t e s t h a t an e s s e n t i a l l y pure
p r o d u c t h a s b e e n o b t a i n e d . H o w e v e r , i t w o u l d
b e e xp e c t e d t o c o n t a i n o n l y t h e m u c o p e p t i d e
p a r t o f t h e w a l l s , s i n c e o t h e r c o m p o n e n t s s u c h as
t e i c h o i c a c i d s w o u l d d i s s o l v e i n t h e h o t t r i c h l o r o -a c e t i c a c i d . ( T h e s e w a l l c o m p o n e n t s ar e d i s -
c u s s e d b e l o w . )Cummins a n d H a r r i s ( 3 9 ) e x a m i n e d t h e com-
p o s i t i o n o f t h e c e l l w a l l s o f many s p e c i e s o fg r a m - p o s i t i v e b a c t e r i a , a n d t h e y p u t f o r w a r d
t h e s u g g e s t i o n t h a t t h e presen ce o r a b s e n c e o f
c e r t a i n sugar, a m i n o a c i d , a n d a m i n o sugarc o m p o n e n t s c o u l d b e u s e d as a c r i t e r i o n i n b a c -t e r i a l t a x o n o m y . T h e y c o n c l u d e d t h a t , i n g e n e r a l ," t h e a m i n o - a c i d s p r e s e n t i n t h e c e l l w a l l seem
t o b e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e genus, a n d t h e sugars
a n d a m i n o sugars seem t o c h a r a c t e r i z e t h e s p e c i e sw i t h i n t h e genus, w i t h t h e i m p o r t a n t e x c e p t i o no f a r a b i n o s e a n d r h a m n o s e , w h i c h appear t o h a v e
s p e c i a l s i g n i f i c a n c e i n C o r y n e b a c t e r i u m a n d
S t r e p t o c o c c u s r e s p e c t i v e l y . " L a t e r , t h e y p u b l i s h e d
a s i m i l a r survey f o r t h e genera A c t i n o m y c e s ,
N o c a r d i a , S t r e p t o m y c e s , M i c r o m o n o s p o r a , M y c o -
b a c t e r i u m , a n d P r o p i o n i b a c t e r i u m ( 4 0 ) . A l l t h e s ege n e r a e s s e n t i a l l y r e s e m b l e d g r a m - p o s i t i v e b a c -
t e r i a i n t h e i r w a l l c o m p o s i t i o n a n d d i f f e r e d f r o m
s e v e r a l s p e c i e s o f f u n g i e x a m i n e d . The f u n g a lw a l l s c o n t a i n e d o n l y p o l y s a c c h a r i d e m a t e r i a l ,w i t h no a m i n o a c i d s ( a n d h e n c e no d i a m i n o p i m e l i c
a c i d ) a n d no m u r a m i c a c i d . O n e g e n e r a l i z a t i o nc a n b e m a d e a b o u t a l l t h e c e l l w a l l s w h i c h r e -
s e m b l e d t h o s e o f g r a m - p o s i t i v e b a c t e r i a ; t h e
a m i n o a c i d s f o u n d i n c l u d e d e i t h e r l y s i n e o r
d i a m i n o p i m e l i c a c i d , b u t n o t b o t h . As w i l l b e
s e e n l a t e r , t h i s g e n e r a l r u l e c a n n o t b e e x t e n d e d
t o i n c l u d e g r a m - n e g a t i v e b a c t e r i a . I n t h i s c o n -n e c t i o n , t h e r e i s a n i n t e r e s t i n g o b s e r v a t i o n b y
P o w e l l a n d S t r a n g e ( 1 1 9 ) , w h o f o u n d t h a t ,a l t h o u g h v e g e t a t i v e c e l l s o f t h e w e a k l y g r a m -
p o s i t i v e B a c i l l u s s p h a e r i c u s c o n t a i n e d a s p a r t i c
a c i d , g l u t a m i c a c i d , a l a n i n e , a n d l y s i n e i n t h e i rw a l l s , i n t h e s p o r e s o f t h e s a m e s t r a i n l y s i n ew a s r e p l a c e d b y d i a m i n o p i m e l i c a c i d . A p p a r e n t l y ,
i n v a r y i n g c i r c u m s t a n c e s , t h e s a m e s t r a i n c a n
m a k e c e l l - w a l l p o l y m e r s c o n t a i n i n g e i t h e r l y s i n eo r d i a m i n o p i m e l i c a c i d . G a u s e , K o c h e t k o v a ,
a n d V l a d i m i r o v a ( 5 1 ) r e p o r t e d t h a t a m u t a n t
d e r i v e d b y t h e m f r o m S . a u r e u s a l s o h a s d i a m i n o -
p i m e l i c a c i d i n i t s w a l l s i n s t e a d o f t h e l y s i n ef o u n d i n t h e p a r e n t s t r a i n .
T h e w a l l s o f g r a m - n e g a t i v e o r g a n i s m s , w h i c h
h a v e b e e n i s o l a t e d b y p h y s i c a l o r c h e m i c a l
m e t h o d s , h a v e b e e n s h o w n t o b e much m o r e
c o m p l e x i n c o m p o s i t i o n , c o n t a i n i n g l i p i d s , p r o -t e i n s s i m i l a r i n c o m p o s i t i o n t o t h o s e o f c y t o p l a s m ,a n d p o l y s a c c h a r i d e s , a s w e l l a s m u c o p e p t i d e
c o m p o n e n t s w h i c h r e s e m b l e t h o s e f o u n d i n g r a m -
p o s i t i v e o r g a n i s m s ( 1 3 7 , 1 7 4 ) . I t i s t h u s m o r e
d i f f i c u l t t o d e f i n e a n y c r i t e r i o n o f p u r i t y f o r s u c h
p r e p a r a t i o n s b e y o n d t h e i r a p p e a r a n c e i n e l e c t r o nm i c r o g r a p h s , a n d w o r k e r s i n t h i s f i e l d h a v e u s u -
a l l y a t t e m p t e d f u r t h e r s p e c i f i c p u r i f i c a t i o n s o fa n y p a r t i c u l a r s u b f r a c t i o n w h i c h h a p p e n e d t o
i n t e r e s t t h e m .
W A L L S O F G R A M - P O S I T I V E O R G A N I S M S
D e t a i l e d s t u d y o f t h e w a l l s o f g r a m - p o s i t i v eb a c t e r i a h a s p r o c e e d e d a p a c e s i n c e S a l t o n a n d
H o r n e ( 1 4 5 ) f i r s t d e s c r i b e d a n e f f i c i e n t m e t h o d
f o r i s o l a t i n g a n d p u r i f y i n g t h e s e s t r u c t u r e s . I tw a s s o o n f o u n d t h a t t h e p a r t i c l e s , w h i c h u n d e r
t h e e l e c t r o n m i c r o s c o p e h a d t h e s t r u c t u r e o n e
w o u l d e x p e c t o f a c e l l w a l l , h a d s p e c i a l p r o p e r t i e s .T h e y w o u l d n o t d i s s o l v e i n a n y c o m m o n s o l v e n t ,w i t h e v e n s o d i u m h y d r o x i d e s o l u t i o n d i s s o l v i n g
o n l y a s m a l l p r o p o r t i o n . A l t h o u g h a n a l y s i ss h o w e d t h a t t h e y c o n t a i n e d a h i g h p r o p o r t i o n o f
c a r b o h y d r a t e c o n s t i t u e n t s , c o p p e r c o o r d i n a t i o n
c o m p o u n d s s u c h a s S c h w e i t z e r ' s r e a g e n t s i m i l a r l yf a i l e d t o a c h i e v e t h e i r d i s s o l u t i o n ( 1 3 7 ) . T h e s e
o b s e r v a t i o n s b y S a l t o n h a v e b e e n u p h e l d s i n c e ,a n d a t t h e p r e s e n t t i m e n o l i q u i d h a s b e e n f o u n d
w h i c h w i l l t a k e t h e c e l l w a l l s i n t o t r u e s o l u t i o n
w i t h o u t f i r s t d e g r a d i n g a t l e a s t a p a r t o f t h e i r
m o l e c u l a r s t r u c t u r e . A s a r e s u l t o f t h i s d i f f i c u l t y ,
i t h a s n e v e r b e e n p o s s i b l e t o p r o v i d e a d i r e c t
a n s w e rt o
t h e q u e s t i o n ,"How
manym o l e c u l a r
2 0 PERKINS
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
http://slidepdf.com/reader/full/biosyn-of-cell-wall 4/38
V O L . 2 7 , 1 9 6 3 BACTERIAL CELL WALLS, STRUCTURE AND BIOSYNTHESIS
s p e c i e s g o t o m a k e u p t h e c e l l w a l l s , a n d w h a t i s
t h e s i z e o f t h e m o l e c u l e s ? " N e v e r t h e l e s s , s o m e
d e g r e e o f f r a c t i o n a t i o n o f t h e w a l l s o f v a r i o u sg r a m - p o s i t i v e s p e c i e s h a s b e e n a c h i e v e d , t h o u g h
a l w a y s w i t h t h e r e s u l t t h a t a n i n s o l u b l e r e s i d u e
r e m a i n s , c o r r e s p o n d i n g t o t h e m u c o p e p t i d e c o m -p o n e n t m e n t i o n e d e a r l i e r . T h i s f u n d a m e n t a l c o m -
p o n e n t w i l l b e d e s c r i b e d f u r t h e r a t t h i s p o i n t ,b e f o r e c o n s i d e r a t i o n o f t h e o t h e r m o r e o r l e s sh o m o g e n e o u s f r a c t i o n s w h i c h a r e a s s o c i a t e d w i t h
i t i n s o m e s p e c i e s .
M u c o p e p t i d e
T h i s i n s o l u b l e m a t e r i a l c a n b e s h o w n b y h y -
d r o l y s i s a n d s u b s e q u e n t a n a l y s i s t o c o n s i s t o fa m i n o s u g a r s , a l m o s t c e r t a i n l y i n t h e N - a c e t y l -a t e d f o r m c o m m o n l y f o u n d i n m u c o p o l y s a c c h a -
r i d e a n d b l o o d - g r o u p s u b s t a n c e s a n d a f e w a m i n oa c i d s ( 3 9 , 1 3 7 ) . A l l m u c o p e p t i d e s s o f a r d e s c r i b e dh a v e b e e n f o u n d t o c o n t a i n g l u c o s a m i n e , a n d i t s
3 - 0 - c a r b o x y e t h y l s u b s t i t u e n t , m u r a m i c a c i d ( F i g .2 ) , f i r s t c h a r a c t e r i z e d b y S t r a n g e a n d D a r k ( 1 6 2 ) .A l t h o u g h t h e c e l l w a l l s o f s o m e g r a m - p o s i t i v eb a c t e r i a c o n t a i n g a l a c t o s a m i n e [ e . g . , s o m e s t r a i n so f L a c t o b a c i l l u s , A e r o c o c c u s , C o r y n e b a c t e r i u m , a n d
S t r e p t o c o c c u s ( 3 9 ) ] , t h i s a m i n o s u g a r h a s n o t b e e n
i d e n t i f i e d i n a n y i s o l a t e d m u c o p e p t i d e . I t may b e
n o t e d t h a t w h e r e v e r g a l a c t o s a m i n e h a s b e e n r e -p o r t e d , c o n s i d e r a b l e q u a n t i t i e s o f n o n a m i n o
s u g a r s h a v e a l s o b e e n f o u n d i n t h e w a l l s , s o t h a tp e r h a p s g a l a c t o s a m i n e may b e a c o m p o n e n t o fe s s e n t i a l l y p o l y s a c c h a r i d e c o n s t i t u e n t s d i s t i n c tf r o m t h e m u c o p e p t i d e . S o m e o f t h e s e c o m p o n e n t s
w i l l b e d i s c u s s e d l a t e r .T h e a m i n o a c i d s , a l a n i n e a n d g l u t a m i c a c i d ,
0
CH'
HOQ,
FIG.
2 .S t r u i c t i r e
o f muramic a c i d .
a r e i n v a r i a b l y p r e s e n t , b o t h f r e q u e n t l y i n t h eD c o n f i g u r a t i o n n o t n o r m a l l y f o u n d e l s e w h e r e i nn a t u r e t o g e t h e r w i t h e i t h e r L - l y s i n e o r d i a m i n o -
p i m e l i c a c i d , t h e l a t t e r b e i n g p r e s e n t e i t h e r i n t h em e s o - o r t h e L L - f o r m , b u t r a r e l y i n t h e D D - f o r m
( 1 7 8 ) . O t h e r a m i n o a c i d s c o m m o n l y r e p o r t e d i ns o m e s p e c i e s a r e g l y c i n e a n d a s p a r t i c a c i d . S o
f a r , p h e n y l a l a n i n e , t y r o s i n e , h i s t i d i n e , t r y p t o -p h a n , a r g i n i n e , c y s t e i n e , a n d p r o l i n e h a v e n o t
b e e n f o u n d i n p u r i f i e d m u c o p e p t i d e s . T h e n o n -
a m i n o s u g a r s , w h i c h h a v e b e e n r e p o r t e d i n t h ec e l l w a l l s o f g r a m - p o s i t i v e o r g a n i s m s , i n c l u d ea r a b i n o s e , r h a m n o s e , g a l a c t o s e , a n d g l u c o s e ( 3 8 )b u t i t i s d u b i o u s w h e t h e r t h e s e c o m p o n e n t s c a n
b e c o n s i d e r e d a s a n i n t e g r a l p a r t o f t h e m u c o -
p e p t i d e .Q u a n t i t a t i v e c o m p o s i t i o n o f t h e m u c o p e p t i d e . A t
t h i s p o i n t , i t i s i n t e r e s t i n g t o c o n s i d e r t h e q u a n t i -t a t i v e p r o p o r t i o n s o f t h e v a r i o u s a m i n o a c i d sw h i c h h a v e b e e n r e p o r t e d i n w h o l e c e l l w a l l s o fg r a m - p o s i t i v e b a c t e r i a . I t m u s t b e b o r n e i n m i n dt h a t s o m e o f t h e a m i n o a c i d s f o u n d may n o t b e
c o v a l e n t l y b o u n d t o t h e m u c o p e p t i d e ; n e v e r t h e -l e s s , t h e p a u c i t y o f s p e c i e s o f a m i n o a c i d s p r e s e n th a s l e d t o t h e i d e a t h a t t h e y may o c c u r a s a
r e p e a t i n g u n i t o f s o m e s i m p l e s t r u c t u r e , n e c e s s i -t a t i n g a s i m p l e i n t e g r a l r e l a t i o n s h i p f o r t h e i rm o l e c u l a r p r o p o r t i o n s . T a b l e 1 i s a s s e m b l e d f r o m
a n a l y t i c a l r e s u l t s p u b l i s h e d b y v a r i o u s a u t h o r s .a n d , f o r c o n v e n i e n c e , a l l m o l e c u l a r r a t i o s a r ee x p r e s s e d i n t e r m s o f g l u t a m i c a c i d . I t i s a t o n c e
a p p a r e n t t h a t i f s u c h s i m p l e p r o p o r t i o n a l i t y d o e s
i n d e e d o c c u r , t h e n t h e p u r i t y o f t h e s a m p l e s s of a r e x a m i n e d h a s b e e n i n a d e q u a t e t o d e m o n s t r a t ei t . U n l e s s s u c h a n a l y s e s c a n b e p e r f o r m e d o n
m a t e r i a l k n o w n t o c o n s i s t s o l e l y o f m u c o p e p t i d e ,
t h e y c a n n o t p r o v i d e a n y i n f o r m a t i o n r e l e v a n t t ot h e h y p o t h e s i s o f o n e s i m p l e r e p e a t i n g s t r u c t u r ef o r e a c h s t r a i n o f b a c t e r i a .
S t r u c t u r e o f m u c o p e p t i d e s . A f u l l u n d e r s t a n d i n g
o f t h e w a y i n w h i c h m u c o p e p t i d e s a r e a b l e t op e r f o r m t h e i r f u n c t i o n a s t h e r i g i d c o m p o n e n t o fb a c t e r i a l w a l l s o b v i o u s l y d e p e n ds u p o n d e t a i l e dk n o w l e d g e o f t h e i r s t r u c t u r e . E v i d e n c e a b o u t t h i sh a s a c c u m u l a t e d a s a r e s u l t o f t h r e e m a i n l i n e s o fa t t a c k . ( i ) p a r t i a l b r e a k d o w n b y e n z y m e s ; ( i i )
p a r t i a l h y d r o l y s i s b y a c i d ; a n d ( i i i ) s t u d y o f
c o m p o u n d s t h a t a c c u m u l a t e w h e n c e l l - w a l l s y n -t h e s i s i s i n h i b i t e d f o r v a r i o u s r e a s o n s a n d w h i c h
b e a r s u f f i c i e n t r e s e m b l a n c e t o t h e c o m p o n e n t s o fm u c o p e p t i d e t o m a k e i t a r g u a b l e t h a t t h e y a r e
p r e c u r s o r so f c e l l - w a l l
f o r m a t i o n .
2 1
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
http://slidepdf.com/reader/full/biosyn-of-cell-wall 5/38
T A B L E 1 . M o l a r c o m p o s i t i o n o f c e l l w a l l s *
L i t e r -O r g a n i s m G l u . A l a . L y s . D AP G l y . A s p . S e r . a t u r e
c i t a t i o n
S t r e p t o c o c c u s f a e c a l i s R 1 . 0 0 1 . 8 1 0 . 6 3 0 0 0 . 6 7 6 7
S . f a e c a l i s NCTC 6 7 8 2 1 . 0 0 4 . 4 1 . 1 0 0 1 4 7
L e u c o n o s t o c m e s e n t e r o i d e s P - 6 0 1 . 0 0 1 . 4 5 0 . 5 3 0 0 0 . 6 8 6 7
L a c t o b a c i l l u s a c i d o p h i l u s 1 . 0 0 1 . 9 2 0 . 9 8 0 0 1 . 2 5 6 7
L . b u l g a r i c u s 1 . 0 0 2 . 2 4 0 . 7 6 0 0 0 . 7 0 6 7
L . c a s e i 1 . 0 0 1 . 1 8 0 . 7 7 0 0 0 . 7 7 6 7
L . d e l b r u e c k i i 7 3 0 1 . 0 0 1 . 9 0 0 . 8 3 0 0 0 . 9 7 6 7
L . h e l v e t i c u s H - 8 0 1 . 0 0 1 . 9 1 0 . 7 9 0 0 1 . 4 0 6 7
L . l a c t i s 1 0 4 1 . 0 0 2 . 4 0 0 . 9 2 0 0 1 . 2 6 6 7
L . p e n t o s u s 1 2 4 - 2 1 . 0 0 1 . 6 4 0 . 0 5 0 . 7 9 0 0 . 0 9 6 7
L . p l a n t a r u m 1 7 - 5 1 . 0 0 2 . 5 0 0 . 0 5 0 . 5 2 0 0 . 0 9 6 7
L . a r a b i n o s u s 1 7 / 5 1 . 0 0 2 . 6 0 . 9 1 0 1 4 7
L a c t o b a c i l l u s 3 0 a 1 . 0 0 1 . 4 2 0 0 . 6 5 0 0 6 7
L e u c o n o s t o c c i t r o v o r u m 1 . 0 0 1 . 9 6 1 . 0 0 0 0 1 . 4 1 6 7M i c r o c o c c u s l y s o d e i k t i c u s NCTC 1 . 0 0 3 . 0 1 . 2 0 . 9 1 5 6
2 6 6 5
M. l y s o d e i k t i c u s NCTC 2 6 6 5 1 . 0 0 2 . 2 1 . 0 1 . 4 1 3 3
M. l y s o d e i k t i c u s NCTC 2 6 6 5 1 . 0 0 2 . 6 1 . 0 1 . 0 1 4 7
M. l y s o d e i k t i c u s NCTC 2 6 6 5 1 . 0 0 2 . 5 0 . 8 6 2 . 2 2 9
S t a p h y l o c o c c u s a u r e u s 5 2 4 SC 1 . 0 0 1 . 8 0 . 6 3 . 2 1 3 3
S t a p h y l o c o c c u s 1 1 1 . 0 0 1 . 4 0 . 5 0 . 0 5 1 3 3
S . a u r e u s O x f o r d 1 . 0 0 1 . 9 1 . 0 4 . 9 1 3 3
S . a u r e u s H 1 . 0 0 3 . 7 1 . 1 8 4 . 8 1 6 7S . a u r e u s C o p e n h a g e n 1 . 0 0 3 . 2 0 . 9 5 3 . 8 1 6 7S . a u r e u s Duncan 1 . 0 0 2 . 7 0 . 9 1 0 4 . 3 0 . 4 1 1 4 7
S . a u r e u s Duncan 1 . 0 0 2 . 8 1 . 9 6 . 3 5 8
M i c r o c o c c u s c i t r e u s NCTC 7 7 3 1 1 . 0 0 0 . 7 0 . 3 3 0 0 . 2 7 0 1 4 7M. r o s e u s 1 . 0 0 4 . 6 0 . 9 1 0 0 0 1 4 7
M. t e t r a g e n u s 1 . 0 0 1 . 9 0 . 8 3 0 1 . 0 0 1 4 7
M. u r e a 1 . 0 0 1 . 8 0 . 7 7 0 0 . 7 7 0 1 4 7
M. v a r i a n s NCTC 7 2 8 1 1 . 0 0 0 . 6 0 0 . 2 3 0 . 4 2 1 4 7
S a r c i n a f l a v a 1 . 0 0 1 . 6 0 . 7 1 0 . 7 1 0 1 4 7
S . l u t e a 1 . 0 0 1 . 2 5 0 . 6 3 0 . 6 3 0 1 4 7
S p o r o s a r c i n a u r e a 1 . 0 0 1 . 2 0 . 5 9 0 . 5 9 1 4 7
S t a p h y l o c o c c u s a l b u s NCTC 7 9 4 4 1 . 0 0 2 . 6 0 . 9 1 4 . 4 0 . 3 6 1 4 7
S . c i t r e u s 1 . 0 0 3 . 1 1 . 0 0 4 . 0 0 . 5 1 4 7
S . s a p r o p h y t i c u s 1 . 0 0 3 . 3 1 . 0 4 . 6 0 . 6 1 4 7
B a c i l l u s c e r e u s P 2 1 . 0 0 2 . 0 0 . 7 7 0 1 4 7
B . m e g a t e r i u m KM 1 . 0 0 1 . 6 0 . 5 5 0 1 4 7
B . p u m i l u s NCTC 6 3 5 3 1 . 0 0 2 . 9 0 . 6 3 0 1 4 7B . s t e a r o t h e r m o p h i l u s 2 1 8 4 1 . 0 0 1 . 9 0 . 5 0 1 4 7
B . s u b t i l i s 1 . 0 0 1 . 8 0 . 4 2 0 1 4 7
B . t h u r i n g i e n s i s 1 . 0 0 2 . 0 0 . 7 1 0 1 4 7
* A b b r e v i a t i o n s : G l u . = g l u t a m i c a c i d ; A l a . = a l a n i n e ; L y s . = l y s i n e ; DAP = d i a m i n o p i m e l i c a c i d ;G l y . = g l y c i n e ; A s p . = a s p a r t i c a c i d ; S e r . = s e r i n e . M o l e c u l a r r a t i o s a r e e x p r e s s e d i n t e r m s o f g l u t a m i ca c i d .
P a r t i a l b r e a k d o w n b y e n z y m e s . T h i s m e t h o d o f w h i t e l y s o z y m e i s k n o w n t o a t t a c k t h e c e l l w a l l s
e l u c i d a t i n g t h e s t r u c t u r e o f m u c o p e p t i d e s h a s o f c e r t a i n o r g a n i s m s w i t h g r e a t r e a d i n e s s , i t i s
t h r e e m a i n d r a w b a c k s . ( i ) S u i t a b l e e n z y m e s may a l m o s t w i t h o u t a c t i o n u p o n many o t h e r s a n d
n o t b e a v a i l a b l e . F o r i n s t a n c e , a l t h o u g h e g g -c a n n o t b e u s e d f o r
s t u d y i n gt h e m . ( i i ) E n z y m e s
2 2 PERKINS B A C T E R I O L . R E V .
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
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V O L . 2 7 , 1 9 6 3 BACTERIAL CELL WALLS, STRUCTURE AND BIOSYNTHESIS
e m p l o y e d may n o t b e p u r e , a n d i f , f o r e x a m p l e ,
p e p t i d a s e s c a p a b l e o f a t t a c k i n g m u c o p e p t i d e s a r em i x e d w i t h g l y c o s i d a s e s , t h e m i x t u r e r e s u l t i n gf r o m t h e i r c o n c e r t e d a c t i o n may b e t o o c o m p l i -c a t e d t o e n a b l e v a l i d c o n c l u s i o n s t o b e d r a w n
a b o u t t h e s t r u c t u r e o f t h e o r i g i n a l s u b s t r a t e .( i i i ) Many g l y c o s i d a s e s a r e k n o w n t o f a c i l i t a t et r a n s g l y c o s y l a t i o n s , a n d s u c h a c t i o n c o u l d l e a dt o t h e i s o l a t i o n o f p r o d u c t s b e a r i n g n o d i r e c tr e l a t i o n t o t h e i n i t i a l s t r u c t u r e .
P a r t i a l h y d r o l y s i s b y a c i d . T h e m e t h o d o fs t r u c t u r a l a n a l y s i s i n v o l v i n g p a r t i a l a c i d h y d r o l y -s i s a l s o h a s i t s d i s a d v a n t a g e s . I n t h e f i r s t p l a c e ,i t i s k n o w n t h a t t r e a t m e n t o f m o n o s a c c h a r i d e s
w i t h s t r o n g h y d r o c h l o r i c a c i d a t r e l a t i v e l y l o w
t e m p e r a t u r e s c a n l e a d t o s o - c a l l e d a c i d r e v e r s i o nb y w h i c h o l i g o s a c c h a r i d e s a r e s y n t h e s i z e d ( 6 3 ) ,
a n d p o l y m e r s o f N - a c e t y l g l u c o s a m i n e h a v e b e e nm a d e i n t h i s w a y ( 4 7 ) . I t w o u l d , t h e r e f o r e , b e
u n w i s e t o m a k e d e d u c t i o n s a b o u t t h e s t r u c t u r e
o f t h e a m i n o s u g a r p a r t o f t h e m u c o p e p t i d e f r o m
t h e c o m p o s i t i o n o f f r a g m e n t s o b t a i n e d b y t h i st y p e o f h y d r o l y s i s . H y d r o l y s i s i n l e s s c o n c e n -
t r a t e d m i n e r a l a c i d a t 1 0 0 C s h o u l d n o t l e a d t o
t h i s t y p e o f c o m p l i c a t i o n , b u t i t h a s t h e d i s -
a d v a n t a g e t h a t t h e o v e r - a l l y i e l d s o f f r a g m e n t sa r e s m a l l ( 1 1 8 ) , s o t h a t o n c e a g a i n i t i s n o t
p o s s i b l e t o c o n c l u d e t h a t a n y i s o l a t e d f r a g m e n t i s
n e c e s s a r i l y t y p i c a lo f
t h em u c o p e p t i d e a s a
w h o l e .C o m p o u n d s a c c u m u l a t i n g d u r i n g i n h i b i t i o n o fc e l l - w a l l s y n t h e s i s . D e d u c t i o n s a b o u t m u c o p e p t i d e
s t r u c t u r e d e r i v e d f r o m t h e s t u d y o f c o m p o u n d s
a c c u m u l a t i n g i n t h e p r e s e n c e o f i n h i b i t o r s m u s t
b e a c c e p t e d o n l y w i t h g r e a t c a u t i o n . P a r k a n d
S t r o m i n g e r ( 1 1 4 ) s a w t h e c o n n e c t i o n b e t w e e n
c e l l w a l l s a n d t h e c o m p o u n d s s t u d i e d e a r l i e r b y
P a r k ( 1 0 9 , 1 1 3 ) w h i c h a c c u m u l a t e w h e n S . a u r e u s
i s e x p o s e d t o t h e a c t i o n o f p e n i c i l l i n . T h e s e c o m -
p o u n d s c o n s i s t o f u r i d i n e d i p h o s p h o - N - a c e t y l -m u r a m i c a c i d ( c o m p o u n d 1 ) , e i t h e r a l o n e o r
j o i n e d t o o n e m o l e c u l e o f L - a l a n i n e ( c o m p o u n d2 ) , o r o n e m o l e c u l e e a c h o f L - a l a n i n e , D - g l u t a m i c
a c i d , L - l y s i n e , a n d t w o m o l e c u l e s o f D - a l a n i n e( c o m p o u n d 3 ) . I f o n e a c c e p t s P a r k a n d S t r o -m i n g e r ' s h y p o t h e s i s t h a t t h e s e c o m p o u n d s a r ep r e c u r s o r s o f c e l l - w a l l m uc o pe p t i d e , t h e n i t f o l -
l o w s t h a t t h e c o m p l e t e d m o l e c u l e w i l l c o n t a i n
s i m i l a r s t r u c t u r e s i n w h i c h t h e p e p t i d e c h a i n o fa m i n o a c i d i s j o i n e d b y i t s t e r m i n a l a m i n o g r o u p
t o t h e c a r b o x y l g r o u p o f m u r a m i c a c i d . T h e
q u e s t i o n o f w h e t h e r t h e c o m p l e t e d m u c o p e p t i d e
w i l l c o n t a i n p r e c i s e l y t h e s e q u e n c e s f o u n d i n
" p r e c u r s o r - t y p e " m o l e c u l e s i s o l a t e d f r o m c e l l s i nw h i c h w a l l s y n t h e s i s h a s b e e n i n h i b i t e d c a n n o t b e
a n s w e r e d d i r e c t l y . I t i s k n o w n f r o m o t h e r s t u d i e st h a t u r i d i n e - d i p h o s p h o s u g a r s a r e i n v o l v e d i nt r a n s f e r r e a c t i o n s t h a t l e a d t o t h e s y n t h e s i s o fo t h e r p o l y s a c c h a r i d e s , a n d t h i s a s p e c t h a s b e e n
r e v i e w e d b y S t r o m i n g e r ( 1 6 6 ) . He h a s p u t f o r -w a r d t h e s u g g e s t i o n t h a t p e n i c i l l i n s p e c i f i c a l l yi n h i b i t s s u c h a t r a n s f e r r e a c t i o n , i n v o l v i n g P a r k ' s
c o m p o u n d 3 . F u r t h e r e v i d e n c e f o r t h e i n v o l v e -m e n t o f t h e s e c o m p o u n d s w i l l b e c o n s i d e r e db e l o w i n t h e s e c t i o n o n b i o s y n t h e t i c m e c h a n i s m s .
M u c o p e p t i d e a s a m u c o p o l y s a c c h a r i d e s u b s t i -t u t e d w i t h p e p t i d e c h a i n s . T h e f i r s t g e n e r a l h y -
p o t h e s i s a b o u t m u c o p e p t i d e s t r u c t u r e b a s e d u p o n
t h e c o m p o s i t i o n o f t h e P a r k c o m p o u n d s ( 1 0 9 ) a n d
t h e a c t i o n o f e g g - w h i t e l y s o z y m e u p o n t h e c e l lw a l l o f M i c r o c o c c u s l y s o d e i k t i c u s w a s p u t f o r w a r d
L y s o z y m e - s e n s i t i v e
li n k
p ( 1 - 6 )
r H . C o c a 3
a c i d
F I G . 3 . M u c o p e p t i d e s t r u c t u r e p r o p o s e d b y B r u m f i t t , W a r d l a w , a n d P a r k ( 3 1 ) .
2 3
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
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B A C T E R I O L . R E V .
b y B r u m f i t t , W a r d l a w , a n d P a r k ( 3 1 ) , w h o p r o -p o s e d t h e t y p e o f s t r u c t u r e s h o w n i n F i g . 3 . I t i s
c o n v e n i e n t t o c o n s i d e r t h e o t h e r e v i d e n c e w h i c h
h a s b e e n o b t a i n e d i n r e l a t i o n s h i p t o t h i s s t r u c -t u r e . S a l t o n ( 1 3 9 ) s h o w e d t h a t l y s o z y m e a c t i o n
l e a d s t o t h e l i b e r a t i o n o f e n d g r o u p s , w h i c h g i v et h e M o r g a n - E l s o n ( 1 0 2 ) r e a c t i o n f o r N - a c e t y l
h e x o s a m i n e s , a n d t h a t o n e i m p o r t a n t d i f f u s i b l ec o m p o n e n t o f t h e d i g e s t w a s a c o m p o u n d o f
N - a c e t y l g l u c o s a m i n e a n d N - a c e t y l m u r a m i c a c i da l o n e , w h i c h m i g h t b e a d i s a c c h a r i d e . F u r t h e r
e x a m i n a t i o n o f t h i s m a t e r i a l b y P e r k i n s ( 1 1 5 ) a n d
S a l t o n a n d G h u y s e n ( 1 4 4 ) s h o w e d c o n c l u s i v e l yt h a t i t w a s 6 - ( N - a c e t y l g l u c o s a m i n y l ) - N - a c e t y l -m u r a m i c a c i d ( F i g . 4 ) . T h i s d i s a c c h a r i d e may b e
c o n s i d e r e d a s t h e f u n d a m e n t a l u n i t u p o n w h i c h
t h e w h o l e m u c o p e p t i d e s t r u c t u r e i s b u i l t u p , b y
p o l y m e r i z a t i o n o n t h e o n e h a n d a n d i n t r o d u c t i o no f p e p t i d e c h a i n s o n t h e o t h e r . E v i d e n c e f o r t h e
IB ( 1 - * 4 ) l i n k b e t w e e n N - a c e t y l m u r a m i c a c i da n d N - a c e t y l g l u c o s a m i n e i s d i s c u s s e d i n t h e s e c -
t i o n E n z y m a t i c A t t a c k o n W a l l S t r u c t u r e .Z i l l i k e n ( 1 8 1 ) d e s c r i b e d f r a g m e n t s i s o l a t e d
f r o m l y s o z y m e d i g e s t s o f t h e c e l l w a l l o f M.
l y s o d e i k t i c u s i n w h i c h t h e r a t i o o f g l u c o s a m i n e
t o m u r a m i c a c i d w a s 2 : 1 . On t h e b a s i s o f t h i so b s e r v a t i o n , h e p r o p o s e d a b r a n c h e d - c h a i n p o l y -s a c c h a r i d e i n w h i c h s o m e o f t h e N - a c e t y l m u r a m i c
a c i d r e s i d u e s a r e g l y c o s i d i c a l l y s u b s t i t u t e d b y
t w o N - a c e t y l g l u c o s a m i n e r e s i d u e s . N - a c e t y l m u r a -
m i c a c i d , i f p r e s e n t i n t h e p y r a n o s e f o r m , h a s
o n l y t w o p o s i t i o n s a v a i l a b l e f o r s u c h s u b s t i t u t i o n( C - 4 a n d C - 6 ) , a n d , p r e s u m a b l y , b o t h w o u l d b e
o c c u p i e d . H o w e v e r , Z i l l i k e n ' s m a t e r i a l w a s i s o -
l a t e d f r o m c h r o m a t o g r a m s b e c a u s e i t g a v e a
p o s i t i v e M o r g a n - E l s o n r e a c t i o n f o r N - a c e t y l -a m i n o s u g a r s . S o f a r a s i s k n o w n , s u c h s u g a r ss u b s t i t u t e d i n t h e C - 4 p o s i t i o n d o n o t g i v e t h i sr e a c t i o n ( 8 0 ) , a n d i t w o u l d s e e m t h a t h i s s u g -g e s t i o n f o r a b r a n c h i n g p o i n t r e q u i r e s f u r t h e r
e x a m i n a t i o n . I n t h e i r e x t e n s i v e w o r k o n t h i s
C H 2 0 H C H 2
0 0 0
O H . C O O H
HOOH H
N H . C O . C H 3 H . C O . C H 3
F I G . 4 . D i s a c c h a r i d e f r o m l y s o z y i n e d i g e s t o f t h e
m u c o p e p t i d e o f M i c r o c o c c u s l y s o d e i k t i c u s ( 1 1 5 ,
1 4 4 ) .
t o p i c , S a l t o n a n d G h u y s e n ( 5 4 , 5 6 , 1 4 4 ) d i d n o t
d e s c r i b e a n y p r o d u c t w i t h a g l u c o s a m i n e - m u r a -
m i c a c i d r a t i o o f 2 : 1 .O n e o t h e r p i e c e o f i n f o r m a t i o n a b o u t t h e
m u c o p e p t i d e o f M. l y s o d e i k t i c u s c a n b e d e d u c e d
f r o m t h e w o r k w i t h l y s o z y m e q u o t e d a b o v e . T h ed i s a c c h a r i d e f i r s t o b s e r v e d b y S a l t o n ( 1 3 9 ) w a s
s h o w n t o f o r m a s u b s t a n t i a l p r o p o r t i o n o f t h e
t o t a l h e x o s a m i n e o r i g i n a l l y p r e s e n t ( 1 1 6 ) . I n
f a c t , i t c a n b e c a l c u l a t e d , f r o m t h e r e s u l t s o f
G h u y s e n a n d S a l t o n ( 5 6 ) , t h a t t h e d i s a c c h a r i d ea n d o l i g o s a c c h a r i d e ( i d e n t i f i e d a s a t e t r a s a c c h a -r i d e ; 1 4 4 ) t o g e t h e r a c c o u n t f o r 3 5 0 , u m o l e s o f
e a c h a m i n o s u g a r f o r e a c h g r a m o f c e l l w a l l .T h i s r e p r e s e n t s b e t w e e n o n e - t h i r d a n d o n e - h a l fo f t h e t o t a l a m i n o s u g a r p r e s e n t i n c e l l - w a l lp r e p a r a t i o n s o f t h i s s p e c i e s . I t f o l l o w s , t h e r e f o r e ,
t h a t , u n l e s s l y s o z y m e a c t s a s a p e p t i d a s e a s w e l la s a g l y c o s i d a s e [ a n d t h e r e i s n o e v i d e n c e t h a t i t
d o e s , s i n c e I n g r a m a n d S a l t o n ( 6 8 ) s h o w e d t h a ti t r e l e a s e s h a r d l y a n y a d d i t i o n a l a m i n o g r o u p s ] ,many o f t h e c a r b o x y l g r o u p s o f m u r a m i c a c i dw e r e f r e e i n t h e i n t a c t m u c o p e p t i d e , u n a t t a c h e d
t o c h a i n s o f a m i n o a c i d s . T h i s m e a n s t h a t ,a l t h o u g h t h e m o l a r r a t i o o f g l u t a m i c a c i d - l y s i n e -a l a n i n e - g l y c i n e - m u r a m i c a c i d i n t h e w h o l e w a l lmay b e a p p r o x i m a t e l y 1 : 1 : 2 : 1 : 1 [ a s i n t h ef r a g m e n t s d e s c r i b e d b y G h u y s e n ( 5 4 ) d i s c u s s e db e l o w ] , f o r e a c h m u r a m i c a c i d h a v i n g a b o u n d
c a r b o x y l g r o u p t h e r a t i o o f a m i n o a c i d r e s i d u e s t o
m u r a m i c a c i d i s m u c h h i g h e r . I t s e e m s t h a t many
o f t h e p e p t i d e c h a i n s i n M . l y s o d e i k t i c u s m u s t b e
m u c h l o n g e r t h a n t h o s e s h o w n i n F i g . 3 , a l -
t h o u g h , o f c o u r s e , s e c o n d a r y c h a i n s s u b s t i t u t e do n t h e E - a m i n o g r o u p s o f l y s i n e m ay a l s o o c c u r .
T h i s t y p e o f s u b s t i t u t i o n i s d i s c u s s e d b e l o w .T h e o b s e r v a t i o n s m e n t i o n e d a b o v e , s h o w i n g
t h a t many o f t h e c a r b o x y l g r o u p s o f m u r a m i c
a c i d a r e n o t s u b s t i t u t e d b y p e p t i d e c h a i n s , t e m p t
o n e t o s p e c u l a t e w h e t h e r s u c h s t r u c t u r e s r e p r e -
s e n t a n i n c o m p l e t e d p o r t i o n o f t h e w a l l muco-p e p t i d e . I n a n a t t e m p t t o t e s t t h i s i d e a , P e r k i n s
a n d R o g e r s ( u n p u b l i s h e d d a t a ) u s e d y - g l u t a m y l -h y d r a z i d e t o i n h i b i t c e l l - w a l l s y n t h e s i s b y S .
a u r e u s s t r a i n 5 2 4 SC i n t h e m u c o p e p t i d e - s y n t h e -s i z i n g s y s t e m d e s c r i b e d b y M a n d e l s t a m a n d
R o g e r s ( 9 2 ) . T h i s s u b s t a n c e i s known t o i n t e r f e r e
w i t h b i o s y n t h e s i s o f a m i n o s u g a r s b y i n h i b i t i n gt h e t r a n s f e r o f t h e a m i d e - a m i n o g r o u p o f g l u t a -m i n e . I t w a s t h o u g h t t h a t u n d e r t h o s e c i r c u m -
s t a n c e s a n y o f t h e f r e e c a r b o x y l g r o u p s o f mura-
m i c a c i d m i g h tb e c o m e
s u b s t i t u t e dw i t h
p e p t i d e
2 4 PERKINTS
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
http://slidepdf.com/reader/full/biosyn-of-cell-wall 8/38
V O L . 2 7 , 1 9 6 3 BACTERIAL CELL WALLS, STRUCTURE AND BIOSYNTHESIS
c h a i n s , s i n c e n o r m a l m u c o p e p t i d e s y n t h e s i s w a s
p r e v e n t e d . I n f a c t , a l t h o u g h 5 , u m o l e s / m l o fi n h i b i t o r r e d u c e d i n c o r p o r a t i o n o f r a d i o a c t i v eg l u c o s e b y 4 2 , t h e w a l l o b t a i n e d i n t h e p r e s e n c e
o f y - g l u t a m y l h y d r a z i d e h a d t h e s a m e r a t i o o f
a m i n o a c i d s t o a m i n o s u g a r s a s t h e c o n t r o ls a m p l e . I t may b e , h o w e v e r , t h a t S . a u r e u s w a s
a b a d c h o i c e o f o r g a n i s m f o r t h i s s t u d y , a s i t i s
n o t k n o w n how many u n s u b s t i t u t e d m u r a m i c
a c i d c a r b o x y l g r o u p s n o r m a l l y o c c u r i n i t s m u c o -
p e p t i d e .K n o w l e d g e o f t h e r e l a t i o n s h i p o f t h e a m i n o
a c i d r e s i d u e s f o u n d i n m u c o p e p t i d e s , t o o n e a n -
o t h e r a n d t o t h e a m i n o s u g a r s , h a s b e e n g r a d u a l l ya s s e m b l e d f r o m many s t u d i e s . A s s o o n a s t h e
o v e r - a l l c o m p o s i t i o n o f m u c o p e p t i d e s b e c a m e
k n o w n ( 1 3 7 ) , t w o g e n e r a l h y p o t h e s e s o f s t r u c t u r e
c o u l d b e c o n s i d e r e d . E i t h e r t h e a m i n o a c i d s w e r el i n k e d t o g e t h e r t o f o r m a r a t h e r u n u s u a l p r o t e i n ,w h i c h w a s a s s o c i a t e d a s a w h o l e w i t h a m u c o -
p o l y s a c c h a r i d e c o n s i s t i n g o f t h e a m i n o s u g a r s , o r
r e l a t i v e l y s h o r t p e p t i d e c h a i n s w e r e c o v a l e n t l yb o u n d t o t h e a m i n o s u g a r s i n t h e m a n n e r s u g -g e s t e d b y B r u m f i t t e t a l . ( 3 1 ) . T h e r e i s n o e v i -d e n c e a t a l l t h a t m u c o p e p t i d e c a n b e s e p a r a t e di n t o a w h o l e p r o t e i n a n d a m u c o p o l y s a c c h a r i d e .S o m e e n r i c h m e n t o f t h e p r o p o r t i o n o f a m i n o
s u g a r s c a n b e a c h i e v e d b y c o n t r o l l e d a l k a l i n ed i g e s t i o n ( 3 6 ) b u t t h i s p r o c e s s i s u n d o u b t e d l y
a c c o m p a n i e d b y m i s c e l l a n e o u s d e g r a d a t i o n , a n d
n o s e p a r a t e p r o t e i n f r a c t i o n c a n b e i s o l a t e d .F u r t h e r m o r e , p a r t i a l a c i d h y d r o l y s i s e n a b l e d
P e r k i n s a n d R o g e r s ( 1 1 8 ) t o i s o l a t e f r o m w h o l e
m u c o p e p t i d e s m a l l f r a g m e n t s i n w h i c h t h e a m i n o
a c i d s w e r e s t i l l b o u n d t o t h e a m i n o s u g a r s a n d
a l m o s t c e r t a i n l y t o t h e c a r b o x y l g r o u p o f m u r a m i c
a c i d . A l s o , G h u y s e n ( 5 4 ) h a s b e e n a b l e t o d e m o n -
s t r a t e t h e p r e s e n c e o f s i m i l a r f r a g m e n t s i n l y s o -z y m e d i g e s t s o f t h e c e l l w a l l o f M. l y s o d e i k t i c u s ,s o t h a t t h e e v i d e n c e f o r t h e g e n e r a l t y p e o f
s t r u c t u r e g i v e n i n F i g . 3 i s f a i r l y s t r o n g . I t s e e m su n l i k e l y , t h e r e f o r e , t h a t a n y p r o t e i n , i n t h e s e n s eo f a m a c r o m o l e c u l a r p o l y p e p t i d e c h a i n u n c o m p l i -
c a t e d b y a m i n o s u g a r s , e x i s t s a s s u c h i n m u c o -
p e p t i d e s t r u c t u r e .L i n k a g e o f t h e p e p t i d e c h a i n s . T h e s e q u e n c e o f
t h e a m i n o a c i d s a t t a c h e d t o t h e c a r b o x y l g r o u p
o f m u r a m i c a c i d i s n o t k n o w n w i t h c e r t a i n t y f o r
a n y c e l l - w a l l m u c o p e p t i d e . S o m e e v i d e n c e , h o w -
e v e r , h a s b e e n o b t a i n e d b y G h u y s e n f o r t h ea r r a n g e m e n t i n c e r t a i n d i f f u s i b l e f r a g m e n t s l i b e r -a t e d b y l y s o z y m e f r o m t h e w a l l s o f M. l y s o -
n m . 0 w w 3 I WN.0w3;
r-----
( a l a ) ( g l u ) ( l " ) ( a l a ) ( g l y )E I0 0CE.00. 0 1.o as . 0 0 . o J H . C 0 0 2 O 0 O I
C H 3 C 0 20 02
o o o 0
C H 2
C H 2
H 20 0 , ( g l y ) ( a l a ) ( l y e ) ( g l u ) ( a l a )
0H-O.CR2.HO. C 0 0 . 0 . H 0 . 0 W . 0 0 . 0 0 . N K . C 0 o . 0 . N K r
C 3 H 2 02 C H 30 2 C 0 2
0 0 21
0 0 2 0 0 1 0 0 2
1 1 0 OK / D \
1 M . 0 0 0 3 . O O 0 l 3
F I G . 5 . F r a g m e n t i s o l a t e d f r o m l y s o z y m e d i g e s t so f t h e c e l l w a l l s o f M i c r o c o c c u s l y s o d e i k t i c u s . T h e
s e q u e n c e o f t h e a m i n o a c i d s i s n o t known w i t h
c e r t a i n t y ( 5 4 ) .
d e i k t i c u s ( 5 4 ) . He f o u n d g o o d e v i d e n c e f o r t h es t r u c t u r e g i v e n i n F i g . 5 . T h i s f r a g m e n t c o n t a i n st w o d i s a c c h a r i d e u n i t s w i t h a t t a c h e d p e p t i d ec h a i n s , c r o s s - l i n k e d t h r o u g h t h e e - a m i n o g r o u p o fo n e o f t h e l y s i n e m o l e c u l e s . A l a n i n e c a n b e s h o w n
t o b e t h e r e s i d u e n e x t t o t h e m u r a m i c a c i d , s i n c ei t s a m i n o g r o u p i s s e t f r e e b y a n e n z y m e ( F 2 )f r o m S t r e p t o m y c e s a l b u s , w h i c h a c t s a s a m u r a m i c
a c i d a m i d a s e . T h e r e i s s o m e e v i d e n c e t h a t s u c h
c r o s s - l i n k i n g may b e q u i t e a g e n e r a l f e a t u r e o fm u c o p e p t i d e s t r u c t u r e . I n g r a m a n d S a l t o n ( 6 8 ) ,u s i n g f l u o r o d i n i t r o b e n z e n e , f o u n d t h a t , a l t h o u g ho n l y o n e - t h i r d o f t h e e - a m i n o g r o u p s o f d i a m i n o -
p i m e l i c a c i d w e r e f r e e i n t h e w a l l o f B . m e g a t e r i u m ,
o v e r 90 % o f t h e C a m i n o g r o u p s o f l y s i n e w e r e
f r e e i n t h e i n t a c t w a l l o f M. l y s o d e i k t i c u s . S a l t o n( 1 4 3 ) now f i n d s t h a t a b o u t o n e - h a l f o f t h e s e
g r o u p s a r e n o t a v a i l a b l e f o r d i n i t r o p h e n y l a t i o n( s e e a l s o 4 1 ) . I f G h u y s e n ' s s t r u c t u r e ( F i g . 5 )w e r e t a k e n t o a c c o u n t f o r t h i s , i t w o u l d mean
t h a t e v e r y d i s a c c h a r i d e u n i t i n t h e m u c o p e p t i d e
w a s l i n k e d t o o n e o t h e r , e a c h u n i t c o n t r i b u t i n ge i t h e r a n C a m i n o g r o u p o f l y s i n e o r a n a - c a r -
b o x y l g r o u p t o t h e l i n k . T h i s , i n t u r n , s u g g e s t s a
p a i r o f m u c o p o l y s a c c h a r i d e c h a i n s c r o s s - l i n k e da t e v e r y m u r a m i c a c i d , a l t h o u g h o f c o u r s e t h el i n k s c o u l d e q u a l l y w e l l d o u b l e b a c k t o t h e n e x t
u n i t o f t h e s a m e c h a i n . S u c h a s t r u c t u r e w o u l d
l e a d t o a d e f i c i e n c y o f f r e e c a r b o x y l g r o u p s i n t h e
2 5 -
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B A C T E R I O L . R E V .
f i n a l m o l e c u l e , e q u i v a l e n t t o t h e l o s s o f E - a m i n o
g r o u p s o f l y s i n e . T h e f r e e c a r b o x y l g r o u p s o f a
n u m b e r o f c e l l w a l l s h a v e b e e n e s t i m a t e d b y
h y d r a z i n o l y s i s ( 1 4 3 ) . T h e r e s u l t s f o r M. l y s o -d e i k t i c u s w o u l d c o r r e s p o n d w i t h G h u y s e n ' s s t r u c -
t u r e ( F i g . 5 ) , s i n c e a b o u t o n e - h a l f o f t h e t o t a la m o u n t o f o n e a m i n o a c i d ( g l y c i n e ) o c c u r s a sf r e e c a r b o x y l g r o u p s . A p a r t f r o m t h i s , o n l y a b o u t
3 % o f t h e a l a n i n e r e s i d u e s a r e C - t e r m i n a l . I t i s
i n t e r e s t i n g t o n o t e t h a t o f a l l t h e s t r a i n s e x -a m i n e d , i n c l u d i n g g r a m - p o s i t i v e a n d g r a m - n e g a -
t i v e s p e c i e s , o n l y M. l y s o d e k t i c u s a n d t h e c l o s e l yr e l a t e d S a r c i n a l u t e a c o n t a i n e v e n a s m u c h a s0 . 5 m o l e o f a n y a m i n o a c i d i n a C - t e r m i n a lp o s i t i o n , i m p l y i n g t h a t a v e r y h i g h d e g r e e o fc r o s s - l i n k i n g m u s t o c c u r i n o t h e r s t r a i n s . C o r r e -s p o n d i n g l y , t h e e - a m i n o g r o u p s o f l y s i n e o r
d i a m i n o p i m e l i c a c i d a r e g e n e r a l l y b l o c k e d ( 1 4 3 ) .O t h e r e v i d e n c e f o r c r o s s - l i n k i n g i n S . a u r e u s
C o p e n h a g e n h a s b e e n p r o d u c e d ( 9 3 ) . A f t e r r e -m o v a l o f t e i c h o i c a c i d , t h e m u c o p e p t i d e o f t h i ss t r a i n w a s d i s s o l v e d b y l y s o z y m e , p r e s u m a b l y
b y h y d r o l y s i s o f t h e g l y c o s i d i c l i n k a g e s o f m u r a -
m i c a c i d d e s c r i b e d e l s e w h e r e . F u r t h e r t r e a t m e n t
o f t h e m a c r o m o l e c u l a r p r o d u c t w i t h f 3 - N - a c e t y l -g l u c o s a m i n i d a s e f r o m p i g e p i d i d y m i s r e m o v e d
a b o u t 80 % o f t h e r e s i d u a l N - a c e t y l g l u c o s a m i n e( i n c i d e n t a l l y c o n f i r m i n g t h e , 3 l i n k a g e a t t h i s
p o i n ti n t h e
s t r u c t u r e ) .Tw o
p r o d u c t s ( m o lw t
3 , 0 0 0 t o 1 0 , 0 0 0 ) c o n t a i n e d m u r a m i c a c i d a n d a l l
t h e a m i n o a c i d s , b u t n o g l u c o s a m i n e , s u g g e s t i n ga n e t w o r k o f p e p t i d e c h a i n s w i t h " N - t e r m i n a l s "
o f N - a c e t y l m u r a m i c a c i d . T h i s r e s u l t l e d t h ea u t h o r s t o s u g g e s t t h a t t h e s t r u c t u r e c o n s i s t e d o f
p e p t i d e c h a i n s o f L - a l a n i n e , D - g l u t a m i c a c i d ,L - l y s i n e , a n d D - a l a n i n e , e a c h o n e b e i n g c r o s s -
l i n k e d b y a c h a i n o f g l y c i n e m o l e c u l e s f r o m a
c a r b o x y l g r o u p ( p e r h a p s t h e y - C O O H o f g l u t a m i ca c i d ) t o t h e - a m i n o g r o u p o f l y s i n e . S a l t o n ' se v i d e n c e ( 1 4 3 ) f r o m h y d r a z i n o l y s i s w o u l d s u g g e s t
t h a t i t i s a l m o s t c e r t a i n l y a - c a r b o x y l g r o u p sw h i c h a r e i n v o l v e d .
F u r t h e r s u p p o r t f o r t h e i d e a t h a t l i n k a g e s o n
t h e e - a m i n o g r o u p o f l y s i n e may o f t e n o c c u r i n
c e l l w a l l s h a s c o m e f r o m s t u d i e s w i t h l a c t o b a c i l l i .I n t h e i r s t u d i e s o n t h e s t r u c t u r e o f b a c i t r a c i n ,S w a l l o w a n d A b r a h a m ( 1 7 2 ) s h o w e d t h a t a c i dh y d r o l y s i s o f p e p t i d e m a t e r i a l i n w h i c h t h ee - a m i n o g r o u p o f l y s i n e w a s b l o c k e d b y t h e 3 - c a r -
b o x y l g r o u p o f a s p a r t i c a c i d e a s i l y l e d t o t h ei s o l a t i o n o f a c y c l i c p e p t i d e e - ( a m i n o - s u c c i n y l )l y s i n e . T h e y a l s o f o u n d t h a t t h i s m a t e r i a l w a s
p r e s e n t i n h y d r o l y s a t e s o f t h e c e l l w a l l s o fL a c t o b a c i l l u s b r e v i s , a n d a s i m i l a r o b s e r v a t i o n
w a s m a d e b y I k a w a a n d S n e l l ( 6 7 ) f o r L . a c i d -o p h i l u s , L . h e l v e t i c u s , L . l a c t i s , a n d L e u c o n o s t o c
c i t r o v o r u m .
T h e i m p l i c a t i o n o f t h e s e r e s u l t s i s t h a t , i n t h ei n t a c t m u c o p e p t i d e s o f t h e s e o r g a n i s m s , s o m e o ft h e e - a m i n o g r o u p s o f l y s i n e w e r e b l o c k e d b y t h e, B - c a r b o x y l g r o u p o f a s p a r t i c a c i d . G h u y s e n ( 5 4 )a n d S a l t o n ( 1 4 3 ) s u g g e s t e d t h a t t h e r e l a t i v e l ys m a l l a m o u n t o f N - t e r m i n a l a m i n o a c i d w h i c h
c a n b e d e m o n s t r a t e d i n c e l l w a l l s b y t h e f l u o r o -d i n i t r o b e n z e n e t e c h n i q u e may b e l o c a t e d a ss i n g l e a m i n o a c i d s u b s t i t u e n t s o n t h e e - a m i n o
g r o u p o f l y s i n e .A n o t h e r p r o b l e m a r i s e s w h e n o n e a t t e m p t s t o
a s s i g n s t r u c t u r e s t o t h e a m i n o a c i d p a r t o f m u c o -
p e p t i d e s o n t h e b a s i s o f g r o s s a n a l y s i s o f i s o l a t e dc e l l w a l l s . T h e w a l l s o f many g r a m - p o s i t i v eo r g a n i s m s , i n c l u d i n g S . a u r e u s s t r a i n H s t u d i e db y S t r o m i n g e r , P a r k , a n d T h o m p s o n ( 1 6 7 ) , c o n -t a i n , i n a d d i t i o n t o m u c o p e p t i d e , t h e t e i c h o i ca c i d s d e s c r i b e d b y B a d d i l e y ( 1 4 ) , w h i c h a r e d i s -c u s s e d i n m o r e d e t a i l b e l o w . A r m s t r o n g e t a l . ( 1 2 )s u g g e s t e d t h a t i n t h e t e i c h o i c a c i d f r o m S . a u r e u s
H t h e p o l y r i b i t o l p h o s p h a t e i s j o i n e d t o a m o l a r
p r o p o r t i o n o f N - a c e t y l g l u c o s a m i n e a n d D - a l a n i n e ,a n d , i n d e e d , e s t e r - l i n k e d D - a l a n i n e i s a l m o s t
i n v a r i a b l y f o u n d i n t h e s e p o l y m e r s , s o t h a t a n y
o v e r - a l l a n a l y s i s o f t h e a m i n o a c i d c o m p o n e n t s
w o u l d i n e v i t a b l y i n c l u d e e x t r a D - a l a n i n e f r o m
t h i s s o u r c e . S i n c e t h e t e i c h o i c a c i d s c a n b e e x -t r a c t e d b y 1 0 % t r i c h l o r o a c e t i c a c i d a t 5 C , i t
s e e m s u n l i k e l y t h a t t h e i r a l a n i n e c a n h a v e b e e n
c o v a l e n t l y b o u n d b y i t s a m i n o g r o u p t o t h em u c o p e p t i d e i n t h e i n t a c t w a l l . I t m u s t , t h e r e -f o r e , b e p a r t o f a n i n d e p e n d e n t s t r u c t u r e , t h et e i c h o i c a c i d i t s e l f . C o n s e q u e n t l y , a n y d i s c u s s i o no f m u c o p e p t i d e s t r u c t u r e m u s t b e r e l a t e d t o
a n a l y s e s m a d e o n p u r i f i e d m u c o p e p t i d e f r o m
w h i c h c o n t a m i n a t i n g t e i c h o i c a c i d h a s b e e n e x -t r a c t e d .
C o m p o n e n t s O t h e r T h a n A m i n o A c i d s a n d
N - A c e t y l a m i n o S u g a r s
T h e f o r e g o i n g a c c o u n t o f m u c o p e p t i d e s t r u c -
t u r e h a s n o t t a k e n i n t o c o n s i d e r a t i o n t h e n o n -
a m i n o s u g a r s w h i c h a r e p r e s e n t i n t h e c e l l w a l l so f s o m e g r a m - p o s i t i v e o r g a n i s m s . I n s o m e s t r a i n s ,s u c h a s B . s u b t i l i s , t h e g l u c o s e f o u n d i n t h e w a l l si s p a r t o f t h e t e i c h o i c a c i d m o l e c u l e , a n d c a n b e
e x t r a c t e d a s d e s c r i b e d a b o v e ( 1 2 ) . S i m i l a r l y ,
2 6 PERKINS
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
http://slidepdf.com/reader/full/biosyn-of-cell-wall 10/38
V O L . 2 7 , 1 9 6 3 BACTERIAL CELL WALLS, STRUCTURE AND BIOSYNTHESIS
I k a w a ( 6 4 ) h a s s h o w n t h a t e x t r a c t i o n o f t h e c e l l
w a l l s o f L a c t o b a c i l l u s p l a n t a r u m , L . c a s e i , a n d
S t r e p t o c o c c u s f a e c a l i s ( w i t h 0 . 1 N NaOH a t 2 5 Cf o l l o w e d b y 5% t r i c h l o r o a c e t i c a c i d a t 9 0 C )w i l l r e m o v e a l l t h e r h a m n o s e a n d g l u c o s e o r i g i -
n a l l y p r e s e n t , t o g e t h e r w i t h t y p i c a l t e i c h o i c a c i dc o m p o n e n t s , s u c h a s D - a l a n i n e , r i b i t o l , g l y c e r o l ,a n d p h o s p h o r u s . He d o e s n o t s t a t e w h e t h e r a n y
m u r a m i c a c i d w a s s i m u l t a n e o u s l y r e m o v e d b u t ,i n t h e l a t t e r t w o s t r a i n s , a m i n o s u g a r w a s a l s op r e s e n t i n t h e e x t r a c t s . T h e s e r e s u l t s a r e o p p o s e dt o t h e s u g g e s t i o n o f H a y a s h i a n d B a r k u l i s ( 6 0 )t h a t t h e h e x o s a m i n e - a m i n o a c i d u n i t s m ay b e
a t t a c h e d t o t h e r h a m n o s e p o l y s a c c h a r i d e r a t h e rt h a n t o e a c h o t h e r . A l t h o u g h t h e a l k a l i n e t r e a t -m e n t f o l l o w e d b y h o t t r i c h l o r o a c e t i c a c i d mayh a v e b e e n e n o u g h t o b r e a k s o m e c o v a l e n t l i n k a g e s
i n t h e m u c o p e p t i d e , i t s e e m s p r o b a b l e t h a tr h a m n o s e i s n o t a c o n s t i t u e n t o f t h e m u c o p e p t i d ei n t h e s e o r g a n i s m s . S u p p o r t f o r t h i s s u g g e s t i o nc o m e s f r o m t h e w o r k o f M c C a r t y ( 8 6 ) , w h o was
a b l e t o e x t r a c t a l l b u t 5% o f t h e r h a m n o s e t o -
g e t h e r w i t h s o m e o f t h e g l u c o s a m i n e b y u s i n gh o t f o r m a m i d e . N o n e o f t h e m u r a m i c a c i d was
e x t r a c t e d b y t h i s p r o c e d u r e .T h e p o s i t i o n o f t h e g l u c o s e i n t h e c e l l w a l l s o f
M . l y s o d e i k t i c u s , r e l a t i v e t o t h e m u c o p e p t i d e
c o m p o n e n t , i s n o t c l e a r . P e r k i n s a n d R o g e r s( 1 1 8 ) w e r e a b l e t o s h o w t h a t e v e n i n s m a l lf r a g m e n t s o f t h e c e l l w a l l , o b t a i n e d b y p a r t i a la c i d h y d r o l y s i s , g l u c o s e w a s s t i l l f i r m l y b o u n d t ot h e o t h e r t y p i c a l m u c o p e p t i d e c o m p o n e n t s . H o w -
e v e r , P e r k i n s ( 1 1 7 ) h a s s i n c e s h o w n t h a t m u c h o ft h e g l u c o s e c a n b e e x t r a c t e d b y h o t f o r m a m i d e
o r t r i c h l o r o a c e t i c a c i d , i n d i c a t i n g t h a t i t i s
p r e s e n t i n a n i n d e p e n d e n t p o l y m e r . T h i s p o l y m e r
a l s o c o n t a i n s l a r g e a m o u n t s o f a h i t h e r t o u n -
r e c o g n i z e d c o m p o n e n t w h i c h i s p r o b a b l yN - a c e t y l - 2 - a m i n o m a n n u r o n i c a c i d . I t s e e m s p o s -s i b l e t h a t i n t h e w h o l e s t r u c t u r e t h i s p o l y m e r
may b e c o v a l e n t l y b o u n d t o t h e m u c o p e p t i d e , b u ta t t h e p r e s e n t t i m e o n e c a n n o t b e c e r t a i n o f t h i s .L i b e r a t i o n o f t h e p o l y m e r b y t r e a t m e n t w i t h
t r i c h l o r o a c e t i c a c i d a t 3 5 C w a s n o t a c c o m p a n i e d
b y a n y g r e a t i n c r e a s e i n t h e n u m b e r o f f r e e a m i n o
g r o u p s i n t h e w h o l e d i g e s t , s o t h a t a h i g h p r o -p o r t i o n o f a m i d e l i n k a g e s i s r u l e d o u t . E s t e r
l i n k a g e s m i g h t w e l l h a v e b e e n b r o ke n u n d e r t h e s ec o n d i t i o n s . A f t e r t h e a c t i o n o f l y s o z y m e o n t h ew h o l e w a l l , t h e n o n d i f f u s i b l e p o r t i o n o f t h e d i g e s tc o n t a i n s a m i n o s u g a r s , a m i n o a c i d s , a n d p r a c -t i c a l l y a l l t h e g l u c o s e o r i g i n a l l y p r e s e n t ( 1 1 6 , 1 3 9 ) .
S a l t o n a n d G h u y s e n ( 1 4 4 ) t r e a t e d t h i s n o n -
d i f f u s i b l e f r a c t i o n w i t h a l m o n d , B - g l u c o s i d a s e , b u t
d o n o t r e c o r d t h a t a n y g l u c o s e w a s s e t f r e e . T h i s
i m p l i e s t h a t t h e g l u c o s e i s i n a c c e s s i b l e t o t h ee n z y m e , a s i t p r o b a b l y w o u l d b e i n a p o l y m e r ,
o r t h a t i t i s a l i n k e d .A n o t h e r c o m p o n e n t o f t h e c e l l w a l l s o f g r a m -
p o s i t i v e s p e c i e s w h i c h h a s b e e n o b s e r v e d o c -c a s i o n a l l y i s 0 - a c e t y l . A b r a m s ( 3 ) w a s a b l e t od e m o n s t r a t e t h e p r e s e n c e o f O - a c e t y l g r o u p s i nt h e c e l l w a l l s o f S . f a e c a l i s a n d a l s o i n t h e t r i -
c h l o r o a c e t i c a c i d p r e c i p i t a b l e f r a c t i o n o fE s c h e r i c h i a c o l i , B . s u b t i l i s , a n d S . a u r e u s . T h e
c e l l w a l l s o f h i s s t r a i n o f S . f a e c a l i s (ATCC 9 7 9 0 )
c o n t a i n e d a b o u t 1 . 1 % o f 0 - a c e t y l g r o u p s a n d
w e r e s u s c e p t i b l e t o t h e a c t i o n o f l y s o z y m e .
B r u m f i t t e t a l . ( 3 1 ) d e s c r i b e d t h e i s o l a t i o n o f a
l y s o z y m e - r e s i s t a n t s t r a i n o f M. l y s o d e i k t i c u s , a n dw e r e a b l e t o s h o w t h a t i t s w a l l s c o n t a i n e d a b o u t
1 m o l e o f O - a c e t y l f o r e a c h m u r a m i c a c i d r e s i d u e( 2 9 ) , w h e r e a s t h e s e n s i t i v e s t r a i n h a d n o d e -m o n s t r a b l e 0 - a c e t y l i n i t s w a l l s . T h e s e w o r k e r s
w e r e a l s o a b l e t o m a k e r e s i s t a n t c e l l s s e n s i t i v et o t h e e n z y m e b y a l k a l i n e t r e a t m e n t , a n d s e n s i -t i v e c e l l s r e s i s t a n t b y a c e t y l a t i o n w i t h a c e t i ca n h y d r i d e i n p y r i d i n e . I t i s n o t r e c o r d e d w h e t h e r
t h e c e l l s m a d e r e s i s t a n t b y i n v i t r o a c e t y l a t i o nw e r e o b s e r v e d t o b e f u l l y s e n s i t i v e a g a i n i f
0 - a c e t y l g r o u p s w e r e s u b s e q u e n t l y r e m o v e d b yt r e a t m e n t w i t h d i l u t e a l k a l i . I n s i m i l a r e x p e r i -m e n t s , u s i n g i s o l a t e d c e l l w a l l s o f l y s o z y m e -
s e n s i t i v e M. l y s o d e i k t i c u s , P e r k i n s ( 1 1 6 ) f o u n d
t h a t r e m o v a l o f t h e 0 - a c e t y l g r o u p s f r o m c h e m -
i c a l l y a c e t y l a t e d c e l l w a l l s d i d n o t f u l l y r e s t o r et h e i r l y s o z y m e s e n s i t i v i t y a s m e a s u r e d b y t h e
c o l o r r e a c t i o n u s e d b y B r u m f i t t e t a l . ( 3 1 ) . T h u s ,
t h e s i g n i f i c a n c e o f t h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n t h ec h e m i c a l a n d b i o l o g i c a l a c e t y l a t i o n o f t h e w a l l si s n o t c l e a r .
T E I C H O I c A C I D S
T h e o b s e r v a t i o n i n b a c t e r i a o f p o l y m e r i c
p h o s p h a t e c o m p o u n d s o t h e r t h a n n u c l e i c a c i d sd a t e s b a c k t o t h e w o r k o f M i t c h e l l ( 9 5 ) , w h o
o b s e r v e d t h a t S . a u r e u s D u n c a n c o n t a i n e d a n
e x c e s s o f o r g a n i c p h o s p h a t e o f s o m e 3 0 % o v e r
t h e amount o f p o l y n u c l e o t i d e p r e s e n t i n t h e
r i b o n u c l e i c a c i d f r a c t i o n o b t a i n e d b y t h e m e t h o d
o f S c h m i d t a n d T h a n n h a u s e r ( 1 5 1 ) . T h i s " e x c e s sp h o s p h a t e " o c c u r r e d w i d e l y i n g r a m - p o s i t i v eb a c t e r i a ( 9 7 ) , a n d t h e m a t e r i a l f r o m S . a u r e u s
w a s l a t e r s h o w n t o c o n s i s t l a r g e l y o f p o l y g l y c e r o -
2 7
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
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B A C T E R I O L . R E V .
p h o s p h a t e ( 9 8 ) , a l t h o u g h t h e r e w a s s o m e e v i d e n c e
t h a t a n u n k n o w n p o l y o l w a s a l s o p r e s e n t . F u r t h e r
w o r k ( 9 9 ) e s t a b l i s h e d t h a t 50 % o f t h i s p h o s p h a t e
p o l y m e r w a s c o n t a i n e d i n t h e c e l l " e n v e l o p e s "
t h a t h a d b e e n i s o l a t e d f r o m s o n i c a l l y d i s r u p t e d
b a c t e r i a , a n d w h i c h e l e c t r o n m i c r o s c o p y s h o w e dw e r e e q u i v a l e n t t o t h e c e l l w a l l s d e m o n s t r a t e d
b y D a w s o n ( 4 4 ) . T h e p r e p o n d e r a n c e o f t h ea m i n o a c i d s a l a n i n e , g l u t a m i c a c i d , g l y c i n e , a n d
l y s i n e w a s a l s o o n e o f t h e e a r l i e s t o b s e r v a t i o n so f t h e p e c u l i a r c o m p o s i t i o n o f t h i s f r a c t i o n i ng r a m - p o s i t i v e c e l l s . T h e s e a n d o t h e r o b s e r v a t i o n sl e d M i t c h e l l a n d M o y l e ( 1 0 1 ) t o p r o p o s e t h a t t h ee x c e s s p h o s p h a t e o c c u r r e d a s a p o l y m e r i n w h i c h
t h e 1 p o s i t i o n o f o n e g l y c e r o l r e s i d u e w a s l i n k e db y a p h o s p h a t e d i e s t e r b o n d t o t h e 3 p o s i t i o n o ft h e n e x t , a n d s o o n . T h e y s u g g e s t e d t h e n a m e
" p o s i t i c a c i d s " f o r s u c h c o m p o u n d s .
C o m p o s i t i o n a n d S t r u c t u r e
Much o f t h e s u c c e e d i n g w o r k o n t h e p h o s p h a t e
p o l y m e r s p r e s e n t i n t h e c e l l w a l l s o f g r a m - p o s i t i v eb a c t e r i a h a s b e e n d u e t o B a d d i l e y a n d h i s g r o u p .T h e i r i n t e r e s t i n t h i s f i e l d b e g a n w i t h t h e i s o l a t i o nf r o m L a c t o b a c i l l u s a r a b i n o s u s o f c y t i d i n e d i -p h o s p h a t e g l y c e r o l a n d c y t i d i n e d i p h o s p h a t e
r i b i t o l ( 1 5 , 1 9 ) . I t w a s c o n s i d e r e d t h a t s u c h
n u c l e o t i d e c o m p o u n d s m i g h t w e l l b e i n v o l v e d i nt h e s y n t h e s i s o f s o m e b i o l o g i c a l p o l y m e r , s i n c es i m i l a r c o m p o u n d s s u c h a s u r i d i n e d i p h o s p h a t eg l u c o s e a r e known t o f u n c t i o n i n t h i s w a y ( 1 6 6 ) .I t s o o n p r o v e d p o s s i b l e t o i s o l a t e p o l y m e r s c o n -t a i n i n g r i b i t o l p h o s p h a t e f r o m t h e c e l l w a l l s o fL . a r a b i n o s u s a n d o t h e r b a c t e r i a , a n d t h e y
n a m e d t h e s e p o l y m e r s t e i c h o i c a c i d s ( 1 2 ) . T h i s
name w a s l a t e r e x t e n d e d t o c o v e r s i m i l a r p o l y -m e r s i n w h i c h g l y c e r o l t o o k t h e p l a c e o f r i b i t o l( 1 3 ) . T h e c e l l w a l l s o f L . a r a b i n o s u s , B . s u b t i l i s ,a n d S . a u r e u s H w e r e f o u n d t o c o n t a i n 3 . 4 , 4 . 2 ,a n d 2 . 9 % p h o s p h o r u s , r e s p e c t i v e l y . S i n c e t h e
o n l y o r g a n i c p h o s p h a t e s d e t e c t e d i n a c i d h y -d r o l y s a t e s o f t h e w a l l s w e r e t h o s e e x p e c t e d f r o m
b r e a k d o w n o f t e i c h o i c a c i d s , i t w a s c o n c l u d e d
t h a t t h e p h o s p h o r u s c o n t e n t c o u l d b e u s e d a s a
m e a s u r e o f t h e a m o u n t o f t e i c h o i c a c i d p r e s e n t .C a l c u l a t i o n s b a s e d o n t h i s a s s u m p t i o n s u g g e s t e dv a l u e s o f 4 0 t o 60 % o r m o r e f o r t h e t e i c h o i c a c i dc o n t e n t o f t h e c e l l w a l l s s t u d i e d ( s e e a l s o 9 ) . I tp r o v e d p o s s i b l e t o e x t r a c t o n l y u p t o o n e - h a l f o ft h i s m a t e r i a l , u s i n g t h e i r s t a n d a r d p r o c e d u r e , a n d
i t w a s n o t p o s s i b l e t o s a y c o n c l u s i v e l y how b i g a
p r o p o r t i o n o f t h e w a l l s w a s f o r m e d b y t e i c h o i c
a c i d s . S u b s e q u e n t l y , i t w a s f o u n d t h a t , a l t h o u g h
t h e c e l l w a l l s o f L . c a s e i c o n t a i n e d 1 . 8 7 % p h o s -
p h o r u s ( a n a m o u n t e q u i v a l e n t t o t h e n o n e x t r a c t -a b l e p h o s p h o r u s i n o t h e r s t r a i n s ) , n o t e i c h o i ca c i d c o u l d b e e x t r a c t e d f r o m t h e m ( 7 8 ) . T h i s
p o i n t i s d i s c u s s e d f u r t h e r b e l o w . T h e m a t e r i a lu s e d f o r s t r u c t u r a l e x a m i n a t i o n w a s e x t r a c t e df r o m t h e c e l l w a l l s [ p r e p a r e d b y t h e m e t h o d o fS a l t o n a n d H o r n e ( 1 4 5 ) ] w i t h 10% t r i c h l o r o -a c e t i c a c i d a t 0 C a n d t h e n p r e c i p i t a t e d w i t h
a c e t o n e . T h e e x t r a c t e d m a t e r i a l r e p r e s e n t e d 1 0%
o f t h e w e i g h t o f t h e w a l l s p r e p a r e d f r o m L .a r a b i n o s u s a n d 4 . 4 % o f t h o s e p r e p a r e d f r o m S .a u r e u s ( 1 2 ) . C h e m i c a l s t u d i e s i n v o l v i n g a c i d a n d
a l k a l i n e h y d r o l y s i s , u s e o f , B - g l u c o s i d a s e , a n d
r e a c t i o n w i t h a m m o n i a l e d t h e a u t h o r s t o s u g g e s tt h a t , f u n d a m e n t a l l y , t h e t e i c h o i c a c i d s c o n s i s t e d
o f r i b i t o l u n i t s j o i n e d b y p h o s p h a t e r e s i d u e s a n ds u b s t i t u t e d b y g l u c o s y l r e s i d u e s ( L . a r a b i n o s u sa n d B . s u b t i l i s ) o r N - a c e t y l g l u c o s a m i n y l r e s i d u e s( S . a u r e u s ) . E a c h r e p e a t i n g u n i t w a s f u r t h e rs u b s t i t u t e d w i t h a l a n i n e b y a n e x c e p t i o n a l l ya l k a l i - l a b i l e e s t e r l i n k a g e . F u r t h e r w o r k o n t h et e i c h o i c a c i d f r o m L . a r a b i n o s u s ( 7 ) s h o w e d t h a tm o s t o f t h e g l u c o s e w a s p r e s e n t a s a n a - g l u c o s i d el i n k e d t o t h e p o s i t i o n 4 o f D - r i b i t o l . A s m a l lp r o p o r t i o n , a p p e a r i n g i n a l k a l i n e h y d r o l y s a t e sf r o m w h i c h p h o s p h a t e h a d b e e n r e m o v e d b y
p h o s p h a t a s e , o c c u r r e d a s 3 : 4 - d i - O - ( a - g l u c o p y r a n -o s y l ) - D - r i b i t o l , a n d y e t m o r e a s 3 - O - a - g l u c o -p y r a n o s y l - D - r i b i t o l , t h o u g h t h i s may h a v e a r i s e nb y b r e a k d o w n o f t h e d i g l u c o s i d e . T h e p r e s e n c e
o f t h e s e v a r i a t i o n s i n s t r u c t u r e i s e x t r e m e l y i n t e r -
e s t i n g i n v i e w o f t h e i n c r e a s i n g a c c u m u l a t i o n o f
e v i d e n c e t h a t t e i c h o i c a c i d s a r e i n v o l v e d i n t h ei m m u n o l o g i c a l s p e c i f i c i t y o f b a c t e r i a ( 5 9 , 1 4 9 ) .
E l u c i d a t i o n o f t h e s t r u c t u r e o f s e v e r a l t e i c h o i ca c i d s h a s f o r m e d t h e s u b j e c t o f many s t u d i e s( F i g . 6 ) . T h u s , B a d d i l e y a n d N e u h a u s ( 2 0 )s h o w e d t h a t t h e a l a n y l r e s i d u e s i n t h e t e i c h o i c
a c i d s f r o m L . a r a b i n o s u s a n d S . a u r e u s w e r e i nt h e D c o n f i g u r a t i o n a l s o f o u n d i n b a c t e r i a l muco-
p e p t i d e s . C h e m i c a l s t u d i e s o n t h e t e i c h o i c a c i df r o m B . s u b t i l i s i n d i c a t e d t h a t t h e p h o s p h o - d i e s t e rl i n k a g e s i n t h e p o l y m e r w e r e o n p o s i t i o n s 1 a n d 5
o f t h e D - r i b i t o l r e s i d u e s , w i t h g l u c o s e p r o b a b l ys u b s t i t u t e d a t p o s i t i o n 4 . A l k a l i n e h y d r o l y s i sg a v e a m i x t u r e o f m o n o p h o s p h a t e s o f g l u c o s y l -r i b i t o l , f r o m w h i c h a l l t h e g l u c o s e c o u l d b e r e -
m o v e d b y i n c u b a t i o n w i t h , - g l u c o s i d a s e . H e n c e ,i t w a s c o n c l u d e d t h a t i n t h e t e i c h o i c a c i d f r o m
B . s u b t i l i s , u n l i k e t h a t f r o m L . a r a b i n o s u s ( 1 2 ) ,
2 8 PERKINS
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
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V O L . 2 7 , 1 9 6 3 BACTERIAL CELL WALLS, STRUCTURE AND BIOSYNTHESIS
T e i c h o i c acd from t he c e l l m a l l s of B . subtile ( 9 )
C H 3 N C H I CH
G~~~f 2~ c2H . M 2 CH 2 C O H 2OH O H
0 O K0
H O . P . 0 O H 2 | 2.P.OH | C O H 2 0 P . O C 2 - | HaOH
FIG. 6 . I n t r a c e l l u l a r t e i c h o i c a c i d f r o m L a c t o b a c i l l u s c a s e i ( 7 8 ) .
t h e g l u c o s i d i c l i n k i s A i n c o n f i g u r a t i o n ( 8 ) .S i m i l a r w o r k w i t h t h e t e i c h o i c a c i d f r o m S . a u r e u s
H ( 1 7 ) h a s s h o w n t h a t t h e N - a c e t y l g l u c o s a m i n e
r e s i d u e s a r e a t t a c h e d t o t h e 4 - p o s i t i o n o f D - r i b i t o la n d t h a t , a l t h o u g h much o f t h i s h e x o s a m i n e i s1 l i n k e d , a v a r i a b l e p r o p o r t i o n o f a l i n k a g e a l s oo c c u r s . A p a r a l l e l s t u d y o n S . a u r e u s C o p e n h a g e n
( 1 4 9 ) a l s o l e d t o t h e c o n c l u s i o n t h a t a b o u t 15%o f t h e N - a c e t y l g l u c o s a m i n e r e s i d u e s w e r e a t -t a c h e d b y a l i n k a g e s ; f u r t h e r m o r e , e v i d e n c e w a so b t a i n e d s u g g e s t i n g t h a t i t w a s t h e s e g r o u p s
w h i c h w e r e , i n f a c t , r e s p o n s i b l e f o r t h e i m m u n o -l o g i c a l s p e c i f i c i t y o f t h e b a c t e r i a .
I t h a s b e e n s u g g e s t e d t h a t t h e h i g h l y r e a c t i v ea l a n i n e e s t e r g r o u p s i n t e i c h o i c a c i d f r o m B .
s u b t i l i s a r e a t t a c h e d t o t h e h y d r o x y l g r o u p s o ft h e r i b i t o l ( 9 , 1 0 ) . I t h a d b e e n t h o u g h t e a r l i e r( 1 2 ) t h a t s i n c e , i n t h e p r e s e n c e o f t h e a l a n y lr e s i d u e s , p e r i o d a t e o x i d a t i o n a t pH 4 . 5 f o r 2 4 h r
c a u s e d t h e d i s a p p e a r a n c e o f d e m o n s t r a b l e r i b i t o l ,t h e a l a n i n e e s t e r g r o u p s m u s t b e a t t a c h e d t o t h eg l u c o s e , j u s t a s i n S . a u r e u s C o p e n h a g e n i t a p -p e a r e d t h a t t h e a l a n i n e m u s t b e l i n k e d t o C - 6 o ft h e N V - a c e t y l g l u c o s a m i n e r e s i d u e s ( 1 4 9 ) . H o w e v e r ,f u r t h e r w o r k w i t h p e r i o d a t e ( 1 0 ) i n a c e t a t e b u f f e r( p H 5 . 8 ) l e d t o t h e c o n c l u s i o n t h a t t h e p r e s e n c eo f t h e a l a n i n e r e s i d u e s b l o c k e d d e s t r u c t i o n o f t h er i b i t o l ; i t w a s t h e r e f o r e c o n c l u d e d t h a t t h ea l a n i n e m u s t b e a t t a c h e d d i r e c t l y t o t h e p o l y o lr a t h e r t h a n t o t h e g l u c o s e . P r o b a b l y , t h e l o w e r
pH v a l u e u s e d f o r m e r l y h a d l e d t o h y d r o l y s i s o f
t h e l a b i l e e s t e r l i n k a g e s o f t h e D - a l a n i n e . T h ee x t r e m e r e a c t i v i t y o f t h e a l a n y l r e s i d u e s i s
c l e a r l y e s t a b l i s h e d . K e l e m e n a n d B a d d i l e y ( 7 8 )c o m p a r e d t h e s t a b i l i t y o f v a r i o u s c o m p o u n d sc o n t a i n i n g l a b i l e a l a n i n e . A t pH 7 . 2 i n 0 . 1 Mh y d r o x y l a m i n e s o l u t i o n a t 3 7 C , t h e h a l f - l i f eo f a l a n i n e e t h y l e s t e r w a s 8 0 m i n , w h e r e a s t h a t
o f t h e a l a n i n e r e s i d u e s i n g l y c e r o l t e i c h o i c a c i dw a s 3 . 5 m i n a n d i n r i b i t o l t e i c h o i c a c i d , 5 m i n( 1 3 ) . T h e s e l o w v a l u e s w e r e c o m p a r e d w i t h t h a t
o f 3 m i n o b t a i n e d f o r a m i n o a c i d - e s t e r l i n k a g e si n s o l u b l e r i b o n u c l e i c a c i d [ p H 7 . 2 , 3 0 C , 0 . 8 Mh y d r o x y l a m i n e ( 2 5 ) ] . T h e p r e s e n c e i n a b i o l o g i c a ls y s t e m o f a b o n d a s l a b i l e a s t h i s t e n d s t o i m p l yt h a t i t h a s s o m e s p e c i a l f u n c t i o n i n m e t a b o l i s m .
A t t h e p r e s e n t , i n v e s t i g a t i o n s o n t h i s p o i n t h a v e
n o t b e e n p u b l i s h e d , b u t i t s e e m s l i k e l y t h a t s o m e
s u c h f u n c t i o n w i l l e v e n t u a l l y c o m e t o l i g h t . Ap o s s i b l e i n v o l v e m e n t o f t h e l a b i l e a l a n i n e g r o u p
o f t e i c h o i c a c i d i s d i s c u s s e d i n t h e s e c t i o n o nb i o s y n t h e s i s o f c e l l w a l l s .
I t w a s a l s o r e p o r t e d t h a t t h e w a l l s o f s o m e
l a c t o b a c i l l i a n d s t a p h y l o c o c c i c o n t a i n e d a g l y c e r o lt e i c h o i c a c i d ( 9 , 1 3 ) , a n o b s e r v a t i o n c o n f i r m i n gt h a t o f M i t c h e l l a n d M o y l e ( 9 8 ) . A d e t a i l e d s t u d y( 1 8 ) o f s e v e r a l s t r a i n s o f l a c t o b a c i l l i s h o w e d t h a t ,i n a l l t h e s t r a i n s e x a m i n e d , g l y c e r o l t e i c h o i c a c i dw a s a c o m p o n e n t o f t h e c e l l c o n t e n t s , w h e r e a s
t h e c e l l w a l l s c o n t a i n e d g l y c e r o l t e i c h o i c a c i d ,r i b i t o l t e i c h o i c a c i d , o r n e i t h e r o f t h p s e .
C l e a r l y , t h e r e f o r e , t e i c h o i c a c i d s a r e n o t c o m -
2 9
" C E 2 0
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B A C T E R I O L . R E v .
p o u n d s p e c u l i a r t o t h e c e l l w a l l s i n t h e w a y t h a tm u c o p e p t i d e s a p p a r e n t l y a r e . I t i s i n t e r e s t i n g t on o t e t h a t , d e s p i t e t h e a b s e n c e o f t e i c h o i c a c i d ,t h e i s o l a t e d c e l l w a l l s o f L . c a s e i ATCC 7 4 6 9 s t i l l
c o n t a i n e d 1 . 8 7 % o f o r g a n i c a l l y b o u n d p h o s p h a t e
( 7 8 ) . P e r h a p s t h i s may b e r e l a t e d t o t h e m u r a m i ca c i d p h o s p h a t e w h i c h A g r e n a n d d e V e r d i e r ( 4 )
d e s c r i b e d i n p r e p a r a t i o n s f r o m c e l l s o f L . c a s e i .T h i s m a t e r i a l w a s i s o l a t e d f r o m w h o l e c e l l s f r o m
w h i c h f a t s a n d n u c l e i c a c i d s h a d b e e n e x t r a c t e d ,l e a v i n g c e l l " p r o t e i n " w h i c h w o u l d a l s o c o n t a i nt h e c e l l w a l l . B e c a u s e o f i t s r e l a t i v e a c i d s t a b i l i t y ,i t w a s t h o u g h t t o b e m u r a m i c a c i d - 6 - p h o s p h a t e .T h e y i e l d w a s o n l y 1 5 0 mg f r o m a b o u t 1 k g o fc e l l s ( e q u i v a l e n t t o a b o u t 1 6 0 g o f " p r o t e i n " )b u t , s i n c e t h e i s o l a t i o n p r o c e d u r e i n v o l v e d a c i dh y d r o l y s i s , t h e r e may w e l l h a v e b e e n c o n s i d e r a b l el o s s e s .
T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t e i c h o i c a c i d s a n d
o t h e r c o n s t i t u e n t s o f t h e c e l l w a l l s o f g r a m - p o s i -t i v e b a c t e r i a i s o p e n t o s p e c u l a t i o n . T h e f a c tt h a t t h e s e a c i d i c p o l y m e r s c a n b e e x t r a c t e d b y
s u c h a r e l a t i v e l y m i l d p r o c e d u r e , s u c h a s t r e a t -m e n t w i t h 1 0% t r i c h l o r o a c e t i c a c i d i n t h e c o l d ,m a k e s i t s e e m u n l i k e l y t h a t t h e y a r e c o v a l e n t l yb o u n d t o t h e i n s o l u b l e m u c o p e p t i d e c o m p o n e n t ,
u n l e s s t h e l i n k a g e i s o f u n u s u a l a c i d l a b i l i t y .I n d e e d , A r c h i b a l d e t a l . ( 6 ) b e l i e v e t h a t t h e
t e i c h o i c a c i d s m u s t b e b o u n d t o t h e m u c o p e p t i d eb y i o n i c l i n k a g e s , s i n c e a n y a m i d e l i n k a g e t o t h ea l a n i n e w o u l d h a v e t o b e e v e n m o r e a c i d - l a b i l et h a n t h e e s t e r l i n k , w h i c h i n t u r n b i n d s t h ea l a n i n e t o t h e t e i c h o i c a c i d i t s e l f . F u r t h e r m o r e ,
t h e y w e r e a b l e t o s h o w t h a t m o s t o f t h e a l a n i n ec o u l d b e i s o l a t e d i n t h e f o r m o f a l a n i n e a m i d e i f
t h e c e l l w a l l s w e r e t r e a t e d w i t h a q u e o u s a m m o n i a .
M a n d e l s t a m a n d S t r o m i n g e r ( 9 3 ) , h o w e v e r , c o n -
t e n d t h a t i n t h e w h o l e w a l l o f S . a u r e u s C o p e n -
h a g e n a b o u t t w o - t h i r d s o f t h e t o t a l a m i n o g r o u p s
o f t h e t e i c h o i c a c i d a l a n i n e a r e b o u n d i n s u c h a
w a y a s t o b e i n a c c e s s i b l e t o t h e a c t i o n o f f l u o r o -d i n i t r o b e n z e n e . T h e y s u g g e s t t h a t t h i s D - a l a n i n er e s i d u e i s i d e n t i c a l w i t h t h e t e r m i n a l r e s i d u e o f
t h e P a r k p e p t i d e , a s s u m e d t o b e a p r e c u r s o r o f
m u c o p e p t i d e s y n t h e s i s . P r o l o n g e d e x t r a c t i o n w i t h
c o l d t r i c h l o r o a c e t i c a c i d r e m o v e d t h i s a l a n i n et o g e t h e r w i t h t h e t e i c h o i c a c i d , l e a v i n g o n l y o n e
D - a l a n i n e a n d o n e L - a l a n i n e r e s i d u e a s s o c i a t e dw i t h e a c h g l u t a m i c a c i d o f t h e r e s i d u a l m u c o -
p e p t i d e . T h e a u t h o r s a c c o u n t f o r t h i s r e s u l t b y
a s s u m i n g t h a t t h e p e p t i d e b o n d b e t w e e n t h e t w o
D - a l a n i n e r e s i d u e s i s e x c e p t i o n a l l y l a b i l e t o 10%
t r i c h l o r o a c e t i c a c i d a t 0 C , s i n c e h a r d l y a n y o t h e ra m i n o g r o u p s a r e l i b e r a t e d . I t i s , o f c o u r s e ,p o s s i b l e t h a t t h e i n a c c e s s i b i l i t y o f t h e t e i c h o i ca c i d a l a n i n e t o t h e a c t i o n o f f l u o r o d i n i t r o b e n z e n ew a s d u e t o s t e r i c f a c t o r s p r e v e n t i n g t h e a p p r o a c h
o f s u c h a l a r g e m o l e c u l e . O n e w o u l d l i k e t o k n o ww h e t h e r t h e a m i n o g r o u p s i n t h e s e c e l l w a l l sw o u l d p r o v e t o b e t i t r a t a b l e .
G h u y s e n ( 5 5 ) f o u n d t h a t c o l d t r i c h l o r o a c e t i ca c i d e x t r a c t i o n l e f t much p o l y o l p h o s p h a t e i n t h ew a l l s o f B . m e g a t e r i u m KM. T h i s m a t e r i a l w a s
p r e s e n t i n t h e n o n d i f f u s i b l e f r a c t i o n o f l y s o z y m e
d i g e s t s . O n e f r a c t i o n o f t h i s , w h i c h r a n a s a s i n g l es p o t o n p a p e r e l e c t r o p h o r e s i s a t pH 4 , c o n t a i n e dp h o s p h o r u s , g l u c o s e , g l u c o s a m i n e , m u r a m i c a c i d ,a n d a m i n o a c i d s a s w e l l a s , p r e s u m a b l y , p o l y o l .S t r e p t o m y c e s e n z y m e s F 1 a n d F 2 B ( s e e S t r e p t o -m y c e s F 2 B E n z y m e ) d e c o m p o s e d t h e m u c o p e p t i d e
c o m p o n e n t s , l e a v i n g p o l y o l p h o s p h a t e a s s o c i a t e dw i t h a b o u t 2 m o l e s e a c h o f N - a c e t y l g l u c o s a m i n e
a n d g l u c o s e . On t h e b a s i s o f r e s u l t s o b t a i n e d b y
e n z y m a t i c a n d a c i d h y d r o l y s i s , G h u y s e n p r o p o s e s
a s t r u c t u r e i n w h i c h t h e m u c o p e p t i d e c o m -
p o n e n t s a r e l i n k e d t o t h e g l u c o s e m o l e c u l e s o ft h e t e i c h o i c a c i d m o i e t y , e i t h e r b y a g l y c o s i d i cl i n k f r o m m u r a m i c a c i d o r a l t e r n a t i v e l y b y a n
a m i n o a c i d - e s t e r l i n k . T h e v a l i d i t y o f t h e s e s u g -g e s t i o n s d e p e n d s o n t h e h o m o g e n e i t y o f t h e
o r i g i n a l c o m p l e x f r a c t i o n .I t i s c l e a r f r o m t h e a b o v e d i s c u s s i o n t h a t t h el i n k a g e b e t w e e n t e i c h o i c a c i d s a n d m u c o p e p t i d e s
i s l i k e l y t o b e t h e s u b j e c t o f c o n s i d e r a b l e i n v e s t i -g a t i o n i n t h e n e a r f u t u r e .
P O L Y S A C C H A R I D E S
From t h e w o r k o f C u m m i n s a n d H a r r i s ( 3 9 )a n d o t h e r s , i t w a s a p p a r e n t t h a t t h e i s o l a t e d c e l l
w a l l s o f many g r a m - p o s i t i v e b a c t e r i a c o n t a i n e dn o n a m i n o s u g a r s . I n t h e l i g h t o f i n f o r m a t i o n no w
a v a i l a b l e a b o u t t h e m u c o p e p t i d e c o m p o n e n t , i t
s e e m s p o s s i b l e t h a t s u c h s u g a r s m i g h t c o r r e s p o n dw i t h p o l y s a c c h a r i d e m a t e r i a l i n d e p e n d e n t o f t h em u c o p e p t i d e ; i n t h e s a m e w a y , s o m e o f t h eg l u c o s a m i n e a n d g a l a c t o s a m i n e r e p o r t e d m i g h t
b e p r e s e n t i n m u c o p o l y s a c c h a r i d e s n o t c o n t a i n i n gm u r a m i c a c i d . A s e a r l y a s 1 9 5 1 , H o l d s w o r t h
s e p a r a t e d m a t e r i a l c o n t a i n i n g g a l a c t o s e , m a n n o s e ,
a n d a r a b i n o s e f r o m t h e c e l l w a l l s o f C o r y n e -b a c t e r i u m d i p h t h e r i a e ( 6 2 ) . U n d o u b t e d l y , p o l y -s a c c h a r i d e s a s s o c i a t e d w i t h t h e i m m u n o l o g i c a lg r o u p s p e c i f i c i t y o f v a r i o u s s t r a i n s w e r e a s s o c i -
a t e d w i t h t h e s u r f a c e l a y e r s o f t h e c e l l s ( 1 7 3 ) ,
3 0 PERKINS
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
http://slidepdf.com/reader/full/biosyn-of-cell-wall 14/38
V O L . 2 7 , 1 9 6 3 BACTERIAL CELL WALLS, STRUCTURE AND BIOSYNTHESIS
a n d s u c h m a t e r i a l m i g h t w e l l a p p e a r i n i s o l a t e dw a l l f r a c t i o n s . I t i s e v i d e n t f r o m t h e w o r k o fB a d d i l e y o n t h e t e i c h o i c a c i d s t h a t , f o r i n s t a n c e ,t h e g l u c o s e f o u n d i n many c e l l w a l l s i s a t t r i b u t -
a b l e t o t h e s e c o m p o n e n t s , b u t o f c o u r s e t h i s d o e sn o t e x c l u d e t h e p r e s e n c e o f g l u c o s e o r o t h e rs u g a r s i n p o l y g l y c o s i d i c c o m p o u n d s . F o r i n s t a n c e ,G h u y s e n ( 5 5 ) f o u n d t h a t t h e i s o l a t e d c e l l w a l l so f B . m e g a t e r i u m KM c o n t a i n , i n a d d i t i o n t om u c o p e p t i d e a n d t e i c h o i c a c i d s , 6% o f t h e i rw e i g h t a s a g l u c o s e p o l y m e r .
S o m e o f t h e b e s t e v i d e n c e f o r t h i s t y p e o fp o l y s a c c h a r i d e i n c e l l - w a l l p r e p a r a t i o n s i s d e r i v e df r o m w o r k o n s t r e p t o c o c c i . T h e w a l l s i s o l a t e df r o m t h e o r g a n i s m s b y d i s i n t e g r a t i o n a n d d i f f e r -e n t i a l c e n t r i f u g i n g c o n t a i n t h e t y p e - s p e c i f i c M
p r o t e i n d e s c r i b e d b e l o w , b u t t h i s c a n b e r e m o v e db y t r e a t m e n t w i t h p r o t e o l y t i c e n z y m e s . M c C a r t y
( 8 4 , 8 5 ) u s e d a n e n z y m e o b t a i n e d f r o m c u l t u r ef i l t r a t e s o f S t r e p t o m y c e s a l b u s t o d e g r a d e t h e c e l l
w a l l s o f g r o u p A h e m o l y t i c s t r e p t o c o c c i a n d i s o -l a t e d a c a r b o h y d r a t e f r a c t i o n , c o n s i s t i n g m a i n l y
o f r h a m n o s e a n d g l u c o s a m i n e t o g e t h e r w i t h
s m a l l a m o u n t s o f a m i n o a c i d s . T h i s m a t e r i a l
c o r r e s p o n d e d t o t h e g r o u p C p o l y s a c c h a r i d e o ft h e s e o r g a n i s m s . L a t e r , H a y a s h i a n d B a r k u l i s ( 6 0 )o b t a i n e d t h e C p o l y s a c c h a r i d e b y a s i m i l a r p r o -c e d u r e a n d a l s o p u r i f i e d i t f u r t h e r b y a d s o r p t i o no n t o c h a r c o a l a n d e l u t i o n w i t h a q u e o u s e t h a n o l .T h e y f o u n d t h a t t h i s m a t e r i a l c o n t a i n e d 1 2m o l e s o f g l u c o s a m i n e a n d 1 6 m o l e s o f r h a m n o s e
f o r e a c h 4 m o l e s o f a l a n i n e , a n d 1 m o l e e a c h o fl y s i n e a n d g l u t a m i c a c i d . T h e y p o i n t e d o u t t h a tt h e m o l a r r a t i o s o f t h e s e a m i n o a c i d s i n t h ee n z y m a t i c a l l y i s o l a t e d p o l y s a c c h a r i d e w e r e t h es a m e a s i n t h e m u c o p e p t i d e o f t h e r e s i d u a l c e l lw a l l . I t i s i n t e r e s t i n g t o c o m p a r e t h i s r e s u l t w i t h
t h e w o r k o n t h e p o l y s a c c h a r i d e d e r i v e d f r o m B .
a n t h r a c i s ( s e e b e l o w ) . M c C a r t y ( 8 6 ) w a s a l s o
a b l e t o i s o l a t es i m i l a r
m a t e r i a lf r o m
t h e w a l l s o fs t r e p t o c o c c i b y u s i n g h o t f o r m a m i d e a s d e s c r i b e db y F u l l e r ( 4 8 ) . F u r t h e r m o r e , h e s h o w e d t h a t t h ee x t r a c t e d m a t e r i a l d i d n o t c o n t a i n a n y o f t h em u r a m i c a c i d p r e s e n t i n t h e w h o l e c e l l w a l l s .I k a w a ( 6 4 ) u s e d a n o t h e r m e t h o d o f e x t r a c t i o n ,n a m e l y , 0 . 1 N NaOH a t r o o m t e m p e r a t u r e f o l -l o w e d b y 5% t r i c h l o r o a c e t i c a c i d a t 9 0 C , a n d
o n c e m o r e r e m o v e d a l l t h e r h a m n o s e - g l u c o s a m i n e
p o l y m e r , t o g e t h e r w i t h t h e t e i c h o i c a c i d w h i c h
w a s a l s o p r e s e n t . I t s e e m s c l e a r , t h e r e f o r e , t h a ti n t h e w a l l s o f s t r e p t o c o c c i t h e r e i s a r h a m n o s e -
g l u c o s a m i n e p o l y m e r w h i c h i s i n d e p e n d e n t o f t h e
m u c o p e p t i d e c o m p o n e n t , t h o u g h w h e t h e r i n t h ew h o l e w a l l s t r u c t u r e t h e t w o a r e i n s o m e way
b o u n d t o g e t h e r i s n o t c l e a r a t p r e s e n t . T h e p r o -c e d u r e s u s e d ( f o r m a m i d e t r e a t m e n t a t 1 5 0 C ,
t r i c h l o r o a c e t i c a c i d e x t r a c t i o n a t 9 0 C , a n de x t e n s i v e d i s s o l u t i o n o f t h e w a l l w i t h e n z y m e s o fS . a l b u s ) h a v e a l l b e e n f a i r l y d i s r u p t i v e s o t h a ts o m e l a b i l e c o v a l e n t b o n d s may h a v e b e e n b r o k e n .
A s h a s b e e n m e n t i o n e d e a r l i e r , C u m m i n s a n d
H a r r i s ( 4 0 ) d e m o n s t r a t e d t h a t t h e c e l l w a l l s o ft h e g e n u s A c t i n o m y c e s r e s e m b l e d t h o s e o f g r a m -
p o s i t i v e c o c c i i n t h e i r g e n e r a l c o m p o s i t i o n . I n
s e v e r a l s t r a i n s o f A . b o v i s , t h e c e l l w a l l s c o n -
t a i n e d r h a m n o s e , f u c o s e , a n d a n u n i d e n t i f i e ds u g a r c o m p o n e n t " P , " a s w e l l a s c h a r a c t e r i s t i cm u c o p e p t i d e c o n s t i t u e n t s . M a c L e n n a n ( 8 7 ) ,
u s i n g e x t r a c t i o n w i t h h o t f o r m a m i d e a s d e s c r i b e db y M c C a r t y ( 8 6 ) , o b t a i n e d f r o m t h e w a l l s o f A .
b o v i s NCTC 9 4 3 0 a n o t h e r p o l y s a c c h a r i d e w h i c h
w a s i n d e p e n d e n t o f t h e m u c o p e p t i d e c o m p o n e n t .
T h i s p o l y s a c c h a r i d e w a s r e m a r k a b l e i n t h a t i t
c o n t a i n e d a n i s o m e r o f r h a m n o s e , c h a r a c t e r i z e da s 6 - d e o x y - L - t a l o s e . 6 - D e o x y t a l o s e a n d r h a m n o s e
i n t h e m o l e c u l a r r a t i o o f 2 : 1 a c c o u n t e d f o r 75%o f t h e p u r i f i e d m a t e r i a l . I t c o n t a i n e d n o t m o r e
t h a n 5% o f t o t a l h e x o s e , a n d n o s u g a r a c i d sc o u l d b e d e t e c t e d . T h e p o l y s a c c h a r i d e c o n t a i n e do n l y 1 . 3 % o f n i t r o g e n , w h i c h w a s t h o u g h t t o
c o r r e s p o n d t o a s s o c i a t e d m u c o p e p t i d e . S i n c e t h em u c o p e p t i d e r e s i d u e c o n t a i n e d 1 1 . 7 % n i t r o g e n ,t h i s w o u l d r e p r e s e n t a c o n t a m i n a t i o n o f a b o u t
11% i n t h e e x t r a c t e d c a r b o h y d r a t e . I t i s n o t
p o s s i b l e t o s a y a t t h e moment w h e t h e r t h i sr e p r e s e n t s a s i m p l e c o n t a m i n a t i o n o r i f t h e p o l y -s a c c h a r i d e i s i n d e e d b o u n d t o a p o r t i o n o f t h em u c o p e p t i d e . I n t h i s c o n n e c t i o n , i t i s i n t e r e s t i n gt o n o t e t h a t , e v e n a f t e r t w o s u c c e s s i v e e x t r a c t i o n sw i t h f o r m a m i d e a t 1 5 0 C f o r 4 5 m i n , t h e s o l i dr e s i d u e s t i l l c o n t a i n e d 7 . 4 % o f d e o x y h e x o s e
e s t i m a t e da s r h a m n o s e , s o t h a t a p p a r e n t l y i t i so n l y w i t h d i f f i c u l t y t h a t t h e n e u t r a l s u g a r s c a n
b e s e p a r a t e d f r o m t h e m u c o p e p t i d e .
S o m e w h a t s i m i l a r o b s e r v a t i o n s h a v e b e e n m a d e
c o n c e r n i n g t h e p o l y s a c c h a r i d e o f B . a n t h r a c i s .T h i s s u b s t a n c e , f i r s t i s o l a t e d b y I v ~ n o v i c s ( 7 4 ) ,w a s f o u n d t o c o n t a i n 3 4% g a l a c t o s e a n d 34%g l u c o s a m i n e , e q u i v a l e n t t o a n i t r o g e n c o n t e n t o f2 . 6 6 % . S i n c e t h e t o t a l n i t r o g e n v a l u e w a s 4 . 2 %
a n d t h e a - c a r b o x y l a m i n o n i t r o g e n 0 . 8 % , o t h e rc o m p o u n d s c o n t a i n i n g n i t r o g e n w e r e a l s o c l e a r l yp r e s e n t . E s s e n t i a l l y s i m i l a r r e s u l t s w e r e o b t a i n e d
f o r p o l y s a c c h a r i d e f r o m c u l t u r e f i l t r a t e s ( 1 6 1 )
3 1
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
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B A C T E R I O L . R E V .
a n d f r o m f l u i d o b t a i n e d f r o m a n i m a l s i n f e c t e dw i t h B . a n t h r a c i s ( 1 5 9 ) . S m i t h a n d Z w a r t o u w
( 1 5 9 ) f o u n d t h e i r m a t e r i a l t o b e h o m o g e n e o u s ,
a n d h e n c e c o n c l u d e d t h a t t h e p e p t i d e m o i e t y
w a s f i r m l y b o u n d t o t h e p o l y s a c c h a r i d e . T o m e s i k
( 1 7 3 ) p o i n t e d o u t t h e c l o s e a s s o c i a t i o n o f t h i sp o l y s a c c h a r i d e w i t h t h e c e l l w a l l s , a n d S m i t h ,
S t r a n g e , a n d Z w a r t o u w ( 1 5 8 ) d e m o n s t r a t e d t h a ti n d e e d t h e p e p t i d e c o m p o n e n t c o n t a i n e d a l a n i n e ,a s p a r t i c a c i d , g l u t a m i c a c i d , g l y c i n e , a , e - d i -a m i n o p i m e l i c a c i d , a n d m u r a m i c a c i d a n d s u g -g e s t e d t h a t " t h e c e l l w a l l o f B . a n t h r a c i s c o n -
s i s t s - i n p a r t a t l e a s t - o f a c o m p o u n d o f t h ep o l y s a c c h a r i d e a n d t h e ' c e l l - w a l l p e p t i d e ' . " T h e
p r e s e n c e o f t h i s m a t e r i a l i n c u l t u r e f i l t r a t e s i s
s t r i k i n g . E i t h e r i t s p r e s e n c e w a s d u e t o s o m e
d e g r e e o f b a c t e r i a l l y s i s , p e r h a p s o f t h e w a l lf r a c t i o n a l o n e , o r t h e b a c t e r i a i n c e r t a i n c i r c u m -
s t a n c e s s e c r e t e i n t o t h e m e d i u m a p o l y s a c c h a r i d ew h i c h c o n t a i n s m u c o p e p t i d e a s a n i n t e g r a l p a r t
o f i t s s t r u c t u r e . I t w o u l d b e o f g r e a t i n t e r e s t t ok n o w ( i ) w h e t h e r t h e m u c o p e p t i d e m o i e t y i s
i n d e e d c o v a l e n t l y b o u n d t o t h e g a l a c t o s e - g l u c o s -a m i n e p o l y m e r i n a f i x e d p r o p o r t i o n a n d ( i i )
w h e t h e r o t h e r b a c t e r i a s e c r e t e s i m i l a r p e p t i d e -p o l y s a c c h a r i d e i n t o t h e m e d i u m .
I n c o n n e c t i o n w i t h t h e v a r i a b l e p r e s e n c e o fp o l y s a c c h a r i d e i n c e l l w a l l s , i t i s i n t e r e s t i n g t o
n o t e t h a t Y o s h i d a e t a l . ( 1 8 0 ) f o u n d t h a t , w h e r e a st h e w a l l s o f v e g e t a t i v e c e l l s o f B . c e r e u s c o n t a i n e dg a l a c t o s e , g l u c o s e , a n d x y l o s e , s p o r e c o a t s f r o m
t h e s a m e s t r a i n d i d n o t c o n t a i n t h e s e s u g a r s ,a l t h o u g h t h e i r a m i n o a c i d c o m p o s i t i o n w a s s i m i -l a r .
A m u c o p o l y s a c c h a r i d e e x t r a c t e d f r o m t h e c e l lw a l l s o f B . s u b t i l i s h a s b e e n d e s c r i b e d b y J a n e z u r a
P e r k i n s , a n d R o g e r s ( 7 5 ) . When t h e w a l l s o f t h i so r g a n i s m , p r e p a r e d b y m e c h a n i c a l d i s i n t e g r a t i o na n d e n z y m e t r e a t m e n t a c c o r d i n g t o t h e m e t h o d
o f C u m m i n s a n d H a r r i s ( 3 9 ) , w e r e e x t r a c t e dw i t h 5% t r i c h l o r o a c e t i c a c i d e i t h e r a t 4 o r 3 7 C ,t h e e x t r a c t c o n t a i n e d n o t o n l y t e i c h o i c a c i d b u t
a l s o a m u c o p o l y s a c c h a r i d e c o m p o s e d o f e q u i -m o l e c u l a r q u a n t i t i e s o f g l u c u r o n i c a c i d a n d
N V - a c e t y l g a l a c t o s a m i n e . T h i s m a t e r i a l , c a l l e dt e i c h u r o n i c a c i d b y t h e a u t h o r s , r e s e m b l e d i nc o m p o s i t i o n t h e c h o n d r o i t i n o f D a v i d s o n a n d
M e y e r ( 4 2 ) . H o w e v e r , i t s p o s i t i v e o p t i c a l r o -
t a t i o n , l a b i l i t y t o h y d r o l y s i s , r e s i s t a n c e t o t e s -t i c u l a r h y a l u r o n i d a s e , a n d i n f r a r e d a b s o r p t i o n a t8 5 0 c m ' - s u g g e s t e d t h a t i t s g l y c o s i d i c l i n k a g e s
w e r e a r a t h e r t h a n(
i n c o n f i g u r a t i o n . When t h e
c e l l w a l l s w e r e t r e a t e d w i t h l y s o z y m e , t h i s m a -
t e r i a l p a s s e d i n t o s o l u t i o n t o g e t h e r w i t h t h e
m u c o p e p t i d e m a t e r i a l b u t i t s e e m s l i k e l y t h a t t h e
t e i c h u r o n i c a c i d w a s m e r e l y l i b e r a t e d i n t o s o -l u t i o n , r a t h e r t h a n b e i n g a t t a c k e d b y t h e e n z y m e .
O n c e a g a i n , t h e r e f o r e , t h e s t r u c t u r a l r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e p o l y s a c c h a r i d e c o m p o n e n t a n d t h e
m u c o p e p t i d e i s n o t c l e a r b u t t h e p r e s e n c e i n t h e
w a l l o f s u c h l a r g e e l e c t r o n e g a t i v e l y c h a r g e d
m o l e c u l e s c o u l d w e l l a l t e r i t s p r o p e r t i e s i n r e g a r dt o t h e t r a n s p o r t o f a n y c h a r g e d m a t e r i a l i n t o o ro u t o f t h e c e l l .
R e c e n t l y , i t w a s s h o w n t h a t t h e g l u c o s e o f t h ec e l l w a l l s o f M. l y s o d e i k t i c u s o c c u r s i n a p o l y -s a c c h a r i d e a s s o c i a t e d w i t h 2 - a m i n o m a n n u r o n i c
a c i d ( 1 1 7 ) . L i k e t h e t e i c h u r o n i c a c i d o f B . s u b t i l i s ,
t h e p o l y m e r h a s l a r g e n u m b e r s o f c a r b o x y l g r o u p sw h i c h w o u l d b e a v a i l a b l e f o r c o v a l e n t l i n k a g e s ,e i t h e r a s a m i d e s o r e s t e r s .
P R O T E I N S
I f p r o t e i n i s d e f i n e d a s m a c r o m o l e c u l a r m a t e r i a lc o n s i s t i n g m a i n l y o f a f u l l r a n g e o f a m i n o a c i d si n p o l y p e p t i d e l i n k a g e , t h e n i t i s e s t a b l i s h e d t h a t
t h e c e l l w a l l s o f many g r a m - p o s i t i v e b a c t e r i ai s o l a t e d b y t h e p r o c e d u r e o f S a l t o n a n d H o r n e
( 1 4 5 ) c o n t a i n n o p r o t e i n a t a l l . N e v e r t h e l e s s ,p r o t e i n i s p r e s e n t i n t h e s u r f a c e l a y e r s o f s o m e
s p e c i e s . B a r k u l i s a n d J o n e s ( 2 3 ) , u s i n g g r o u p Ah e m o l y t i c s t r e p t o c o c c i t y p e 1 4 , s h o w e d t h a te x t r a c t i o n w i t h b o i l i n g w a t e r a t pH 2 r e m o v e d
p r o t e i n f r o m i s o l a t e d c e l l w a l l s w h i c h w a s a p -p a r e n t l y i d e n t i c a l i n a m o u n t a n d p r o p e r t i e s w i t h
t h e i m m u n o l o g i c a l l y t y p e - s p e c i f i c M p r o t e i n e x -t r a c t e d i n t h e s a m e w a y f r o m w h o l e c e l l s ( 8 1 ) .I f t h e u n t r e a t e d c e l l w a l l s w e r e i n c u b a t e d w i t h
t r y p s i n , t h i s m a t e r i a l w a s d e s t r o y e d , a n d t h es t r u c t u r e o f t h e r e s i d u a l m a t e r i a l o b s e r v e d i n t h ee l e c t r o n m i c r o s c o p e w a s u n a l t e r e d . T h u s , a l -
t h o u g h t h e t r y p s i n - s o l u b l e p r o t e i n r e p r e s e n t e ds o m e o f t h e w a l l m a t e r i a l , i t w a s n o t t h e c h i e fs t r u c t u r a l c o m p o n e n t . T h e s e p a r a t i o n o f t h ev a r i o u s c e l l - w a l l p o l y m e r s o b t a i n e d b y B a r k u l i sa n d J o n e s ( 2 3 ) w a s n o t s u f f i c i e n t l y s h a r p t o
i n d i c a t e t h e i r t y p e o f b i n d i n g w i t h i n t h e w h o l e
w a l l s t r u c t u r e . T h e M p r o t e i n p u r i f i e d b y a m -
monium s u l f a t e p r e c i p i t a t i o n c o n t a i n e d a n i r -
r e d u c i b l e p r o p o r t i o n o f 0 . 8 t o 1 . 5 % b o u n d
r h a m n o s e , b u t t h e s i g n i f i c a n c e o f t h i s o b s e r v a t i o ni s n o t c l e a r . S i m i l a r l y , a s t h e a u t h o r s p o i n t o u t ,a l t h o u g h t w o a c i d - h e a t e x t r a c t i o n s r e m o v e m o s t
o f t h e s e r o l o g i c a l l y r e a c t i v eM
p r o t e i nf r o m c e l l
3 2 PERKINS
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
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V O L . 2 7 , 1 9 6 3 BACTERIAL CELL WALLS, STRUCTURE AND BIOSYNTHESIS
w a l l s , t h e r e s i d u e s t i l l c o n t a i n s s o m e 7 5 % / ( o f t h e
p r o t e i n o r i g i n a l l y p r e s e n t , a n d t h i s m a t e r i a l mayb e m o r e i n t r i c a t e l y b o u n d . H o w e v e r , w h e n
M c C a r t y ( 8 5 ) o b t a i n e d c e l l w a l l s f r o m g r o u p A
s t r e p t o c o c c i b y m e c h a n i c a l d i s i n t e g r a t i o n o f t h e
c e l l s f o l l o w e d b y t r y p s i n t r e a t m e n t , h e o b t a i n e d
m a t e r i a l w i t h a v e r y h i g h p r o p o r t i o n o f c a r b o -
h y d r a t e a n d p r o b a b l y , t h e r e f o r e , r e l a t i v e l y s m a l l
a m o u n t s o f a s s o c i a t e d p r o t e i n . H a y a s h i a n d
B a r k u l i s ( 6 0 ) a l s o s t u d i e d t h e c o m p o s i t i o n o f t h e
c e l l w a l l s o f g r o u p A h e m o l y t i c s t r e p t o c o c c i a f t e r
t h e c e l l s h a d b e e n t r e a t e d w i t h t r y p s i n o r c h y m o -
t r y p s i n . On t h i s o c c a s i o n , t h e y f o u n d t h a t o f t h e
a m i n o a c i d s o n l y g l u t a m i c a c i d , a l a n i n e , a n d
l y s i n e w e r e p r e s e n t i n a p p r e c i a b l e q u a n t i t i e s . I t
s t i l l r e m a i n s p o s s i b l e t h a t t h e p r o t e i n c o m p o n e n t
i s c o v a l e n t l y b o u n d a t s o m e p o i n t t o t h e r e s t o f
t h e s t r u c t u r e .
T h e p r e s e n c e o f a l a r g e n u m b e r o f a m i n o a c i d s
i n t h e c e l l w a l l s o f g r a m - p o s i t i v e b a c i l l i h a s a l s o
b e e n d e s c r i b e d . S a l t o n ( 1 3 8 ) d e s c r i b e d t h e p r e s -
e n c e o f n i n e a m i n o a c i d s i n t h e w a l l s o f B .
s u b t i l i s , a n d Y o s h i d a e t a l . ( 1 8 0 ) f o u n d a l m o s t
t h e c o m p l e t e r a n g e o f a m i n o a c i d s i n t h e w a l l s o f
B . s u b t i l i s a n d B . c e r e u s . I n t h e s e e a r l y s t u d i e s ,t h e r e w a s n o d i f f e r e n t i a t i o n b e t w e e n m u c o p e p t i d e
a n d p r o t e i n c o m p o n e n t s . S a l t o n a n d M a r s h a l l
( 1 4 6 ) s h o w e d t h a t l y s o z y m e d i s s o l u t i o n o f t h e
w a l l s o f B . s u b t i l i s l e f t a n i n s o l u b l e r e s i d u e o f
a b o u t 7% o f t h e i r w e i g h t , a n d J a n e z u r a e t a l .
( 7 5 ) s h o w e d t h a t t h i s m a t e r i a l c o n t a i n e d a f u l l
r a n g e o f a m i n o a c i d s , w h e r e a s t h e p o r t i o n d i s -
s o l v e d b y l y s o z y m e c o n t a i n e d , a p a r t f r o m c a r b o -
h y d r a t e s , o n l y a l a n i n e , g l u t a m i c a c i d , a ( , e - d i -
a m i n o p i m e l i c a c i d , a n d a s m a l l p r o p o r t i o n o f
g l y c i n e . T h i s p r o t e i n s e e m s t o b e i n v a r i a b l yp r e s e n t i n t h e c e l l w a l l s o f B . s u b t i l i s , b u t t h ef a c t t h a t i t c a n b e f r e e d f r o m m u c o p e p t i d e a n d
o t h e r m a t e r i a l s b y l y s o z y m e d i g e s t i o n s u g g e s t st h a t i t i s n o t c o v a l e n t l y b o u n d t o t h e m . A c -
c o r d i n g t o S a l t o n ( 1 3 8 ) , t h e r e s i d u e a f t e r t h ea c t i o n o f l y s o zy m e u p o n t h e c e l l w a l l s o f B .
s u b t i l i s r e t a i n s t h e s h a p e o f t h e u n t r e a t e d w a l l s ,
a n d t h i s w o u l d s u g g e s t t h a t t h e p r o t e i n c o m -
p o n e n t i s d i s t r i b u t e d g e n e r a l l y e i t h e r a s a h o m o -
g e n e o u s l a y e r o r t h r o u g h o u t t h e w a l l s t r u c t u r e .A t t h e p r e s e n t t i m e , i t i s n o t k n o w n w h e t h e r i t
c o n s i s t s o f a s i n g l e p r o t e i n o r a n u m b e r o f d i f f e r e n tm o l e c u l e s , a n d i t s f u n c t i o n r e m a i n s u n k n o w n .
WALLS OF G R A M - N E G A T I V E O R G A N I S M S
A s s o o n a s p u r i f i e d b a c t e r i a l c e l l w a l l s b e c a m e
a v a i l a b l e f o r c h e m i c a l e x a m i n a t i o n , i t b e c a m e
a p p a r e n t t h a t g r a m - n e g a t i v e b a c t e r i a p o s s e s s e d
v e r y d i f f e r e n t w a l l s f r o m t h o s e o f g r a m - p o s i t i v es p e c i e s . I n p a r t i c u l a r , v a r i o u s s t u d i e s h a v e s h o w n
t h a t t h e f o r m e r c o n t a i n much m o r e l i p i d a n d
m u c h l e s s a m i n o s u g a r t h a n t h e l a t t e r . F u r t h e r -
m o r e , w h e r e a s t h e w a l l s o f g r a m - p o s i t i v e s p e c i e sc o n t a i n o n l y a f e w a m i n o a c i d c o n s t i t u e n t s , t h o s eo f g r a m - n e g a t i v e o r g a n i s m s h a v e a f u l l r a n g e o fa m i n o a c i d s p r e s e n t , p r e s u m a b l y c o r r e s p o n d i n g
t o n o r m a l p r o t e i n s t r u c t u r e s . T h e s e r e s u l t s h a v e
b e e n r e c e n t l y s u m m a r i z e d b y S a l t o n ( 1 4 2 ) . T h e
w a l l s o f g r a m - n e g a t i v e b a c t e r i a a l s o c o n t a i n c o n -s i d e r a b l e a m o u n t s o f p o l y s a c e h a r i d e r e s p o n s i b l e
f o r t h e a n t i g e n i c i t y o f " s m o o t h " s t r a i n s o f t h ep a r e n t b a c t e r i a b u t , a s S a l t o n ( 1 4 2 ) p o i n t s o u t ,i t i s n o t y e t c l e a r w h a t p a r t t h e s e c o m p o n e n t s
may p l a y i n t h e r i g i d w a l l .
M u c o p e p t i d e C o m p o n e n t
A l t h o u g h t h e w a l l s c o n t a i n a f u l l r a n g e o fa m i n o a c i d s , i t h a s b e e n e s t a b l i s h e d b e y o n d
d o u b t t h a t a s m a l l p r o p o r t i o n o f t h e s e c a n b e
a c c o u n t e d f o r a s m u c o p e p t i d e m a t e r i a l s i m i l a rt o t h a t i s o l a t e d f r o m t h e w a l l s o f g r a m - p o s i t i v e
b a c t e r i a . W e i d e l a n d P r i m o s i g h ( 1 7 6 ) s u m m a r i z e dt h e i r w o r k o n t h e c e l l w a l l s o f E . c o l i B a s f o l l o w s .A l i p o p r o t e i n l a y e r ( 8 0 % o f t h e w h o l e ) c o u l d b e
r e m o v e d b y 90 % p h e n o l , l e a v i n g b e h i n d a
" l i p o p o l y s a c c h a r i d e " l a y e r , c o n s i s t i n g o f s u g a r s ,l i p i d s , a n d a m i n o a c i d s , w h i c h r e t a i n e d t h es h a p e o f t h e i n t a c t w a l l a n d w a s , t h e r e f o r e ,a s s u m e d t o b e r e s p o n s i b l e f o r i t s r i g i d i t y . T h e
a b s o r p t i o n o f p h a g e s T 2 a n d T 6 d i s a p p e a r e d w i t h
t h e r e m o v a l o f t h e l i p o p r o t e i n , w h e r e a s t h e a b -s o r p t i o n o f p h a g e T 4 w a s i n c r e a s e d , s o t h a t i t
w a s a p p a r e n t t h a t t h e p r e s e n c e o f t h e l i p o -
p r o t e i n h i n d e r e d t h e a b s o r p t i o n o f p h a g e T 4 . T h ea u t h o r s c o n c l u d e d t h a t t h e l i p o p r o t e i n l a y o n t h eo u t s i d e o f t h e l i p o p o l y s a c c h a r i d e . T h e l i p o p o l y -s a c c h a r i d e c o n t a i n e d a m o n g i t s a m i n o a c i d s a
p r e p o n d e r a n c e o f a l a n i n e , g l u t a m i c a c i d , a n d
d i a m i n o p i m e l i c a c i d , a l t h o u g h m o s t o t h e r a m i n o
a c i d s w e r e p r e s e n t i n s m a l l e r p r o p o r t i o n s , a n d
g l u c o s a m i n e a n d m u r a m i c a c i d w e r e a l s o p r e s e n t .An e n z y m e i s o l a t e d f r o m p h a g e c a u s e d t h et y p i c a l m u c o p e p t i d e c o n s t i t u e n t s a n d t h e o t h e ra m i n o a c i d s t o p a s s i n t o s o l u t i o n , a l t h o u g h s o m e
g l u c o s a m i n e r e m a i n e di n t h e r e s i d u e , t o g e t h e r
3 3
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
http://slidepdf.com/reader/full/biosyn-of-cell-wall 17/38
B A C T E R I O L . R E V .
w i t h l i p i d , g l u c o s e , a n d L - g a l a - D - m a n n o h e p t o s e .
[ T h i s l a s t c o n s t i t u e n t was n o t i n v a r i a b l y p r e s e n t ,
s i n c e i t d i d n o t o ccur w h e n g l u c o s e r e p l a c e dl a c t a t e i n t h e g r o w t h m e d i u m ( 1 7 5 ) . ] From t h i sw o r k i t s e e m e d l i k e l y t h a t t h e c e l l w a l l s co n -
t a i n e d a m u c o p e p t i d e c o m p o n e n t w h i c h re-
s e m b l e d t h a t o f g r a m - p o s i t i v e b a c t e r i a , a l t h o u g h
t h i s c o m p o n e n t h a d n o t b e e n i s o l a t e d f r e e f r o m
o t h e r m a t e r i a l . L a t e r , W e i d e l , F r a n k , a n d M a r t i n
( 1 7 5 ) w e r e a b l e t o e f f e c t some p u r i f i c a t i o n o f t h e i r
" R - l a y e r " ( t h e m u c o p e p t i d e ) a n d t o s h o w t h a t i t
c o n t a i n e d g l u c o s a m i n e , m u r a m i c a c i d , a l a n i n e ,g l u t a m i c a c i d , a n d d i a m i n o p i m e l i c a c i d as i t s
c h i e f c o m p o n e n t s , a l t h o u g h o t h e r a m i n o a c i d sa n d g l u c o s e w e r e a l s o p r e s e n t . By t r e a t m e n t o f
w h o l e c e l l s o f E b e r t h e l l a t y p h i ( S a l m o n e l l a t y p h o s a )w i t h t r y p s i n , a n d p u r i f i c a t i o n o f t h e i n s o l u b l e
r e s i d u e w i t h T e e p o l a n d e t h y l e n e d i a m i n e t e t r a -a c e t i c a c i d , C o l o b e r t a n d C r e a c h ( 3 5 ) w e r e a b l et o i s o l a t e m a t e r i a l w h i c h was c o m p l e t e l y d i g e s t e db y l y s o z y m e . T h i s f r a c t i o n c o n t a i n e d a m i n o
sugar a n d t h e a m i n o a c i d s , d i a m i n o p i m e l i c a c i d ,g l u t a m i c a c i d , a s p a r t i c a c i d , l y s i n e , g l y c i n e , a n d
a l a n i n e .M a n d e l s t a m ( 8 9 ) d e s c r i b e d a p r o c e d u r e o f
p u r i f i c a t i o n w h i c h e n a b l e d h i m t o o b t a i n a b o u t
1 % ( d r y w t ) o f E . c o l i i n t h e f o r m o f i n s o l u b l em a t e r i a l , w h i c h c l o s e l y r e s e m b l e d t h e c e l l - w a l l
m u c o p e p t i d e s o f g r a m - p o s i t i v e c o c c i . O f t h i sr e s i d u e , 7 5 t o 80 % c o u l d b e a c c o u n t e d f o r as
d i a m i n o p i m e l i c a c i d , l y s i n e , s e r i n e , g l u t a m i c a c i d ,
a l a n i n e , g l u c o s a m i n e , a n d m u r a m i c a c i d . T h i s
m a t e r i a l was a l m o s t c o m p l e t e l y d i s s o l v e d b y
l y s o z y m e . T h e q u a n t i t a t i v e c o m p o s i t i o n o f t h i sm u c o p e p t i d e i s o f g r e a t i n t e r e s t . V a r i o u s s t r a i n so f E . c o l i gave e s s e n t i a l l y t h e same m o l a r pro-
p o r t i o n s : g l u t a m i c a c i d , 1 . 0 ; a l a n i n e , 1 . 5 ; s e r i n e ,0 . 1 5 ; g l y c i n e , n o n e ; l y s i n e , 0 . 2 ; d i a m i n o p i m e l i c
a c i d , 0 . 6 5 ; g l u c o s a m i n e , 0 . 8 ; m u r a m i c a c i d , 0 . 5 .
T h e s e d i f f e r f r o m t h e v a l u e s o b s e r v e d i n t h e w a l l s
o f many g r a m - p o s i t i v e b a c t e r i a i n t h a t ( i ) t h e
p r o p o r t i o n o f m u r a m i c a c i d i s much l o w e r ; ( i i )
l y s i n e a n d d i a m i n o p i m e l i c a c i d ar e b o t h p r e s e n t ;
a n d ( i i i ) t h e r a t i o o f a l a n i n e t o g l u t a m i c a c i d i s
l e s s t h a n 2 : 1 . M a n d e l s t a m ( 9 0 ) h a s a l s o s h o w n
t h a t e s s e n t i a l l y t h e same m u c o p e p t i d e c o m p o -
s i t i o n i s f o u n d i n t h e c e l l w a l l s o f a w i d e range o f
g r a m - n e g a t i v e s p e c i e s w h i c h h e h a s s t u d i e d .
L y s i n e a n d d i a m i n o p i m e l i c a c i d d o n o t seem t o
o c c u r t o g e t h e r i n t h e w a l l s o f g r a m - p o s i t i v eo r g a n i s m s , a l t h o u g h P o w e l l a n d S t r a n g e ( 1 1 9 )
m a d e t h e i n t e r e s t i n g o b s e r v a t i o n t h a t i n t h e
w e a k l y g r a m - p o s i t i v e B . s p h a e r i c u s t h e v e g e -t a t i v e c e l l w a l l s c o n t a i n e d l y s i n e , w h e r e a s t h e
s p o r e c o a t s c o n t a i n e d d i a m i n o p i m e l i c a c i d .P r i m o s i g h e t a l . ( 1 2 0 ) p r e p a r e d t h e c e l l w a l l s
o f E . c o l i B a n d a l l o w e d l y s o z y m e t o a c t u p o n
t h e m . T h e m a t e r i a l d i s s o l v e d b y l y s o z y m e w a sf r a c t i o n a t e d a n d s h o w n t o p r o d u c e a c h a r a c t e r -i s t i c p a t t e r n o f n i n h y d r i n - p o s i t i v e s p o t s o n a
p a p e r c h r o m a t o g r a m . T h e m o l a r c o n s t i t u t i o n o ft h e t w o c h i e f p r o d u c t s w a s a s f o l l o w s : g l u c o s -a m i n e - m u r a m i c a c i d - g l u t a m i c a c i d - d i a m i n o p i -m e l i c a c i d - a l a n i n e , ( 1 : 1 : 1 : 1 : 1 a n d 1 : 1 : 1 : 1 : 2 ) .
O c c u r r e n c e s o f b o t h t h e s e u n i t s i n t h e o r i g i n a lm u c o p e p t i d e o f t h e w a l l , b e f o r e l y s o z y m e d i -
g e s t i o n , c o u l d a c c o u n t f o r t h e r a t i o o f a l a n i n e -g l u t a m i c a c i d o f 1 . 5 : 1 o b s e r v e d b y M a n d e l s t a m
( 8 9 ) . T h e s e a m i n o a c i d r a t i o s a r e p a r a l l e l e d b y
t h o s e i n t h e p u r i f i e d m u c o p e p t i d e o f A e r o b a c t e rc l o a c a e ( 1 5 2 ) . S u p p o r t f o r t h e i d e a t h a t t h e s emay b e common s t r u c t u r a l u n i t s i n t h e m u c o -
p e p t i d e o f E . c o l i c o m e s f r o m t h e w o r k o f C o m b ,
C h i n , a n d R o s e m a n ( 3 7 ) . T h e s e w o r k e r s w e r e
a b l e t o e x t r a c t f r o m a c e t o n e - d r i e d c e l l s o f E . c o l i
K 2 3 5 f o u r u r i d i n e n u c l e o t i d e s o f t h e P a r k t y p e ,c o n t a i n i n g u r i d i n e , p h o s p h o r u s , a n d N - a c e t y l -m u r a m i c a c i d i n e q u i m o l e c u l a r p r o p o r t i o n s ( i )
a l o n e , ( i i ) w i t h 1 m o l e e a c h o f a l a n i n e a n d
g l u t a m i c a c i d , ( i i i ) w i t h 1 m o l e e a c h o f a l a n i n e ,
g l u t a m i c a c i d , a n d d i a m i n o p i m e l i c a c i d , o r ( i v )w i t h 2 m o l e s o f a l a n i n e a n d 1 m o l e e a c h o f t h eo t h e r t w o a m i n o a c i d s ( T a b l e 2 ) . I t s e e m s l i k e l yt h a t t h e l a s t t w o n u c l e o t i d e s c o u l d t o g e t h e r a c ta s p r e c u r s o r s i n t h e f o r m a t i o n o f m u c o p e p t i d e s
o f t h e c o m p o s i t i o n d e s c r i b e d ( 8 9 , 1 2 0 , 1 5 2 ) .A t p r e s e n t , s u c h e v i d e n c e a s i s a v a i l a b l e a b o u t
t h e s t r u c t u r e o f t h e m u c o p e p t i d e i s p r e s e n t e d b y
P r i m o s i g h e t a l . ( 1 2 0 ) . I n a d d i t i o n t o t h e m o n o -
m e r i c s u b u n i t s d e s c r i b e d a b o v e , t h e e n z y m a t i c
d i g e s t s c o n t a i n e d t w o o t h e r c o m p o n e n t s ( C 3 a n d
C 4 ) , e a c h o f t w i c e t h e m o l e c u l a r w e i g h t o f t h e
m o n o m e r s . C 4 w a s c o n v e r t e d t o C 3 b y t h e f u r t h e ra c t i o n o f l y s o z y m e , s o t h a t i t s e e m s a s i f C 3 m i g h t
r e s e m b l e t h e m a t e r i a l d e s c r i b e d b y G h u y s e n ( 5 4 )i n l y s o z y m e d i g e s t s o f t h e w a l l s o f M. l y s o d e i k t i c u s( F i g . 5 ) . I n t h i s f r a c t i o n , t h e t w o p e p t i d e c h a i n sw e r e c r o s s - l i n k e d b y a p e p t i d e b o n d b e t w e e n
t h e e - a m i n o g r o u p o f o n e o f t h e l y s i n e m o l e c u l e sa n d t h e a - c a r b o x y l g r o u p o f t h e o t h e r c h a i n . I f
t h i s i n t e r p r e t a t i o n w e r e c o r r e c t , C 4 w o u l d c o n s i s to f t h e s a m e m a t e r i a l , b u t w i t h o n e o f i t s m u r a m i c
a c i d r e s i d u e s g l y c o s i d i c a l l y l i n k e d t o t h e o t h e r
g l u c o s a m i n e . T h e r e s u l t w o u l d b ea
t e t r a s a c c h a -
3 4 P ER KINS
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
http://slidepdf.com/reader/full/biosyn-of-cell-wall 18/38
V O L . 2 7 , 1 9 6 3 BACTERIAL CELL WALLS, STRUCTURE AND BIOSYNTHESIS
T A B L E 2 . A n a l y s i s o f t h e f o u r u r i d i n e n u c l e o t i d e s
i s o l a t e d f r o m E s c h e r i c h i a c o l i K 2 35
Nu- BaeNoaey l- G l u - D i a m i n o -c l e o -base"b t a n i c p i m e l i ctide ~ '5muramic n i n e a c i d b a c i d bide ~ ~ ~ ~ a c i d 5
A 1 . 0 2 . 1 1 . 1 1 . 9 1 . 0 1 . 2 cB 1 . 0 2 . 1 1 . 1 0 . 9 1 . 0 1 . 3 cC 1 . 0 - d 1 . 0 0 . 0 0 . 0 0 . 0
D 1 . 0 d 1 . 0 0 . 9 1 . 0 0 . 0
a R e s u l t s e x p r e s s e d a s m o l e s p e r m o l e o f u r i d i n e .b A p p r o x i m a t e l y 1 . 0 m o l e o f g l u t a m i c a c i d w a s
p r e s e n t p e r m o l e o f u r i d i n e . R e s u l t s i n t h e s e
c o l u m n s a r e e x p r e s s e d a s m o l e s p e r m o l e o f g l u t a -i n i c a c i d .
c T h e s e v a l u e s a r e h i g h d u e t o i n c o m p l e t e
s e p a r a t i o n f r o m r e s i d u a l m u r a m i c a c i d d u r i n gp a p e r e l e c t r o p h o r e s i s .
d No t d e t e r m i n e d d i r e c t l y ( f r o m C o m b , C h i n ,
a n d R o s e m a n , 3 7 ) .
r i d e o f a l t e r n a t i n g a m i n o s u g a r s w i t h p e p t i d ec h a i n s a t t a c h e d t o e a c h o f t h e m u r a m i c a c i dc a r b o x y l g r o u p s , c r o s s - l i n k e d b y way o f t h e* - a m i n o g r o u p o f o n e o f t h e d i a m i n o p i m e l i c a c i dr e s i d u e s . A n o t h e r p a i r o f s p o t s o c c u r r e d w i t h t h e
s a m e p r o p o r t i o n s o f a m i n o a c i d s , b u t i n w h i c h t h em u r a m i c a c i d - r e d u c i n g g r o u p a p p e a r e d t o b e
b l o c k e d b y a n u n i d e n t i f i e d c o m p o n e n t . F r o m t h i sa s s e m b l e d e v i d e n c e , i t a p p e a r s t h a t t h e r i g i dl a y e r o f t h e w a l l s o f g r a m - n e g a t i v e o r g a n i s m s
c l o s e l y r e s e m b l e s i n g e n e r a l s t r u c t u r e a n d p r o p e r -t i e s t h e m u c o p e p t i d e o f t h e w a l l s o f g r a m - p o s i t i v es p e c i e s , b u t d e t a i l e d k n o w l e d g e o f t h e s t r u c t u r ea w a i t s f u r t h e r i n v e s t i g a t i o n . Work ( 1 7 9 ) s t u d i e dt h e p r o d u c t s o f t h e a c t i o n o f l y s o z y m e a n d t h e
e n d o l y s i n o f X p h a g e u p o n t h e c e l l w a l l s o f E . c o l iB . S h e s e p a r a t e d t h e s o l u b l e p o r t i o n s o f t h ed i g e s t s i n t o d i f f u s i b l e a n d n o n d i f f u s i b l e f r a c t i o n s ,a l l o w e d t h e s e t o r e a c t w i t h f l u o r o d i n i t r o b e n z e n e ,a n d t h e n s e p a r a t e d t h e p r o d u c t s b y p a p e r
c h r o m a t o g r a p h y o r e l e c t r o p h o r e s i s . T h e c o m p o -
s i t i o n o f t h e p r o d u c t s w a s o f e x t r e m e c o m p l e x i t y ,d i f f e r i n g f o r t h e t w o e n z y m e s . U p o n h y d r o l y s i s ,t h e y y i e l d e d , i n a d d i t i o n t o f r e e a m i n o a c i d s( i n c l u d i n g many n o t n o r m a l l y f o u n d i n m u c o -
p e p t i d e s ) , t h e d i n i t r o p h e n y l d e r i v a t i v e s o f l y s i n ea n d d i a m i n o p i m e l i c a c i d . Work ( 1 7 9 ) c o n c l u d e d
t h a t t h e s t r u c t u r e o f t h e w a l l s o f E . c o l i w a s
m o r e c o m p l i c a t e d t h a n o r i g i n a l l y s u g g e s t e d b y
W e i d e l a n d P r i m o s i g h ( 1 7 6 ) a n d s u g g e s t e d t h a t
many s t r u c t u r e s w e r e h e l d t o g e t h e r b y n o n c o -
v a l e n t l i n k s , w h i c h w e r e b r o k e n a s a s e c o n d a r y
r e s u l t o f s o l u b i l i z a t i o n o f t h e m u c o p e p t i d e s . S i n c e
l y s o z y m e i s a g l y c o s i d a s e , t h e l a r g e v a r i e t y o fd i n i t r o p h e n y l a m i n o a c i d s i n t h e d i g e s t s c a n o n l y
b e a c c o u n t e d f o r i f t h e a m i n o g r o u p s o f t h o s e
a m i n o a c i d s w e r e a l r e a d y f r e e i n t h e u n t r e a t e d
w a l l s . S a l t o n ( 1 4 0 ) f o u n d t h a t t h e w a l l s o f E . c o l iB c o n t a i n e d N - t e r m i n a l a l a n i n e a n d g l y c i n e , a n d
t h e w a l l s o f s o m e g r a m - n e g a t i v e b a c t e r i a a l s oc o n t a i n e d N - t e r m i n a l a s p a r t i c a c i d a n d g l u t a m i c
a c i d . I t w o u l d a p p e a r n e c e s s a r y t o u s e t h e s et e c h n i q u e s t o e x a m i n e p u r i f i e d m u c o p e p t i d e s o ft h e w a l l s o f g r a m - n e g a t i v e b a c t e r i a b e f o r e muchs t r u c t u r a l i n f o r m a t i o n c o u l d b e d e d u c e d f r o m
t h e i r a p p l i c a t i o n . A p r e l i m i n a r y i n v e s t i g a t i o n o n
t h e s e l i n e s h a s b e e n m a d e i n t o t h e p u r i f i e d m u c o -
p e p t i d e o f A . c l o a c a e ( 1 5 3 ) . T h e p r o d u c t s o fh y d r a z i n o l y s i s s u g g e s t t h a t t h e a m i n o a c i d c h a i n st e r m i n a t e i n t h e c a r b o x y l g r o u p s o f e i t h e r a l a n i n eo r d i a m i n o p i m e l i c a c i d , a r e s u l t w h i c h c o r r e -s p o n d s w i t h t h e s t r u c t u r e s i m p l i e d b y t h e w o r k
o n l y s o z y m e d i g e s t s o f t h e m u c o p e p t i d e o f E . c o l i
( 1 2 0 ) .
P o l y s a c c h a r i d e s
I n a d d i t i o n t o l i p o p r o t e i n s a n d m u c o p e p t i d e s ,
t h e c e l l w a l l s o f g r a m - n e g a t i v e b a c t e r i a a l s o c o n -
t a i n p o l y s a c c h a r i d e s . T h u s , t h e r i g i d l a y e r ( R
l a y e r ) o f t h e c e l l w a l l s o f E . c o l i B w a s f o u n d t oc o n t a i n g l u c o s e , w h i c h a p p e a r e d i n t h e n o n -
s e d i m e n t a b l e f r a c t i o n o f a l y s o z y m e d i g e s t ( 1 7 5 ) .W a l l s , w h i c h w e r e p r e p a r e d b y a p r o c e d u r e n o t
i n c l u d i n g e x t r a c t i o n w i t h 90 % p h e n o l , c o n t a i n e di n a d d i t i o n a v e r y h i g h m o l e c u l a r w e i g h t p o l y -s a c c h a r i d e , w h i c h w a s a l l o w e d t o p a s s i n t os o l u t i o n w h e n t h e m u c o p e p t i d e w a s d i g e s t e d b y
l y s o z y m e ( 1 2 0 ) . S a l t o n ( 1 4 1 ) s t u d i e d t h e n o n -
n i t r o g e n o u s s u g a r s p r e s e n t i n t h e w a l l s o f v a r i o u ss p e c i e s , b e f o r e a n d a f t e r e x t r a c t i o n w i t h h o t
w a t e r t o r e m o v e c a p s u l a r m a t e r i a l . S u g a r s r e -
m a i n i n g a f t e r r e m o v a l o f c a p s u l e s i n c l u d e dv a r i o u s c o m b i n a t i o n s o f t w o o r m o r e o f t h e f o l -l o w i n g s u g a r s : g l u c o s e , g a l a c t o s e , f u c o s e , r h a m -
n o s e , m a n n o s e , t y v e l o s e , a n d a n u n s p e c i f i e dh e p t o s e . I t a p p e a r e d t h a t g e n e r a l l y t h e s e s u g a r s
w e r e p r e s e n t a s p o l y s a c c h a r i d e s , w h i c h c o u l d b e
a t l e a s t p a r t i a l l y e x t r a c t e d f r o m t h e w a l l s b yr e l a t i v e l y g e n t l e p r o c e d u r e s , a n d S a l t o n ( 1 4 1 )c o n c l u d e d t h a t t h e s e m a t e r i a l s , c h a r a c t e r i s t i c o ft h e r o u g h a n d s m o o t h a n t i g e n s , w e r e a n i n t e g r a lp a r t o f t h e l i p i d - p o l y s a c c h a r i d e - p r o t e i n f r a c t i o n
o f t h e b a c t e r i a l w a l l a n d t h a t i n s o m e s t r a i n s t h e y
3 5
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
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B A C T E R I O L . R E V .
m i g h t e v e n b e l i n k e d t o t h e m u c o p e p t i d e m a t e r i a l
r e l e a s e d b y l y s o z y m e . T h e b a c t e r i a l p o l y s a c c h a -
r i d e s o f g r a m - n e g a t i v e s p e c i e s h a v e b e e n r e v i e w e d
r e c e n t l y b y D a v i e s ( 4 3 ) a n d w i l l n o t b e d i s c u s s e d
f u r t h e r h e r e . T h e p i c t u r e o f t h e w h o l e c e l l w a l lc o r r e s p o n d s t o t h a t d e s c r i b e d a b o v e i n t h es e c t i o n o n t h e w a l l s o f g r a m - p o s i t i v e b a c t e r i a ,w h e r e a g a i n t h e e x t e n t o f a s s o c i a t i o n o f t h e p o l y -s a c c h a r i d e s a n d t h e m u c o p e p t i d e s i s n o t c l e a r - c u t .
C E L L WALLS OF R I C K E T T S I A E AND
O R G A N I S M S O F T H E P S I T T A C O S I S -
LYMPHOGRANULOMA GROUP
T h e u n i q u e a n d u b i q u i t o u s o c c u r r e n c e o f
m u r a m i c a c i d i n t h e c e l l w a l l s o f b a c t e r i a ( 1 7 8 )m a k e s t h e p r e s e n c e o f t h i s s u b s t a n c e a s t r o n g
a r g u m e n t f o r d e s c r i b i n g a n y o r g a n i s m c o n t a i n i n gi t a s , a t l e a s t , a c l o s e r e l a t i v e o f t h e b a c t e r i a . I fa n y s p e c i e s c o n t a i n s m u r a m i c a c i d , t h e n t h e r e i s
a s t r o n g i m p l i c a t i o n t h a t i t a l s o p o s s e s s e s a n
o u t e r w a l l a s p a r t o f i t s s t r u c t u r e . I t i s k n o w n
t h a t r i c k e t t s i a e a n d p s i t t a c o s i s - t y p e o r g a n i s m s
a r e s e n s i t i v e t o p e n i c i l l i n , a n d , b e c a u s e o f t h ec l o s e c o n n e c t i o n b e t w e e n t h e a c t i o n o f t h i s a n t i -b i o t i c a n d t h e s y n t h e s i s o f c e l l - w a l l m u c o p e p t i d e s
( d e s c r i b e d b e l o w ) , i t s e e m e d p o s s i b l e t h a t s u c h
o r g a n i s m s r e s e m b l e d b a c t e r i a i n c o n t a i n i n g m u c o -
p e p t i d e a s p a r t o f t h e i r s t r u c t u r e . A l l i s o n a n d
P e r k i n s ( 5 ) w e r e a b l e t o i s o l a t e m a t e r i a l f r o mv a r i o u s s t r a i n s o f R i c k e t t s i a , w h i c h , b y a n u m b e r
o f c h e m i c a l t e c h n i q u e s , t h e y s h o w e d t o b e i d e n t i -c a l w i t h a u t h e n t i c m u r a m i c a c i d o f b a c t e r i a lo r i g i n . F u r t h e r w o r k h a s s h o w n t h a t m u r a m i c
a c i d i s a l s o p r e s e n t i n t h e a g e n t s o f f e l i n e p n e u m o -
n i t i s a n d t r a c h o m a . J e n k i n ( 7 6 ) e x a m i n e d t h ec e l l w a l l s o f t h e a g e n t o f m e n i n g o p n e u m o n i t i s ,
a n d h e , t o o , f o u n d t h a t a t r a c e o f m u r a m i c a c i dw a s p r e s e n t i n h i s m a t e r i a l . I t s e e m s l i k e l y ,t h e r e f o r e , t h a t t h e s e o r g a n i s m s a r e b i o c h e m i c a l l yc l o s e l y r e l a t e d t o b a c t e r i a r a t h e r t h a n t o v i r u s e s ,a n d t h a t t h e y p o s s e s s s o m e t y p e o f r i g i d c e l l w a l la s p a r t o f t h e i r s t r u c t u r e .
E N Z Y M A T I C ATTACK ON WALL S T R U C T U R E S
B r e a k d o w n o f c e l l w a l l s b y e n z y m e s o f o n e
k i n d o r a n o t h e r h a s b e e n s t u d i e d e x t e n s i v e l y , a n d
o n l y a s e l e c t i o n o f p a p e r s w i l l b e c o n s i d e r e d h e r e .M o s t o f t h e d e t a i l e d i n f o r m a t i o n a v a i l a b l e i s
c o n c e r n e d w i t h a t t a c k on t h e m u c o p e p t i d e p o r -t i o n o f t h e w a l l . H e r e , t h e e n z y m e s m ay b e d i -
v i d e d i n t o two c l a s s e s , t h o s e w h i c h r u p t u r e b o n d s
i n t h e p o l y s a c c h a r i d e c h a i n s a n d t h o s e w h i c h
b r e a k o t h e r b o n d s i n t h e s t r u c t u r e . The a r c h e t y p -
a l e n z y m e i n t h e f i r s t c l a s s i s e g g - w h i t e l y s o z y m e .
L y s o z y m e
L y s o z y m e , w h i c h c a n b e o b t a i n e d i n c r y s t a l l i n ef o r m f r o m e g g w h i t e , h a s l o n g b e e n known t o l y s ec e r t a i n b a c t e r i a . S a l t o n ( 1 3 6 ) w a s a b l e t o s h o w
t h a t i t e x e r t e d t h e s a m e l y t i c a c t i o n o n t h e i s o -l a t e d c e l l w a l l s o f c e r t a i n g r a m - p o s i t i v e b a c t e r i a ;s i n c e t h a t t i m e , i t s a c t i o n h a s b e e n c o n s i d e r a b l y
e l u c i d a t e d . I n 1 9 5 6 , S a l t o n ( 1 3 9 ) s h o w e d t h a t o n e
o f t h e c h i e f l o w - m o l e c u l a r - w e i g h t p r o d u c t s o fi t s a c t i o n o n t h e i s o l a t e d w a l l s o f M. l y s o d e i k t i c u sw a s a c o m p o u n d w h i c h c o n s i s t e d o f e q u i v a l e n t
p r o p o r t i o n s o f N - a c e t y l m u r a m i c a c i d a n d
N - a c e t y l g l u c o s a m i n e . T h i s m a t e r i a l w a s s u b s e -
q u e n t l y s h o w n t o b e , i n f a c t , a d i s a c c h a r i d e ,a n d i t s s t r u c t u r e w a s a l m o s t c e r t a i n l y a s s h o w n
i n F i g . 4 . T h e s e o b s e r v a t i o n s c o n f i r m e d t h e s u g -
g e s t i o n o f B r u m f i t t e t a l . ( 3 1 ) t h a t l y s o z y m e
s p l i t s t h e g l y c o s i d i c l i n k b e t w e e n C l o f N - a c e t y l -
m u r a m i c a c i d a n d s o m e p o i n t o n t h e N -a c e t y l -
g l u c o s a m i n e m o i e t y . S a l t o n a n d G h u y s e n ( 1 4 4 )a l s o s h o w e d t h a t t h e a b o v e d i s a c c h a r i d e w a s
s p l i t b y a l m o n d , B - g l u c o s i d a s e t o y i e l d t h e f r e eN -a c e t y l h e xo s a m i n e s , p r o v i d i n g e v i d e n c e f o r a
, B l i n k a g e b e t w e e n t h e N - a c e t y l g l u c o s a m i n e a n d
t h e N - a c e t y l m u r a m i c a c i d r e s i d u e s . I t h a d b e e n
s h o w n b y B e r g e r a n d W e i s e r ( 2 6 ) t h a t l y s o z y m ew o u l d d e g r a d e c h i t i n , a known f ( 1 - - 4 ) - N -
a c e t y l g l u c o s a m i n e p o l y m e r , a n d i t s e e m e d p r o b a -
b l e , t h e r e f o r e , t h a t t h e e n z y m e s p l i t f ( 1 - - 4 )g l y c o s i d i c l i n k a g e s . T h i s o b s e r v a t i o n w a s c o n -
f i r m e d b y S a l t o n a n d G h u y s e n ( 1 4 4 ) , w h o s h o w e d
t h a t l y s o z y m e w o u l d s p l i t d i - a n d t e t r a c h i t o b i o s e ,a t l e a s t t o s o m e e x t e n t , a l t h o u g h i t w a s n o t c l e a rw h e t h e r f r e e N - a c e t y l g l u c o s a m i n e w a s e v e r
f o r m e d . M a n d e l s t a m a n d S t r o m i n g e r ( 9 3 ) s t u d i e d
t h e a c t i o n o f l y s o z y m e o n a " g l y c o p e p t i d e " i s o -
l a t e d f r o m t h e w a l l s o f S . a u r e u s C o p e n h a g e n a n d
s h o w e d t h a t 3 - N - a c e t y l g l u c o s a m i n i d a s e f r o m p i ge p i d i d y m i s w o u l d r e l e a s e u p t o 85% o f t h eN - a c e t y l g l u c o s a m i n e p r e s e n t a f t e r l y s o z y m e d i -
g e s t i o n . S a l t o n a n d G h u y s e n ( 1 4 4 ) a l s o i s o l a t e df r o m c e l l w a l l s o f M. l y s o d e i k t i c u s d i g e s t e d w i t h
l y s o z y m e a n d S t r e p t o m y c e s F 1 e n z y m e ( s e e b e l o w )a d i m e r o f t h e a f o r e m e n t i o n e d d i s a c c h a r i d e , a n d
G h u y s e n ( 5 3 ) s h o w e d t h a t t h i s t e t r a s a c c h a r i d ec o u l d b e f u r t h e r d e g r a d e d t o t h e d i s a c c h a r i d e b yl y s o z y m e . T h i s t e t r a s a c c h a r i d e i s t h e s m a l l e s tm o l e c u l e d e r i v e d f r o m c e l l w a l l s w h i c h , a t p r e s e n t ,
i s c e r t a i n l y known t o b e s p l i t b y l y s o z y m e .
3 6 PERKINS
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
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V O L . 2 7 , 1 9 6 3 BACTERIAL CELL WALLS, STRUCTURE AND BIOSYNTHESIS
R e c e n t l y , t r i - N - a c e t y l - c h i t o t r i o s e h a s b e e n s h o w n
t o b e d e g r a d e d b y t h e e n z y m e t o N - a c e t y l -g l u c o s a m i n e a n d d i - N - a c e t y l - c h i t o b i o s e ( 1 7 7 ) .B e r g e r a n d W e i s e r ( 2 6 ) f o u n d t h a t t h e e n z y m e
d i d n o t c a t a l y z e t h e h y d r o l y s i s o f 3 - p h e n y l - N -a c e t y l g l u c o s a m i n i d e ; t h u s f a r , t h e c o r r e s p o n d i n gm u r a m i c a c i d g l y c o s i d e s h a v e n o t b e e n t e s t e d .S a l t o n a n d G h u y s e n ( 1 4 4 ) d e m o n s t r a t e d t h a t , i nt h e w h o l e l y s o z y m e d i g e s t , t h e o n l y r e d u c i n gg r o u p s e t f r e e b y t h e e n z y m e w a s t h a t o f m u r a m i c
a c i d , s i n c e r e d u c t i o n w i t h s o d i u m b o r o h y d r i d e
l e d t o t h e f o r m a t i o n o f o n l y o n e r e d u c e d p r o d u c t ,n a m e l y , t h e s u b s t i t u t e d h e x i t o l c o r r e s p o n d i n g t om u r a m i c a c i d .
T h u s , i t i s a p p a r e n t t h a t l y s o z y m e n o r m a l l y
p r o m o t e s t h e h y d r o l y s i s o f , 3 l i n k a g e s b e t w e e n
C 1 o f N - a c e t y l m u r a m i c a c i d a n d N - a c e t y l g l u c o s -a m i n e . I t i s w e l l k n o w n t h a t t h e c e l l w a l l s o fb a c t e r i a o f d i f f e r e n t s p e c i e s e x h i b i t v a r i a b l es e n s i t i v i t y t o t h e a c t i o n o f l y s o z y m e . S a l t o n a n d
P a v l i k ( 1 4 7 ) s t u d i e d t h e v a r i a b i l i t y i n r e l a t i o n t ot h e c o m p o s i t i o n o f t h e w a l l , b u t t h e i r r e s u l t ss h o w e d t h a t , a l t h o u g h g l u c o s a m i n e a n d m u r a m i c
a c i d w e r e a l w a y s p r e s e n t , t h e r e w a s n o c o r r e -l a t i o n b e t w e e n a m i n o - s u g a r c o n t e n t a n d s u s c e p t i -b i l i t y t o l y s o z y m e . T h e y s u g g e s t e d t h a t i f t h el y s o z y m e w e r e i n d e e d a 1 : 4 - 1 3 - N - a c e t y l h e x o s -a m i n i d a s e , t h e n i n s e n s i t i v e w a l l s m i g h t c o n t a i n
1 : 6 o r 1 : 3 l i n k a g e s b e t w e e n N - a c e t y l m u r a m i ca c i d a n d N - a c e t y l g l u c o s a m i n e . T h i s m e c h a n i s m
f o r r e s i s t a n c e t o l y s o z y m e a c t i o n c l e a r l y d o e s
n o t h o l d i n S . a u r e u s C o p e n h a g e n ; a l t h o u g h t h ew h o l e w a l l s a r e o n l y s l i g h t l y a t t a c k e d b y t h ee n z y m e , t h e r e s i d u e , a f t e r e x h a u s t i v e e x t r a c t i o nw i t h c o l d t r i c h l o r o a c e t i c a c i d t o r e m o v e t e i c h o i ca c i d , w a s d i s s o l v e d b y l y s o z y m e ( 9 3 ) . S i m i l a r l y ,r e m o v a l o f t h e r h a m n o s e - g l u c o s a m i n e p o l y m e r
f r o m t h e w a l l s o f g r o u p A s t r e p t o c o c c i r e n d e r e d
t h e m s e n s i t i v e t o l y s o z y m e ( 7 9 ) . I t s e e m s l i k e l y ,t h e r e f o r e , t h a t e v e n w h e n t h e s e n s i t i v e l i n k a g e sa r e p r e s e n t , t h e y may b e p r o t e c t e d f r o m t h e
a c t i o n o f l y s o z y m e , p e r h a p s b y t h e p r e s e n c e o fs t r u c t u r e s w h i c h h i n d e r i t s a p p r o a c h . O n e w e l l -d o c u m e n t e d e x a m p l e o f t h i s t y p e o f i n h i b i t i o n i s
t h e a c t i o n o f O - a c e t y l g r o u p s i n t h e w a l l s t r u c t u r ed i s c u s s e d i n t h e s e c t i o n o n W a l l s o f G r a m - P o s i t i v e
O r g a n i s m s . T h i s m e c h a n i s m o f r e s i s t a n c e i s b yn o m e a n s a c o m m o n o n e , h o w e v e r , s i n c e t h e c e l lw a l l s o f s o m e b a c t e r i a c o n t a i n O - a c e t y l g r o u p s
a n d y e t a r e s e n s i t i v e t o l y s o z y m e ( 3 ) , w h e r e a s a
s t u d y o f t h e c e l l w a l l s o f f o u r s p e c i e s c o n t a i n i n gO - e s t e r g r o u p s s h o w e d t h a t , a p a r t f r o m t h e
e x a m p l e c i t e d , o n l y t h e w a l l s o f L a c t o b a c i l l u sa r a b i n o s u s s h o w e d i n c r e a s e d s u s c e p t i b i l i t y t ol y s o z y m e a f t e r r e m o v a l o f t h e s e g r o u p s ( 1 4 7 ) .T h e i n c r e a s e i n l y s o z y m e s e n s i t i v i t y o f S . a u r e u s
C o p e n h a g e n i n p a r a l l e l w i t h t h e r e m o v a l o f
t e i c h o i c a c i d ( 9 3 ) w a s a l s o n o t a u n i v e r s a lp h e n o m e n o n , s i n c e S a l t o n a n d P a v l i k ( 1 4 7 ) a l s of o u n d t h a t , w i t h s o m e s p e c i e s t h e y e x a m i n e d ,
e x t r a c t i o n e v e n w i t h h o t t r i c h l o r o a c e t i c a c i d d i d
n o t e n h a n c e l y s o z y m e a c t i o n b u t , o n t h e c o n -t r a r y , r e d u c e d i t . T h u s , t h e r e a s o n f o r t h e o b -
s e r v a t i o n w i t h S . a u r e u s C o p e n h a g e n r e m a i n s
o b s c u r e . I t i s p e r h a p s w o r t h m e n t i o n i n g t h a t
b l o c k i n g o f t h e f r e e e - a m i n o g r o u p s o f l y s i n e i nt h e c e l l w a l l s o f M. l y s o d e i k t i c u s b y d i n i t r o p h e n y lg r o u p s d o e s n o t p r e v e n t l y s o z y m e a c t i o n ( 6 8 ) .
P r e s u m a b l y , t h e r e f o r e , t h e i n t e g r i t y o f t h e s e f r e ea m i n o g r o u p s i s n o t i n v o l v e d i n t h e a t t a c h m e n t
o r a c t i o n o f t h e e n z y m e . T h i s c o r r e s p o n d s t o t h eo b s e r v a t i o n o f M a n d e l s t a m a n d S t r o m i n g e r ( 9 3 )t h a t t h e i r " g l y c o p e p t i d e " f r o m S . a u r e u s C o p e n -
h a g e n , t h e l y s i n e o f w h i c h h a s v i r t u a l l y n o f r e eE - a m i n o g r o u p s , i s n e v e r t h e l e s s d i s s o l v e d b y
l y s o z y m e .
A l t h o u g h l y s o z y m e a c t s m o s t r e a d i l y u p o n
c e r t a i n g r a m - p o s i t i v e o r g a n i s m s , i t c a n a l s o b e
i n d u c e d t o a c t u p o n g r a m - n e g a t i v e b a c t e r i a a tpH 5 . 0 o r 9 . 0 ( 1 8 2 ) , o r a t pH 8 . 0 i n t h e p r e s e n c e
o f e t h y l e n e d i a m i n e t e t r a a c e t i c a c i d ( 1 2 1 , 1 2 2 ) . Ac o n s i d e r a b l y p u r i f i e d l y s o z y m e s u b s t r a t e f r o m
E . c o l i B w a s o b t a i n e d b y e x t r a c t i n g t h e i s o l a t e dc e l l w a l l s w i t h 50 % p h e n o l a t 6 5 C ( 1 7 5 ) . T h ei n s o l u b l e r e s i d u e w a s t h e r i g i d ( R ) l a y e r , s oc a l l e d b e c a u s e i t r e t a i n e d t h e e s s e n t i a l s h a p e o ft h e u n t r e a t e d w a l l . I t w a s r a p i d l y d i s s o l v e d b y
l y s o z y m e i n n e u t r a l ammonium a c e t a t e b u f f e r t oy i e l d a s e d i m e n t a b l e f r a c t i o n , w h i c h c o n t a i n e d
m a i n l y a m i n o a c i d s n o t a s s o c i a t e d w i t h m u c o -
p e p t i d e s , a n d a n o n s e d i m e n t a b l e f r a c t i o n , w h i c h
o n h y d r o l y s i s y i e l d e d e s s e n t i a l l y o n l y g l u c o s -a m i n e , m u r a m i c a c i d , d i a m i n o p i m e l i c a c i d , a l a -n i n e , g l u t a m i c a c i d , a n d g l u c o s e . M o r e h i g h l y
p u r i f i e d m u c o p e p t i d e f r o m s t r a i n s o f E . c o l i ,
c o n t a i n i n g o n l y t r a c e s o f o t h e r a m i n o a c i d s , w a s
c o m p l e t e l y d i s s o l v e d b y l y s o z y m e ( 8 9 ) . C o l o b e r t
a n d C r e a c h ( 3 5 ) w e r e a b l e t o i s o l a t e a f r a c t i o nl a r g e l y r e s e m b l i n g m u c o p e p t i d e f r o m t h e c e l lw a l l s o f E b e r t h e l l a t y p h i , a n d t h i s m a t e r i a l w a s
r e a d i l y d i s s o l v e d b y l y s o z y m e . I t s e e m s , t h e r e -f o r e , t h a t p o t e n t i a l l y s o z y m e s u s c e p t i b i l i t y i s
a l m o s t a s c h a r a c t e r i s t i c o f c e l l - w a l l m u c o p e p t i d e s
a s t h e p r e s e n c e o f m u r a m i c a c i d i t s e l f . I t i s
3 7
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
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B A C T E R I O L . R E V .
l i k e l y t h a t t h e r e a r e many d i f f e r e n t m e c h a n i s m s
f o r t h e r e s i s t a n c e o b s e r v e d i n c e r t a i n i n s t a n c e s .A s t r u c t u r e h i g h l y c r o s s - l i n k e d b e t w e e n i t s p e p -
t i d e c h a i n s ( s e e W a l l s o f G r a m - P o s i t i v e O r g a n -
i s m s ) m i g h t w e l l n o t b e r e n d e r e d s o l u b l e b y
l y s o z y m e , e i t h e r b e c a u s e t h e s e n s i t i v e l i n k a g e sw e r e p r o t e c t e d f r o m t h e a p p r o a c h o f t h e e n z y m e
m o l e c u l e o r b e c a u s e , e v e n t h o u g h s o m e o f t h e s el i n k a g e s w e r e b r o k e n , t h e r e s i d u a l s t r u c t u r e r e -m a i n e d i n s o l u b l e i n w a t e r .
O t h e r E n z y m e s R e s e m b l i n g L y s o z y m e
E n z y m e s f r o m b a c t e r i a . L y t i c e n z y m e s o f t h i st y p e h a v e b e e n i s o l a t e d f r o m v a r i o u s s o u r c e s i nm a m m a l i a n t i s s u e s a n d , i n a d d i t i o n , a r e i n v o l v e di n a u t o l y s i s o f b a c t e r i a o r t h e i r d i s s o l u t i o n b y
b a c t e r i o p h a g e s . S t u d i e s o n S . f a e c a l i s i n d i c a t et h a t r a p i d l y g r o w i n g c e l l s o f t h i s s p e c i e s a r e m o r e
s u b j e c t t o a u t o l y s i s t h a n c e l l s w h i c h h a v e l a i dd o w n a n a d d i t i o n a l l a y e r o f c e l l w a l l , w h e n
s y n t h e s i s o f c y t o p l a s m i c p r o t e i n h a s b e e n p r e -v e n t e d b y l a c k o f t h r e o n i n e o r v a l i n e ( 1 5 5 ) . I t i s
q u i t e p l a i n t h a t a n e n z y m e o f t h e l y s o z y m e - t y p ei s p r e s e n t i n t h e s e c e l l s ; i n d e e d , i t w a s f o u n d t h a tc e l l s w h i c h a u t o l y z e d m o r e r e a d i l y w e r e a l s o m o r e
s u s c e p t i b l e t o t h e a c t i o n o f e g g - w h i t e l y s o z y m e .T h i s f a c t s u g g e s t s t h a t n o t o n l y w a s t h e c e l l u l a rb a l a n c e b e t w e e n c e l l - w a l l s y n t h e s i s a n d d i s s o -
l u t i o n u p s e t b u t t h a t i n s o m e way t h e w a l l i t s e l fw a s m o r e v u l n e r a b l e t o a t t a c k b y l y t i c e n z y m e s .
B . s u b t i l i s h a s a l s o p r o v e d t o b e a f r u i t f u l s o u r c e
o f t h e s e e n z y m e s . N o m u r a a n d H o s o d a ( 1 0 7 )f o u n d t h a t s o m e s t r a i n s o f B . s u b t i l i s u n d e r w e n t
r a p i d l y s i s w h e n m a d e a n a e r o b i c , a n d R i c h m o n d
( 1 2 5 , 1 2 6 ) i s o l a t e d a s t r a i n ( R ) o f B . s u b t i l i sw h i c h p r o d u c e d e x t r a c e l l u l a r l y a n e n z y m e t h a tw o u l d d i s s o l v e t h e c e l l s o r c e l l w a l l s o f M.
l y s o d e i k t i c u s . T h i s e n z y m e c l o s e l y r e s e m b l e d e g g -w h i t e l y s o z y m e i n a n u m b e r o f r e s p e c t s a n d w o u l d
d i s s o l v e t h e i s o l a t e d c e l l w a l l s o f s e v e r a l o t h e rs t r a i n s o f b a c t e r i a , i n c l u d i n g B . s u b t i l i s . E x t r a -
c e l l u l a r l y t i c e n z y m e w a s a l s o p r o d u c e d b y S .a u r e u s 5 2 4 SC ( 1 2 4 ) . T h i s e n z y m e a t t a c k e d i s o -l a t e d c e l l w a l l s o f S . a u r e u s , w h i c h a r e i n s e n s i t i v et o t h e a c t i o n o f e g g - w h i t e l y s o z y m e , a l t h o u g h i t
d i d n o t l y s e t h e w h o l e o r g a n i s m . T h i s e n z y m e
may b e r e l a t e d t o t h e o n e d e s c r i b e d b y M i t c h e l la n d M o y l e ( 1 0 0 ) , w h o f o u n d t h a t c e l l s o f S .a u r e u s , h a r v e s t e d a t a l o w c u l t u r e d e n s i t y a n d
r e s u s p e n d e d i n 1 . 2 M s u c r o s e a n d a c e t a t e b u f f e r( p H 5 . 8 ) o f i o n i c s t r e n g t h 0 . 3 , u n d e r w e n t p r o -g r e s s i v e l y s i s w i t h l i b e r a t i o n o f i n t a c t " p r o t o -
p l a s t s " s e n s i t i v e t o o s m o t i c s h o c k . E l e c t r o n
m i c r o g r a p h s s h o w e d t h a t , i n s o m e o f t h e i r e x p e r i -m e n t s , t h e c e l l w a l l s w e r e s p l i t i n t o h e m i s p h e r e s ,
t h e d i v i s i o n o c c u r r i n g a t r i g h t a n g l e s t o t h e
t h i c k e n e d e q u a t o r i a l r i n g . T h e e l e c t r o n m i c r o -
g r a p h s o f M u r r a y , F r a n c o m b e , a n d M a y a l l ( 1 0 4 )s u g g e s t t h a t t h i s r i n g c o r r e s p o n d s t o t h e n e x t
l i n e o f c e l l d i v i s i o n , a n d , t h u s , t h e l y s i s o b s e r v e d
b y M i t c h e l l a n d M o y l e ( 1 0 0 ) t o o k p l a c e i n t h ep l a n e e i t h e r o f t h e p r e v i o u s d i v i s i o n o r o f t h e
n e x t d i v i s i o n o f t h e d a u g h t e r c e l l s . I t i s n o t
p o s s i b l e t o s a y f r o m t h e s e r e s u l t s w h e t h e r t h e
l y t i c e n z y m e o c c u r r e d o n l y a t t h e o b s e r v e d s i t eo f l y s i s o r i f t h i s r e g i o n w a s m e r e l y t h e m o s t
s u s c e p t i b l e t o t h e a c t i o n o f a m o r e g e n e r a l l yd i s t r i b u t e d e n z y m e . C e r t a i n l y , t h e e x t r a c e l l u l a re n z y m e
d e s c r i b e db y R i c h m o n d ( 1 2 4 ) w a s a b l e
t o d i s s o l v e a l l t h e i s o l a t e d w a l l s o f h i s s t r a i n o f S .a u r e u s . I t may b e t h a t t h e l o c a l i z e d l y s i s o b s e r v e d
b y M i t c h e l l a n d M o y l e ( 1 0 0 ) r e p r e s e n t s t h e f i r s ts t a g e o f t h e s u b s e q u e n t d i v i s i o n , s i n c e , f o r t h e
d a u g h t e r c e l l s t o d i v i d e i n t h i s p l a n e , t h e e x i s t i n gw a l l s t r u c t u r e m u s t b e d i s s o l v e d i n t h e m e r i d i a n
u n d e r w h i c h t h e s e p t u m o f n e w w a l l i s l a i d d o w n
b e f o r e d i v i s i o n ( F i g . 7 ) .A n u m b e r o f e n z y m e s a t t a c k i n g t h e c e l l w a l l s
o f v e g e t a t i v e o r g a n i s m s h a v e b e e n f o u n d i ns p o r u l a t i n g B a c i l l u s s p e c i e s , a n d t h e s e h a v e
b e e n r e v i e w e d b y S t r a n g e ( 1 6 0 ) . S o m e o f t h e s ee n z y m e s r e s e m b l e l y s o z y m e i n t h e i r a c t i o n ,b u t c e r t a i n d i f f e r e n c e s a r e o b s e r v a b l e i n t h er e a c t i o n p r o d u c t s .
E n z y m e s f r o m b a c t e r i o p h a g e s . B a c t e r i o p h a g e s
h a v e b e e n a n o t h e r s o u r c e o f e n z y m e s r e s e m b l i n gl y s o z y m e i n t h e i r a c t i o n . O n e o f t h e b e s t c h a r -a c t e r i z e d i s t h e e n z y m e f r o m t h e E . c o l i p h a g e
T 2 , w h i c h w a s s t u d i e d b y W e i d e l a n d P r i m o s i g h
( 1 7 6 ) . A r e c e n t p a p e r s h o w s c l e a r l y t h a t t h i se n z y m e p r o d u c e s e s s e n t i a l l y t h e s a m e f r a g m e n t s
f r o m t h e m u c o p e p t i d e o f E . c o l i B a s d o e s
l y s o z y m e , a l t h o u g h t h e r e a r e m i n o r d i f f e r e n c e si n t h e q u a n t i t a t i v e y i e l d o f t h e v a r i o us f r a c t i o n s( 1 2 0 ) . B a r r i n g t o n a n d K o z l o f f ( 2 4 ) e x a m i n e d
t h e a c t i o n o f t h e p h a g e s T 2 r , T 2 r + , T 4 r + , T 5 ,
A-( ---() B 3
1 2 3 4
F I G . 7 . C e l l d i v i s i o n i n s t a p h y l o c o c c i . ( A ) P l a n e
o f l y t i c a c t i o n o b s e r v e d b y M i t c h e l l a n d M o y l e( 1 0 0 ) . ( B ) E n z y m a t i c a l l y w e a k e n e d w a l l .
3 8 PERKINS
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
http://slidepdf.com/reader/full/biosyn-of-cell-wall 22/38
V O L . 2 7 , 1 9 6 3 BACTERIAL CELL WALLS, STRUCTURE AND BIOSYNTHESIS
a n d T 6 r + a n d f o u n d t h a t t h e y , o r t h e i r p r o t e i n" g h o s t s , " w o u l d c a u s e m a t e r i a l f r o m t h e c e l l
w a l l s o f E . c o l i B t o p a s s i n t o s o l u t i o n i n n o n -
s e d i m e n t a b l e f o r m . T h e s i g n i f i c a n c e o f t h i sr e s u l t i s d i f f i c u l t t o i n t e r p r e t i n t e r m s o f e n z y m e
a c t i o n , s i n c e t h e w a l l s h a d b e e n p r e p a r e d b y a
m e t h o d i n v o l v i n g p r e l i m i n a r y d i g e s t i o n b yl y s o z y m e . A s i m i l a r e n z y m e a s s o c i a t e d w i t h
p h a g e h a s b e e n r e p o r t e d i n B . m e g a t e r i u m , a n d
o n c e m o r e t h e e n z y m e w o u l d d i s s o l v e t h e i s o l a t e dc e l l w a l l s w i t h l i b e r a t i o n o f r e d u c i n g g r o u p s ( 1 0 3 ) .T h e e n z y m e p r o d u c e d b y a p h a g e o f M. l y s o -d e i k t i c u s h a s b e e n s t u d i e d b y B r u m f i t t ( 3 0 ) .He f o u n d t h a t t h i s e n z y m e w o u l d a t t a c k t h ei s o l a t e d w a l l s o f n o r m a l a n d p h a g e - r e s i s t a n tM. l y s o d e i k t i c u s b u t n o t t h o s e o f a l y s o z y m e -
r e s i s t a n t s t r a i n o f t h e o r g a n i s m . T h e a c t i o na p p e a r e d t o r e s e m b l e t h a t o f l y s o z y m e , a n d t h ew a l l s o f t h e l y s o z y m e - r e s i s t a n t s t r a i n c o u l d b e
m a d e s e n s i t i v e t o b o t h e n z y m e s b y r e m o v a l o ft h e i r O - a c e t y l g r o u p s w i t h d i l u t e a l k a l i .
S t r e p t o m y c e s e n z y m e s . A n o t h e r e n z y m e r e -
s e m b l i n g l y s o z y m e h a s b e e n o b t a i n e d f r o m
c u l t u r e f i l t r a t e s o f S . a l b u s G . M c C a r t y ( 8 4 , 8 5 )s h o w e d t h a t s u c h f i l t r a t e s c o n t a i n i n g " a c t i n o -m y c e t i n " w o u l d l y s e n o t o n l y w h o l e c e l l s o fh e m o l y t i c s t r e p t o c o c c i ( g r o u p A ) b u t a l s o t h e i ri s o l a t e d c e l l w a l l s . T h e e n z y m e c a u s e d s o m e o f
t h e h e x o s a m i n e o f t h e w a l l s t o b e c o m e d i f f u s i b l et h r o u g h c e l l o p h a n e , a l t h o u g h t h e f r a c t i o n c o n -
t a i n i n g r h a m n o s e r e m a i n e d n o n d i f f u s i b l e . I t i s
c l e a r now t h a t t h e m u c o p e p t i d e c o m p o n e n t h a d
b e e n a t t a c k e d , w h e r e a s t h e r h a m n o s e - g l u c o s a -m i n e p o l y m e r r e m a i n e d u n t o u c h e d . S a l t o n a n d
G h u y s e n h a v e a l s o u s e d t h e s e e n z y m e s e x t e n -
s i v e l y , f r a c t i o n a t i n g t h e c r u d e m a t e r i a l t o s e p a -r a t e t h e l y s o z y m e - l i k e F 1 e n z y m e f r o m o t h e r sd e s c r i b e d b e l o w . T h e F 1 e n z y m e i s o l a t e d b y
G h u y s e n ( 5 2 ) w a s a t f i r s t t h o u g h t n o t t o r e -
s e m b l e l y s o z y m e i n i t s a c t i o n . H o w e v e r , S a l t o na n d G h u y s e n ( 1 4 4 ) s h o w e d t h a t t h e F 1 e n z y m e
p r o d u c e d e x a c t l y t h e s a m e f r a g m e n t s f r o m t h ec e l l w a l l s o f M. l y s o d e i k t i c u s a s d i d e g g - w h i t el y s o z y m e . L i k e l y s o z y m e , t h e F 1 e n z y m e w o u l d
s p l i t d i - a n d t e t r a c h i t o b i o s e , ( 1 - - 4 ) f l - l i n k e dN - a c e t y l g l u c o s a m i n e o l i g o s a c c h a r i d e s , a n d , t h e r e -f o r e , i s p r e s u m a b l y a O - N - a c e t y l h e x o s a m i n i d a s ew i t h s o m e w h a t s i m i l a r s p e c i f i c i t y . H o w e v e r , t h eF 1 e n z y m e w i l l n o t s p l i t t h e d i m e r o f t h e w a l ld i s a c c h a r i d e ( F i g . 4 ) , d i f f e r i n g f r o m l y s o z y m ei n t h i s r e s p e c t ( 4 5 ) .
A f u l l e r a s s e s s m e n t o f t h e s i t e s o f a c t i o n a n d
r e l a t i v e s p e c i f i c i t i e s o f t h e many e n z y m e s w h i c h
a t t a c k b a c t e r i a l c e l l w a l l s m u s t a w a i t m o r e
i n f o r m a t i o n a b o u t c h e m i c a l s t r u c t u r e o f t h e i rs u b s t r a t e s , t h e w a l l s t h e m s e l v e s .
S t r e p t o m y c e s F 2 B E n z y m e
T h e e n z y m e m i x t u r e o b t a i n e d f r o m S t r e p t o -m y c e s b y G h u y s e n y i e l d e d u p o n f r a c t i o n a t i o na n o t h e r e n z y m e , F 2 B , w h i c h d i d n o t r e s e m b l e
l y s o z y m e i n i t s a c t i o n . T h i s e n z y m e a p p e a r e d
t o b e a n a m i d a s e , w h i c h w o u l d c a u s e h y d r o l y s i so f t h e l i n k b e t w e e n t h e c a r b o x y l g r o u p o fN - a c e t y l m u r a m i c a c i d a n d t h e t e r m i n a l a m i n o
g r o u p o f a p e p t i d e c h a i n , a l t h o u g h c e r t a i n w a l l sa n d s m a l l f r a g m e n t s c o n t a i n i n g t h i s l i n k a g ew e r e r e s i s t a n t t o i t s a c t i o n ( 5 3 ) . T h e N - t e r m i n a l
g r o u p l i b e r a t e d w a s t h a t o f a l a n i n e , a l t h o u g hw i t h s o m e s u b s t r a t e s t h e e - a m i n o g r o u p o fl y s i n e w a s a l s o s e t f r e e . I t a p p e a r s t h a t t h e
e n z y m e u s e d c a n n o t h a v e b e e n a p u r e p r e p a r a t i o no f t h e m u r a m i c a c i d a m i d a s e , b u t c o n t a i n e d y e t
o t h e r e n z y m e s a c t i v e u p o n m u c o p e p t i d e f r a g -m e n t s ( 5 4 ) .
A N T I B I O T I C S WHICH S P E C I F I C A L L Y I N H I B I T
C E L L - W A L L S Y N T H E S I S
T h e m u c o p e p t i d e s o f b a c t e r i a l c e l l w a l l s h o l d
a n i n t e r e s t i n g i n t e r m e d i a t e p o s i t i o n i n t h e i r
c h e m i c a l c o m p o s i t i o n , c o m b i n i n g , a s t h e y d o ,s o m e o f t h e f e a t u r e s o f h e t e r o p o l y s a c c h a r i d e sw i t h s o m e o f t h o s e o f p o l y p e p t i d e s . I n a d d i t i o n ,t h e y c o n t a i n t h r e e k i n d s o f s t r u c t u r a l u n i t sp e c u l i a r t o t h e m s e l v e s : m u r a m i c a c i d , D - a m i n o
a c i d s , a n d s o m e t i m e s d i a m i n o p i m e l i c a c i d .T h e s e f a c t s m a k e t h e c e l l w a l l a p a r t i c u l a r l ys a t i s f a c t o r y t a r g e t f o r a n t i b i o t i c s , s i n c e i t i s a
s t r u c t u r e e s s e n t i a l t o t h e b a c t e r i a ( e x c e p t f o rL f o r m s a n d p l e u r o p n e u m o n i a - l i k e o r g a n i s m s )a n d n o t f o u n d i n t h e i r h o s t s . S u c h a n t i b i o t i c sc o u l d a c t b y i n h i b i t i n g a v a r i e t y o f p r o c e s s e sr a n g i n g f r o m t h e b i o s y n t h e s i s o f c o m p o u n d s
p e c u l i a r t o t h e b a c t e r i a l c e l l w a l l , s u c h a s m u r a m i c
a n d d i a m i n o p i m e l i c a c i d s , o r t h e a s s e m b l y o ft h e p e p t i d e c h a i n s w h i c h c o n t a i n D - a m i n o a c i d st o t h e f i n a l p o l y m e r i z a t i o n y i e l d i n g t h e c o m -
p l e t e d s t r u c t u r e ( 1 1 1 ) .A s a g e n e r a l h y p o t h e s i s , i t s e e m s l i k e l y t h a t
a n t i b i o t i c s w h i c h s p e c i f i c a l l y i n h i b i t c e l l - w a l ls y n t h e s i s w i l l b e f o u n d t o a c t c o m p e t i t i v e l ya g a i n s t p a r t i c u l a r e n z y m a t i c r e a c t i o n s i n v o l v e di n t h e p r o c e s s . R e c e n t l y , C o l l i n s a n d R i c h m o n d
( 3 4 ) e x a m i n e d t h e d i m e n s i o n s o f t h e m o l e c u l e s
3 9
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
http://slidepdf.com/reader/full/biosyn-of-cell-wall 23/38
B A C T E R I O L . R E V .
o f p e n i c i l l i n a n d N - a c e t y l m u r a m i c a c i d a n d
s h o w e d t h a t b o t h m o l e c u l e s h a v e g r o u p s l i k e l yt o b e i n v o l v e d i n h y d r o g e n b o n d i n g t o a n e n z y m e
s u r f a c e , a r r a n g e d s p a t i a l l y i n p o s i t i o n s i d e n t i c a lw i t h i n 0 . 1 A . T h i s c a l c u l a t i o n s e e m s t o p r o v i d e a
m o l e c u l a r b a s i s f o r t h e i n h i b i t o r y a c t i o n o fp e n i c i l l i n , a n d s u c h r e l a t i o n s h i p s may w e l l b e
f o u n d t o a p p l y t o s o m e o f t h e o t h e r a n t i b i o t i c sl i s t e d b e l o w .
P e n i c i l l i n s
Many o f t h e e x p e r i m e n t s c o n c e r n e d w i t h t h ef a c t t h a t b e n z y l p e n i c i l l i n i n h i b i t s t h e s y n t h e s i so f t h e c e l l w a l l s o f g r a m - p o s i t i v e o r g a n i s m s a n d
t h e m u c o p e p t i d e p a r t o f t h e w a l l s o f g r a m -
n e g a t i v e b a c t e r i a w i l l b e d e s c r i b e d l a t e r a n d
n o t b e d i s c u s s e d h e r e . O t h e r e x p e r i m e n t s h a v es h o w n t h a t v a r i a n t s o f t h e p e n i c i l l i n m o l e c u l e ,w h i c h a r e b i o l o g i c a l l y a c t i v e , w o r k i n t h e s a m e
w a y . G o o d e r a n d M a x t e d ( 5 7 ) , o n t h e b a s i s o fe x p e r i m e n t s w i t h p e n i c i l l i n - i n d u c e d L f o r m s o fs t r e p t o c o c c i , s u g g e s t e d t h a t t h i s w a s s o f o r t h ea c t i o n o f m e t h i c i l l i n [ 6 - ( 2 , 6 - d i m e t h o x y b e n z a -m i d o ) - p e n i c i l l i n ] ; R o g e r s a n d J e l j a s z e w i e z ( 1 3 1 )s h o w e d t h a t t h e s a m e w a s t r u e i n s t a p h y l o c o c c if o r m e t h i c i l l i n , b r o x i l [ 6 - ( a - p h e n o x y p r o p i o n -a m i d o ) p e n i c i l l a n i c a c i d ] , a n d e v e n f o r 6 - a m i n o -
p e n i c i l l a n i c a c i d . T h e l a t t e r w o r k e r s d e m o n s t r a t e d
t h a t t h e l e v e l s o f t h e v a r i o u s p e n i c i l l i n s r e q u i r e dt o p r o d u c e 70 % i n h i b i t i o n o f c e l l - w a l l s y n t h e s i si n t h e i r s y s t e m , w h i c h e m p l o y s w a s h e d s u s p e n -
s i o n s o f b a c t e r i a , w e r e i n c l o s e p r o p o r t i o n t o t h em i n i m a l i n h i b i t o r y c o n c e n t r a t i o n s f o u n d i n
g r o w t h - i n h i b i t i o n t e s t s ( 1 3 0 ) . T h e y a l s o s h o w e d
t h a t i n a s t r a i n o f S . a u r e u s O x f o r d ( n o r m a l l yp e n i c i l l i n - s e n s i t i v e ) , w h i c h h a d b e e n m a d e r e -
s i s t a n t t o b e n z y l p e n i c i l l i n b y s e l e c t i o n o n m e d i a
c o n t a i n i n g t h e a n t i b i o t i c , s y n t h e s i s o f t h e
m u c o p e p t i d e w a s a l s o u n i n h i b i t e d b y b e n z y l -p e n i c i l l i n . H o w e v e r , t h e s y n t h e t i c p r o c e s s c o u l d
s t i l l b e i n h i b i t e d f u l l y b y m e t h i c i l l i n , a n d t h i sr e s u l t m a t c h e d t h e o b s e r v a t i o n t h a t m e t h i c i l l i n
a l s o i n h i b i t e d t h e g r o w t h o f s u c h b e n z y l p e n i -c i l l i n - r e s i s t a n t s t r a i n s ( 2 2 ) . R o g e r s a n d M a n d e l -
s t a m ( 1 3 2 ) f o u n d t h a t a m p i c i l l i n 6 - ( D - a - a m i n o -p h e n y l a c e t a m i d o ) - p e n i c i l l a n i c a c i d , k n o w n t o
b e m o r e a n t i b i o t i c a l l y a c t i v e t h a n b e n z y l p e n i -c i l l i n a g a i n s t s o m e g r a m - n e g a t i v e s t r a i n s , a l s oi n h i b i t e d t h e s y n t h e s i s o f m u c o p e p t i d e i n E . c o l i
a t a l o w e r c o n c e n t r a t i o n t h a n d i d b e n z y l p e n i c i l -l i n . T h u s , i n g e n e r a l , t h e p a r a l l e l b e t w e e n a n t i -
b i o t i c a c t i v i t y a n d i n h i b i t i o n o f m u c o p e p t i d e
s y n t h e s i s i s w e l l e s t a b l i s h e d .E l e c t r o n m i c r o g r a p h s o f p e n i c i l l i n - t r e a t e d
S . a u r e u s h a v e b e e n p u b l i s h e d b y M u r r a y ,
F r a n c o m b e , a n d M a y a l l ( 1 0 4 ) . T h e c e l l w a l l s ,
a f t e r 1 h r o f t r e a t m e n t w i t h p e n i c i l l i n , a p p e a r e d
t o b e t h i n n e r , a l t h o u g h t h e c e l l s w e r e n o t e n -
l a r g e d , w h e r e a s a f t e r 3 h r t h e c e l l s w e r e l a r g e rb u t t h e t o t a l w a l l v o l u m e , a t l e a s t i n t h e s m a l l
s a m p l e s h o w n i n t h e p u b l i s h e d p h o t o g r a p h s ,
w a s t h e s a m e a s i n t h e o r i g i n a l u n t r e a t e d c e l l s .T h e a u t h o r s s ug g e s t e d t h a t t h e w a l l s w e r e
s t r e t c h e d o v e r t h e e n l a r g e d c y t o p l a s m . I f t h e r ei s i n d e e d a n y r e d u c t i o n o f t h i c k n e s s o f w a l l
m a t e r i a l i n t h e p r e s e n c e o f p e n i c i l l i n , t h e n i t
s e e m s e q u a l l y p o s s i b l e t h a t t h i s m ay b e a r e a l
d i m i n u t i o n i n q u a n t i t y d u e t o t h e a c t i o n o f al y t i c e n z y m e s u c h a s i s known t o b e p r e s e n t i nS . a u r e u s ( 1 0 0 ) . M e a s u r e m e n t s o n a l a r g e n u m b e r
o f s e c t i o n s s u c h a s t h o s e p r e p a r e d b y M u r r a y
e t a l . ( 1 0 4 ) w o u l d b e o f g r e a t v a l u e i n e l u c i d a t i n gt h i s p o i n t . S u g a n u m a ( i n p r e p a r a t i o n ) e x a m i n e d
s u c h s e c t i o n s , a n d h i s r e s u l t s s u g g e s t t h a t ,a l t h o u g h p e n i c i l l i n c l e a r l y i m p a i r s new w a l lf o r m a t i o n , t h e p r e v i o u s l y c o m p l e t e d c e l l - w a l lm a t e r i a l r e m a i n s u n a f f e c t e d .
O x a m y c i n ( D - C y c l o s e r i n e )
I t w a s s h o w n b y S h o c k m a n ( 1 5 4 ) t h a t D - C y c l O -s e r i n e i n h i b i t e d c e l l - w a l l s y n t h e s i s i n S . f a e c a l i s ,a n d S t r o m i n g e r , T h r e n n , a n d S c o t t ( 1 7 0 ) m a d e
a s i m i l a r o b s e r v a t i o n w i t h S . a u r e u s a n d f o u n d
t h a t P a r k n u c l e o t i d e a c c u m u l a t e d , l a c k i n g t h e
f i n a l D - a l a n i n e d i p e p t i d e . T h e i n h i b i t i o n o fm u c o p e p t i d e s y n t h e s i s a n d n u c l e o t i d e a c c u m u l a -
t i o n w e r e r e v e r s e d b y D - a l a n i n e o r D - a l a n i n ed i p e p t i d e . S t r o m i n g e r ( 1 6 6 ) p o i n t e d o u t t h a t
D - a l a n i n e a n d D - c y c l o s e r i n e a r e s t r u c t u r a l l yr e l a t e d , a n d i t s e e m s p o s s i b l e t h a t t h i s a n a l o g o u s
s t r u c t u r e a c c o u n t s f o r t h e i n h i b i t o r y a c t i o n o f
t h e d r u g .
B a c i t r a c i n A
T h i s a n t i b i o t i c w a s s h o w n b y M a n d e l s t a m a n d
R o g e r s ( 9 2 ) t o i n h i b i t c e l l - w a l l s y n t h e s i s i nS . a u r e u s u n d e r c o n d i t i o n s i n w h i c h p r o t e i ns y n t h e s i s w a s s t o p p e d . I t w a s a l s o f o u n d b yA b r a h a m a n d N e w t o n ( 1 ) t o l e a d t o t h e a c c u m u -
l a t i o n o f u r i d i n e N - a c e t y l a m i n o s u g a r c o m p o u n d s
s i m i l a r t o t h o s e f o u n d i n p e n i c i l l i n - t r e a t e d S .a u r e u s . I t d o e s n o t n e c e s s a r i l y f o l l o w , o f c o u r s e ,t h a t i n h i b i t i o n o f t h e s y n t h e s i s o f m u c o p e p t i d e
4 0 PERKINS
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
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V O L . 2 7 , 1 9 6 3 BACTERIAL CELL WALLS, STRUCTURE AND BIOSYNTHESIS
o c c u r r e d a t t h e s a m e p o i n t w i t h t h e t w o d r u g s ,s i n c e a n y i n h i b i t i o n o f t h e p r o c e s s a t a s t a g ea f t e r t h e f o r m a t i o n o f t h e P a r k n u c l e o t i d e mayw e l l l e a d t o s u c h a n a c c u m u l a t i o n o f n u c l e o t i d e s .E l u c i d a t i o n o f t h e s t r u c t u r e o f b a c i t r a c i n h a s
s h o w n t h a t , i n a d d i t i o n t o c o n t a i n i n g D - a m i n oa c i d r e s i d u e s , i t p o s s e s s e s a n a m i d e l i n k b e t w e e n
t h e e - a m i n o g r o u p o f l y s i n e a n d a c a r b o x y lg r o u p o f a s p a r t i c a c i d . S w a l l o w a n d A b r a h a m
( 1 7 2 ) s h o w e d t h a t a c i d h y d r o l y s i s o f b a c i t r a c i nl e d t o t h e f o r m a t i o n o f E - ( a m i n o s u c c i n y l ) - l y s i n ed u e t o t h e p r e s e n c e o f t h i s l i n k a g e , a n d t h a t t h e
s a m e m a t e r i a l w a s f o u n d i n h y d r o l y s a t e s o f t h ec e l l w a l l s o f l a c t o b a c i l l i ( s e e a l s o 6 7 ) . I t i s t e m p t i n g
t o c o n s i d e r , t h e r e f o r e , t h a t b a c i t r a c i n mayi n h i b i t c e l l - w a l l s y n t h e s i s b y p r e v e n t i n g t h ef o r m a t i o n o f l i n k a g e s o n t h e e - a m i n o g r o u p o fl y s i n e o r d i a m i n o p i m e l i c a c i d , s i n c e t h e r e i s
e v i d e n c e t h a t t h i s a m i n o g r o u p i s a t l e a s t p a r t i a l l yb l o c k e d i n A l . l y s o d e i k t i c u s a n d S . a u r e u s a n d
i n many o t h e r b a c t e r i a ( 1 4 3 ) , a l t h o u g h t h ea s p a r t i c a c i d l i n k i s n o t a l w a y s p r e s e n t .
V a n c o m y c i n
T h i s a n t i b i o t i c o f u n k n o w n s t r u c t u r e h a s b e e n
s h o w n t o i n h i b i t m u c o p e p t i d e s y n t h e s i s i n S .a u r e u s b e f o r e a n y e f f e c t s c a n b e o b s e r v e d i n o t h e rp r o c e s s e s ( 7 7 ) . I t i s i n t e r e s t i n g t o n o t e t h a t ,
u n l i k e b a c i t r a c i n a n d p e n i c i l l i n , v a n c o m y c i na p p a r e n t l y d o e s n o t c o n t a i n a n y s u l f u r , b u t i s
k n o w n t o y i e l d , a m o n g o t h e r t h i n g s , D - g l u c o s ea n d a s p a r t i c a c i d o n h y d r o l y s i s ( 6 1 ) .
N o v o b i o c i n
T h i s a n t i b i o t i c i s a c a r b o n , h y d r o g e n , n i t r o g e n ,a n d o x y g e n c o m p o u n d , t h e s t r u c t u r e o f w h i c h
i n c l u d e s n o v i o s e , a s u b s t i t u t e d c o u m a r i n a n d a
s u b s t i t u t e d b e n z o i c a c i d ( 2 ) . L i k e p e n i c i l l i n , i t
h a s b e e n s h o w n t o c a u s e t h e a c c u m u l a t i o n o fP a r k n u c l e o t i d e s b y S . a u r e u s C o p e n h a g e n ( 1 6 9 ) .
EVIDENCE ON THE B I O S Y N T H E S I S O F B A C T E R I A L
C E L L WALLS
To s o m e e x t e n t , k n o w l e d g e o f t h e c h e m i c a l
s t r u c t u r e o f b a c t e r i a l c e l l w a l l s a n d o f t h e b i o -s y n t h e s i s o f s o m e o f t h e i r c o m p o n e n t s h a s g r o w n
s i d e b y s i d e . P a r k ( 1 0 9 ) f i r s t o b s e r v e d t h a t c e l l so f S . a u r e u s , w h e n i n h i b i t e d w i t h p e n i c i l l i n ,a c c u m u l a t e d u r i d i n e n u c l e o t i d e s w h i c h c o n t a i n e d
a m i n o s u g a r a n d , i n s o m e c a s e s , a m i n o a c i d s ,a n d P a r k a n d S t r o m i n g e r ( 1 1 4 ) p o i n t e d o u t
t h a t s u c h c o m p o u n d s w o u l d b e i d e a l b i o c h e m i c a l
p r e c u r s o r s f o r t h e m u c o p e p t i d e o f t h e c e l l w a l l s ,w h i c h c o n t a i n e d t h e s a m e a m i n o s u g a r , m u r a m i c
a c i d , a n d t h e s a m e a m i n o a c i d s , g l u t a m i c a c i d ,a l a n i n e , a n d l y s i n e . ( T h e w a l l s a l s o c o n t a i n e d a
h i g h p r o p o r t i o n o f g l y c i n e a n d g l u c o s a m i n e ,
b u t t h e s e c o m p o u n d s w e r e n o t f o u n d i n t h ea c c u m u l a t e d n u c l e o t i d e s . ) I n f o r m a t i o n a b o u t
t h e b i o s y n t h e s i s o f c e l l - w a l l m u c o p e p t i d e s h a s
b e e n d i v i d e d i n t o t w o p a r t s , d e r i v e d f r o m t h es t u d y o f t h e s y n t h e s i s o f t h e P a r k n u c l e o t i d e so n t h e o n e h a n d a n d o f t h e s y n t h e s i s o f c o m p l e t e
m u c o p e p t i d e s o n t h e o t h e r . A t t h e p r e s e n t t i m e ,t h e r e i s n o d i r e c t e v i d e n c e t h a t t h e P a r k n u c l e o -t i d e s a r e i n d e e d p r e c u r s o r s i n t h e s y n t h e s i s o fw a l l m u c o p e p t i d e s b y t h e c e l l , b u t t h e c i r c u m -
s t a n t i a l e v i d e n c e o f a c o n n e c t i o n i s f a i r l y s t r o n g .Much o f t h i s e v i d e n c e i s c o n c e r n e d w i t h t h ef a c t t h a t , w h e n p e n i c i l l i n a c t s u p o n g r o w i n g
b a c t e r i a , t h e c e l l s l y s e ; a s e a r l y a s 1 9 4 6 , D u g u i d
( 4 6 ) s u g g e s t e d t h a t p e n i c i l l i n " i n t e r f e r e s s p e c i f i -c a l l y w i t h t h e f o r m a t i o n o f t h e o u t e r s u p p o r t i n g
c e l l - w a l l , w h i l e o t h e r w i s e a l l o w i n g g r o w t h t op r o c e e d u n t i l t h e o r g a n i s m f i n a l l y b u r s t s i t sd e f e c t i v e e n v e l o p e a n d s o u n d e r g o e s l y s i s . "S i m i l a r l y , L e d e r b e r g ( 8 3 ) s h o w e d t h a t c u l t u r eo f E . c o l i i n t h e p r e s e n c e o f p e n i c i l l i n a n d h y p e r -
t o n i c s u c r o s e l e d t o t h e f o r m a t i o n o f c e l l s w h i c h
h a d l o s t t h e r i g i d i t y o f t h e i r r o d - s h a p e d w a l l s
a n d a d o p t e d a s p h e r i c a l f o r m . S a l t o n a n d S h a f a( 1 4 8 ) a l s o s h o w e d t h a t w h e n s p h e r o p l a s t s o f t h eg r a m - n e g a t i v e V i b r i o m e t s c h n i k o v i i a n d S a l -m o n e l l a g a l l i n a r u m w e r e p r o d u c e d b y t h e a c t i o no f p e n i c i l l i n , a n d t h e w a l l s c o n t a i n e d a r e d u c e d
c o n t e n t o f a m i n o s u g a r a n d d i a m i n o p i m e l i c
a c i d , b o t h c o m p o n e n t s o f m u c o p e p t i d e . S i n c et h e P a r k n u c l e o t i d e s a c c u m u l a t e d i n t h e p r e s e n c e
o f p e n i c i l l i n , a n d s i n c e t h e y a l s o c o n t a i n e d
D - a l a n i n e , D - g l u t a m i c a c i d , a n d m u r a m i c a c i d ,t h e i d e a o f a c o n n e c t i o n b e t w e e n t h e m a n d
m u c o p e p t i d e m e t a b o l i s m b e c a m e a t t r a c t i v e ,
t h o u g h t o w h a t e x t e n t t h e y w e r e d i r e c t p r e c u r s o r so f m u c o p e p t i d e w a s n o t s o o b v i o u s . T h i s p r o b l e m
i s d i s c u s s e d b e l o w .
B i o s y n t h e s i s o f M u r a m i c A c i d a n d D i a m i n o p i m e l i c
A c i d
B e f o r e c o n s i d e r i n g t h e f o r m a t i o n o f m u c o p e p -
t i d e s , i t i s c o n v e n i e n t t o s a y s o m e t h i n g a b o u t
t h e b i o s y n t h e s i s o f t h e i r s p e c i f i c b u i l d i n g b l o c k s ,m u r a m i c a c i d a n d d i a m i n o p i m e l i c a c i d . T h e
e v i d e n c e a b o u t t h e f o r m e r c o m p o u n d i s , a t
p r e s e n t , f r a g m e n t a r y . S t r o m i n g e r ( 1 6 3 ) , u s i n g
4 1
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
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B A C T E R I O L . R E V .
e x t r a c t s o f S . a u r e u s , E . c o l i , o r A e r o b a c t e ra e r o g e n e s , w a s a b l e t o d e m o n s t r a t e t h e c o n d e n -
s a t i o n o f u r i d i n e d i p h o s p h o - N - a c e t y l g l u c o s a m i n e
w i t h p h o s p h o e n o l p y r u v a t e , w i t h t h e e l i m i n a t i o no f 1 m o l e o f i n o r g a n i c p h o s p h a t e . T h e p r o d u c t
w a s n o t , h o w e v e r , u r i d i n e d i p h o s p h o - N - a c e t y lm u r a m i c a c i d , b u t a p p a r e n t l y a 3 - 0 - s u b s t i t u t e dg l u c o s a m i n e d e r i v a t i v e , w h i c h w a s m u c h m o r e
l a b i l e t o a c i d h y d r o l y s i s . I t s e e m e d p r o b a b l e
t h a t t h e p r o d u c t w a s u r i d i n e d i p h o s p h o - N - a c e t y l -3 - 0 - e n o l - p y r u v y l g l u c o s a m i n e . I n S t r o m i n g e r ' ss y s t e m , u r i d i n e d i p h o s p h o - N - a c e t y l g l u c o s a m i n ec o u l d n o t b e r e p l a c e d b y u r i d i n e d i p h o s p h o - N -
a c e t y l g a l a c t o s a m i n e , N - a c e t y l g l u c o s a m i n e , N - a c -
e t y l g l u c o s a m i n e - 1 - p h o s p h a t e , n o r c o u l d p h o s p h o -
e n o l - p y r u v a t e b e r e p l a c e d b y 2 - p h o s p h o - D L - l a c -t a t e , 2 - p h o s p h o - D - o r L - g l y c e r a t e , 3 - p h o s p h o - D -g l y c e r a t e , o x a l o a c e t a t e , a n d p y r u v a t e , o r l a c t a t ep l u s a d e n o s i n e t r i p h o s p h a t e ( A T P ) . I t s e e m s
t h a t t h i s c o u l d b e a f i r s t s t a g e i n t h e b i o s y n t h e s i so f m u r a m i c a c i d , a n d S t r o m i n g e r h a s s i n c e m e n -
t i o n e d ( 1 6 6 ) t h a t h e h a s o b t a i n e d t r u e m u r a m i c
a c i d i n s u c h a s y s t e m , b u t t h e f u l l e v i d e n c e i s n o t
y e t a v a i l a b l e .T h e b i o s y n t h e s i s o f t h e 3 - 0 - c a r b o x y e t h y l
s i d e c h a i n o f m u r a m i c a c i d w a s a l s o s t u d i e d b y
R i c h m o n d a n d P e r k i n s ( 1 2 7 ) , u s i n g w h o l e c e l l so f S . a u r e u s 5 2 4 S C . T h e y f o u n d t h a t w h e n c e l l
w a l l w a s s y n t h e s i z e d b y t h i s o r g a n i s m , u n d e rt h e c o n d i t i o n s d e s c r i b e d b y M a n d e l s t a m a n d
R o g e r s ( 9 2 ) , r a d i o a c t i v i t y f r o m C 1 4 - l a b e l e da l a n i n e w a s s p e c i f i c a l l y i n c o r p o r a t e d i n t h e s i d ec h a i n o f m u r a m i c a c i d , b u t n o t i n t o g l u c o s a m i n e .T h e y w e r e a b l e t o s h o w t h a t t h e t h r e e - c a r b o nf r a g m e n t w a s i n c o r p o r a t e d w i t h o u t i n v e r s i o n , a n d
o t h e r e x p e r i m e n t s o n t h e i n c o r p o r a t i o n o f r a d i o -a c t i v i t y f r o m g l u c o s e a n d a s p a r t i c a c i d p o i n t e dt o p h o s p h o e n o l p y r u v a t e a s t h e p r o b a b l e p r e -c u r s o r , a l t h o u g h o t h e r a s y m m e t r i c t h r e e - c a r b o nc o m p o u n d s i n t h e g l y c o l y t i c p a t h w a y w e r e
n o t e x c l u d e d .T h e s y n t h e s i s o f m u r a m i c a c i d i n L a c t o b a c i l l u s
b i f i d u s v a r . p e n n s y l v a n i c u s h a s a l s o b e e n
e x a m i n e d . T h i s o r g a n i s m r e q u i r e s g l y c o s i d e so f N - a c e t y l g l u c o s a m i n e i n o r d e r t o g r o w . O ' B r i e n ,G l i c k , a n d Z i l l i k e n ( 1 0 8 ) s h o w e d t h a t r a d i o -a c t i v i t y f r o m C 1 4 - l a b e l e d e t h y l - N - a c e t y l g l u c o s -a m i n i d e w a s i n c o r p o r a t e d i n t o t h e m u r a m i c
a c i d o f t h e c e l l w a l l . A p p a r e n t l y , h o w e v e r , t h i so r g a n i s m w a s n o t a b l e t o u s e N - a c e t y l m u r a m i c
a c i d a s a w a l l p r e c u r s o r . B e c a u s e o f t h e d i f f i c u l t yo f i n t e r p r e t i n g t r a c e r e x p e r i m e n t s i n w h o l e c e l l s ,
f O O HC H . N H 2
C H 2
C O O H
C O O H
C H 2C 1 1i H 2O O H
C H 3
c o
C O O H
C O O H
C H . N H C O . C H 2 C H 2 C O O HC H
i 2c o
C I
2c o
C O O H
C O O H C O O H C O O HI ~ ~~~~~~~~~I
CH . N H i C 0.CH CH COOHC H . N H C O . C C H 2 C H 2 C ° ° H CHNH
C H . I I CCHII H2 CHII2 2 1 i2C I C I I 2C H 2 P I C H 2
CO ~ ~ ~ ~ ~ ~COO II~~~~~H C O O H O O
C H 2 2 C2CH~~~~~ I 2C H
2 C H 2C I I 2 HN 2 H C H 2
4~~~~I2O I
Co COOH~~~~H N 2 C IC O O H
F I G . 8 . B i o s y n t h e s i s o f d i a m i n o p i m e l i c a c i d
( 1 2 3 )
i t i s c l e a r t h a t f u r t h e r e l u c i d a t i o n o f t h e b i o -s y n t h e s i s o f m u r a m i c a c i d a w a i t s t h e d i s c o v e r yo f a n e f f i c i e n t c e l l - f r e e s y s t e m .
T h e p a t h w a y b y w h i c h b a c t e r i a s y n t h e s i z ed i a m i n o p i m e l i c a c i d h a s b e e n s t u d i e d b y G i l v a r g
a n d o t h e r s , w i t h t h e a i d o f c e l l - f r e e p r e p a r a t i o n s
o f m u t a n t s o f E . c o l i ( 1 2 3 ) . A s p a r t i c a c i d a n dp y r u v i c a c i d a r e c o n d e n s e d w i t h s u c c i n i c a c i dt o y i e l d t h e 6 - s u c c i n a m i d o d e r i v a t i v e o f 2 , 4 -d i k e t o p i m e l i c a c i d . R e d u c t i o n o f t h e 4 - k e t o g r o u p
a n d r e p l a c e m e n t o f t h e 2 - k e t o g r o u p b y a n
a m i n o g r o u p , f o l l o w e d b y l o s s o f t h e s u c c i n y ls u b s t i t u e n t , l e a d s t o t h e f o r m a t i o n o f a , E -
d i a m i n o p i m e l i c a c i d ( F i g . 8 ) . Meadow a n d Work
( 9 4 ) s h o w e d t h a t d i a m i n o p i m e l i c a c i d w a s a n
i m p o r t a n t p r e c u r s o r f o r t h e b i o s y n t h e s i s o fl y s i n e i n E . c o l i , b u t t h e r e w a s a n o t h e r p a t h w a y
w h i c h d i d n o t i n v o l v e d i a m i n o p i m e l i c a c i d .
P a r k N u c l e o t i d e s
S i n c e t h e d i s c o v e r y o f t h e s e c o m p o u n d s , e v i -d e n c e h a s b e e n o b t a i n e d s u g g e s t i n g t h a t t h e y
may b e b u i l t u p b y s e r i a l a d d i t i o n o f r e s i d u e s t ou r i d i n e d i p h o s p h o - N - a c e t y l g l u c o s a m i n e . T h e f i r s t
s t e p , a d d i t i o n o f a l a c t i c a c i d - e t h e r s i d e c h a i n t o
f o r m u r i d i n e d i p h o s p h o - N - a c e t y l m u r a m i c a c i d ,i s d i s c u s s e d a b o v e . T h e f o r m a t i o n o f t h e p e p t i d ec h a i n o f a m i n o a c i d s f r o m t h e a m i n o s u g a r e n d
w a s f i r s t s u g g e s t e d b y t h e i s o l a t i o n o f i n c o m p l e t en u c l e o t i d e s i n w h i c h s o m e o f t h e a m i n o a c i d s
4 2 PERKINS
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
http://slidepdf.com/reader/full/biosyn-of-cell-wall 26/38
V O L . 2 7 , 1 9 6 3 BACTERIAL CELL WALLS, STRUCTURE AND BIOSYNTHESIS
w e r e m i s s i n g . T h u s , i n P a r k ' s ( 1 0 9 ) o r i g i n a lp a p e r s , a n u c l e o t i d e w i t h o n l y 1 m o l e o f a l a n i n ea t t a c h e d w a s d e s c r i b e d , a s w e l l a s o n e w h i c h
c o n t a i n e d 3 m o l e s o f a l a n i n e a n d 1 e a c h o f g l u -t a m i c a c i d a n d l y s i n e . S t r o m i n g e r , S c o t t , a n d
T h r e n n ( 1 6 8 ) f o u n d t h a t a m u t a n t o f E . c o l i ,w h i c h r e q u i r e d d i a m i n o p i m e l i c a c i d f o r g r o w t h ,
c o n t a i n e d a h i g h s t e a d y - s t a t e c o n c e n t r a t i o n o fu r i d i n e d i p h o s p h o - N - a c e t y l m u r a m i c a c i d - L -a l a n i n e - D - g l u t a m i c a c i d - m e s o - d i a m i n o p i m e l i ca c i d - D - a l a n i n e - D - a l a n i n e , a n u c l e o t i d e s i m i l a r t ot h a t w h i c h P a r k i s o l a t e d f r o m p e n i c i l l i n - t r e a t e dS . a u r e u s . I f , h o w e v e r , t h e c e l l s w e r e d e p r i v e d o fd i a m i n o p i m e l i c a c i d , j u s t b e f o r e l y s i s e n s u e d ,t h e n u c l e o t i d e u r i d i n e d i p h o s p h o - N - a c e t y l -m u r a m i c a c i d - L - a l a n i n e - D - g l u t a m i c a c i d c o u l d b e
d e t e c t e d , s u g g e s t i n g t h a t b i o s y n t h e s i s o f t h e
n u c l e o t i d e h a d c o n t i n u e d u p t o t h e p o i n t a tw h i c h d i a m i n o p i m e l i c a c i d w o u l d h a v e b e e n
a d d e d i f a v a i l a b l e . S i m i l a r l y , i n S . a u r e u s C o p e n -
h a g e n s u b j e c t e d t o l y s i n e d e p r i v a t i o n , S t r o m i n g e r
a n d T h r e n n ( 1 6 9 ) w e r e a b l e t o d e m o n s t r a t e t h ea c c u m u l a t i o n o f u r i d i n e d i p h o s p h o - N - a c e t y l -m u r a m i c a c i d - L - a l a n i n e - D - g l u t a m i c a c i d ; S t r o m -
i n g e r , T h r e n n , a n d S c o t t ( 1 7 0 ) s h o w e d t h a t S .a u r e u s , i n h i b i t e d b y o x a m y c i n , a c c u m u l a t e d a n
a n a l o g o u s n u c l e o t i d e , u r i d i n e d i p h o s p h o - N -
a c e t y l m u r a m i c a c i d - L - a l a n i n e - D - g l u t a m i c a c i d - L -
l y s i n e . T h e s e f a c t s r e i n f o r c e t h e h y p o t h e s i s t h a tt h e s e n u c l e o t i d e s a r e f o r m e d i n t h e c e l l b y
a d d i t i o n o f a m i n o a c i d s a t t h e c a r b o x y l e n d .I t o a n d S t r o m i n g e r ( 7 2 ) m a d e a p r e l i m i n a r ys t u d y o f t h i s p r o c e s s b y m e a n s o f e n z y m e s
p r e s e n t i n a n ammonium s u l f a t e p r e c i p i t a t eo b t a i n e d f r o m s o n i c - t r e a t e d c e l l s o f S . a u r e u s .U s i n g t h e v a r i o u s n u c l e o t i d e s , w h i c h a r e t h es u p p o s e d i n t e r m e d i a t e s i n t h e b i o s y n t h e s i s o ft h e P a r k n u c l e o t i d e , a s s u b s t r a t e s i n t h e p r e s e n c e
o f r a d i o a c t i v e a l a n i n e , g l u t a m i c a c i d , a n d l y s i n e ,t h e y s h o w e d t h a t o n l y t h e a p p r o p r i a t e a m i n o
a c i d w a s c o n v e r t e d i n a b o u t 1 0 t o 2 0 % y i e l di n t o a c h a r c o a l - a d s o r b a b l e f o r m , s u b s e q u e n t l y
i s o l a t e d a n d i d e n t i f i e d a s t h e n e x t n u c l e o t i d e i nt h e s y n t h e t i c c h a i n .
F u r t h e r m o r e , w h e n u r i d i n e d i p h o s p h o - N -
a c e t y l m u r a m i c a c i d - L - a l a n i n e - D - g l u t a m i c a c i d - L -l y s i n e w a s t h e s u b s t r a t e , p a r t i a l l y p u r i f i e d e n z y m e
r e q u i r e d D - a l a n y l - D - a l a n i n e t o c o m p l e t e t h eP a r k n u c l e o t i d e ; D - a l a n i n e , L - a l a n i n e , L - a l a n y l - L -a l a n i n e , o r D - a l a n y l - L - a l a n i n e w o u l d n o t s u f f i c e .T h e y s h o w e d , t o o , t h a t f o r t h e a d d i t i o n o f l y s i n eb y p u r i f i e d e n z y m e , ATP a n d a d i v a l e n t c a t i o n
( M g + + o r Mn+) w e r e r e q u i r e d a b s o l u t e l y ( 7 3 ) .A t t h e s a m e t i m e , P 3 p h o s p h a t e ( n o t p y r o p h o s -
p h a t e ) e x c h a n g e w i t h t h e ATP o c c u r r e d , d e -p e n d e n t u p o n t h e p r e s e n c e o f t h e s u b s t r a t en u c l e o t i d e ; t h e a u t h o r s s u g g e s t t h a t t h e t e r m i n a l
c a r b o x y l g r o u p o f t h e n u c l e o t i d e m u s t b e a c t i -v a t e d b e f o r e a d d i t i o n o f t h e l y s i n e . A t a n y r a t e ,t h e p r o c e s s a p p e a r s t o b e a n a l o g o u s t o t h e s y n -
t h e s i s o f g l u t a t h i o n e . A s a r e s u l t o f t h e s e e x p e r i -m e n t s t h e f o l l o w i n g s c h e m e f o r t h e b i o s y n t h e s i so f t h e P a r k n u c l e o t i d e w a s p r o p o s e d : u r i d i n ed i p h o s p h o - N - a c e t y l m u r a m i c a c i d + L - a l a n i n eMTP
) u r i d i n e d i p h o s p h o - N - a c e t y l m u r a m i c
a c i d - L - a l a n i n e ; u r i d i n e d i p h o s p h o - N - a c e t y l m u r a -
ATPm i c a c i d - L - a l a n i n e + D - g l u t a m i c a c i d -
Mn++u r i d i n e d i p h o s p h o - N - a c e t y l m u r a m i c a c i d - L -a l a n i n e - D - g l u t a m i c a c i d ; u r i d i n e d i p h o s p h o - N -
a c e t y l m u r a m i c a c i d - L - a l a n i n e - D - g l u t a m i c a c i d +ATP
L - l y s i n e - M u r i d i n e d i p h o s p h o - N - a c e t y l m u r a -Mn+F
m i c a c i d - L - a l a n i n e - D - g l u t a m i c a c i d - L - l y s i n e ; 2ATP
D - a l a n i n e - ) D - a l a n i n e - D - a l a n i n e ; a n d u r i d i n eMn++
d i p h o s p h o - N - a c e t y l m u r a m i c a c i d - L - a l a n i n e - D -g l u t a m i c a c i d - L - l y s i n e + D - a l a n i n e - D - a l a n i n e
ATPM u r i d i n e d i p h o s p h o - N - a c e t y l m u r a m i c a c i d -Mn++
L - a l a n i n e - D - g l u t a m i c a c i d - r l y s i n e - D - a l a n i n e - D -a l a n i n e .
M g + + w o u l d r e p l a c e Mn + i n a l l t h e s e r e -a c t i o n s . I t t h e r e f o r e s e e m s l i k e l y t h a t a l l t h e s ep e p t i d e l i n k s a r e f o r m e d w i t h o u t r e q u i r i n gr i b o n u c l e i c a c i d t o c o n f e r s p e c i f i c i t y i n t h e w a y i nw h i c h i t i s c o n s i d e r e d t o a c t i n p r o t e i n s y n t h e s i s .
T h i s s t e p w i s e s y n t h e s i s o b s e r v e d i n a c e l l - f r e e
s y s t e m i s p r e c i s e l y w h a t w o u l d h a v e b e e n a n -
t i c i p a t e d f r o m t h e c o m p o s i t i o n o f t h e p a r t i a lP a r k n u c l e o t i d e s i s o l a t e d u n d e r v a r i o u s c o n d i -t i o n s . T h e a d d i t i o n o f t h e t e r m i n a l D - a l a n l n er e s i d u e s a s a p r e f o r m e d d i p e p t i d e i s a s t r i k i n gf e a t u r e . S n e l l , R a d i n , a n d I k a w a ( 1 5 7 ) a n d
I k a w a a n d S n e l l ( 6 5 ) d e m o n s t r a t e d t h e p r e s e n c e
o f D - a l a n i n e a n d D - g l u t a m i c a c i d i n t h e c e l l w a l l so f s t r e p t o c o c c i , a n d l a t e r I k a w a a n d S n e l l ( 6 6 )s h o w e d t h a t , w h e n S . f a e c a l i s w a s g r o w n i n t h e
p r e s e n c e o f D - a l a n i n e a n d t h e a b s e n c e o f v i t a m i n
B 6 , 1 5% o f t h e D - a l a n i n e p r e s e n t i n a c o l d t r i -
c h l o r o a c e t i c a c i d e x t r a c t w a s i n t h e f o r m o f
4 3
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
http://slidepdf.com/reader/full/biosyn-of-cell-wall 27/38
B A C T E R I O L . R E V .
D - a l a n y l - D - a l a n i n e . T h e s y n t h e t i c e n z y m e f o ri t s f o r m a t i o n , s t u d i e d b y I t o a n d S t r o m i n g e r
( 7 2 ) , w a s a l s o f o u n d i n S . f a e c a l i s R b y N e u h a u s
( 1 0 6 ) . N e u h a u s , h o w e v e r , w a s a b l e t o s e p a r a t e
t h i s e n z y m e f r o m a D - a l a n i n e a c t i v a t i n g e n z y m e
a l s o p r e s e n t i n h i s p r e p a r a t i o n s w h i c h c a t a l y z e dp y r o p h o s p h a t e - A T P e x c h a n g e ( 2 1 ) . T h e s y n -
t h e t a s e , o n t h e o t h e r h a n d , c o u p l e d d i p e p t i d e
f o r m a t i o n w i t h s i m u l t a n e o u s l i b e r a t i o n o f 1 m o l e
o f i n o r g a n i c p h o s p h a t e f r o m ATP. T h e w h o l e
p r o c e s s o f s y n t h e s i s o f t h e P a r k n u c l e o t i d e w o u l d
t h e r e f o r e a p p e a r t o b e i n d e p e n d e n t o f t h e t y p e
o f c a r b o x y l g r o u p a c t i v a t i o n i n v o l v i n g p y r o -
p h o s p h a t e - A T P e x c h a n g e .
M u c o p e p t i d e
S t u d y o f t h e b i o s y n t h e s i s o f t h e c o m p l e t e
m u c o p e p t i d e p r e s e n t i n t h e c e l l w a l l h a s b e e ng r e a t l y f a c i l i t a t e d b y t h e o b s e r v a t i o n t h a t t h e
p r o c e s s c a n c o n t i n u e i n c i r c u m s t a n c e s i n w h i c h
p r o t e i n s y n t h e s i s i s p r e v e n t e d . S h o c k m a n , K o l b ,
a n d T o e n n i e s ( 1 5 6 ) s h o w e d t h a t c e l l - w a l l s y n -
t h e s i s c o n t i n u e d i n c e l l s o f S . f a e c a l i s , a l t h o u g h
p r o t e i n s y n t h e s i s h a d b e e n p r e v e n t e d b y v a l i n ed e p l e t i o n . M a n d e l s t a m a n d R o g e r s ( 9 1 ) a n d
H a n c o c k a n d P a r k ( 5 8 ) f o u n d t h a t c e l l s o f S .a u r e u s w o u l d s y n t h e s i z e c e l l - w a l l m a t e r i a l w i t h -o u t a p a r a l l e l i n c r e a s e i n p r o t e i n c o n t e n t , e i t h e ri n
t h ep r e s e n c e o f g l u c o s e a n d o n e o r m o r e o f
t h e m u c o p e p t i d e a m i n o a c i d s , o r i n t h e p r e s e n c e
o f c h l o r a m p h e n i c o l . T h u s , t h e way w a s o p e n f o ri n v e s t i g a t i o n o f m u c o p e p t i d e b i o s y n t h e s i s b y
m e t h o d s i n v o l v i n g t h e i n c o r p o r a t i o n o f r a d i o -a c t i v e a m i n o a c i d s .
P a r k a n d S t r o m i n g e r ( 1 1 4 ) f i r s t s u g g e s t e d
t h a t t h e a m i n o a c i d - m u r a m i c a c i d P a r k n u c l e o t i d et h a t a c c u m u l a t e d i n S . a u r e u s i n t h e p r e s e n c e o f
p e n i c i l l i n was a d i r e c t p r e c u r s o r o f t h e w a l lm u c o p e p t i d e ; t h e y d r e w a t t e n t i o n t o t h e f a c tt h a t t h e a m i n o a c i d r a t i o i n t h e c e l l w a l l s o f t h i s
o r g a n i s m ( d i s r e g a r d i n g g l y c i n e ) w a s t h e s a m e a si n t h e n u c l e o t i d e : 1 m o l e e a c h o f l y s i n e a n d
g l u t a m i c a c i d a n d 3 m o l e s o f a l a n i n e . L a t e r ,S t r o m i n g e r , P a r k , a n d T h o m p s o n ( 1 6 7 ) p u b l i s h e da f u l l e r a c c o u n t o f t h e i r a n a l y s e s i n s u p p o r t o ft h i s c o n t e n t i o n . T h e y f o u n d t h a t , a s i n t h e
n u c l e o t i d e , g l u t a m i c a c i d w a s m a i n l y i n t h eD c o n f i g u r a t i o n , l y s i n e i n t h e L c o n f i g u r a t i o n ,a n d t w o - t h i r d s o f t h e a l a n i n e i n t h e D a n d t h er e m a i n d e r i n t h e L c o n f i g u r a t i o n ( s e e a l s o 1 6 9 ) .I n a d d i t i o n t o t h e f a c t t h a t t h e n u c l e o t i d e sa c c u m u l a t e , P a r k ( 1 1 2 ) a n d M a n d e l s t a m a n d
R o g e r s ( 9 2 ) s h o w e d c o n c l u s i v e l y t h a t p e n i c i l l i nd i d i n d e e d i n h i b i t t h e f o r m a t i o n o f m u c o p e p t i d e ,
s o t h a t t h e p i c t u r e a p p e a r e d t o b e c o m p l e t e .
C e r t a i n d i f f i c u l t i e s a r i s e , h o w e v e r , i n a d e t a i l e de x a m i n a t i o n o f t h i s h y p o t h e s i s . O n e s t u m b l i n g
b l o c k i s t h e p r e s e n c e o f l a r g e a m o u n t s o f g l y c i n ei n t h e c e l l w a l l o f S . a u r e u s . I f o n e a s s u m e s t h a t
t h e m u c o p e p t i d e i s f o r m e d b y t h e t r a n s g l y c o s y l a -t i o n o f t h e N - a c e t y l m u r a m i c a c i d - p e p t i d em o i e t i e s t o t h e a p p r o p r i a t e p o i n t i n a m u c o p o l y -
s a c c h a r i d e c h a i n ( p r e s u m a b l y a t C - 4 o f a t e r m i -n a l N - a c e t y l g l u c o s a m i n e r e s i d u e ) , t h e n g l y c i n ew o u l d h a v e t o b e a d d e d l a t e r t o y i e l d t h e c o m -
p l e t e d s t r u c t u r e . A l t h o u g h g l y c i n e w a s n o t
p r e s e n t i n t h e n u c l e o t i d e s d e s c r i b e d b y P a r k
( 1 0 9 ) , i t h a s b e e n f o u n d i n s i m i l a r m a t e r i a l b y
I t o , I s h i m o t o , a n d S a i t o ( 7 0 , 7 1 ) . T h e s e w o r k e r s
e x t r a c t e d c e l l s o f S . a u r e u s 2 0 9 P w i t h i c e - c o l d1 0 % t r i c h l o r o a c e t i c a c i d ( e i t h e r w i t h o r w i t h o u t
p r e v i o u s i n c u b a t i o n w i t h p e n i c i l l i n ) a n d p r e -c i p i t a t e d t h e b a r i u m s a l t s o f t h e e x t r a c t e d ma-
t e r i a l w i t h e t h a n o l c o n c e n t r a t i o n s o f 50 % o r
h i g h e r . A f t e r r e m o v a l o f b a r i u m , t h e p r e c i p i t a t e sw e r e f r a c t i o n a t e d o n t h e a n i o n - e x c h a n g e r e s i nDowex 1 , a n d p e a k s c o n t a i n i n g N - a c e t y l a m i n o
s u g a r , a m i n o a c i d s , a n d m a t e r i a l a b s o r b i n g a t
2 6 0 m , w e r e e x a m i n e d . B o t h i n n o r m a l c e l l s a n d
t h o s e t r e a t e d w i t h p e n i c i l l i n , f r a c t i o n s w e r e
o b t a i n e d f r o mt h e e t h a n o l p r e c i p i t a t e s ( 0
t o 5 0 % )w h i c h c o n t a i n e d c o m p a r a b l e p r o p o r t i o n s o fa s p a r t i c a c i d a n d g l y c i n e i n a d d i t i o n t o m u r a m i c
a c i d , g l u t a m i c a c i d , a l a n i n e , a n d l y s i n e . I n t h ef r a c t i o n f r o m p e n i c i l l i n - t r e a t e d c e l l s o r i g i n a l l yp r e c i p i t a t e d b e t w e e n 50 % a n d 90% e t h a n o lc o n c e n t r a t i o n s , a p e a k w a s o b t a i n e d w i t h t h ef o l l o w i n g a p p r o x i m a t e m o l a r p r o p o r t i o n s : u r i -
d i n e , 1 ; l a b i l e p h o s p h o r u s , 1 ; N - a c e t y l h e x o s a -m i n e , 1 ; a l a n i n e , 3 ; l y s i n e , 2 ; g l u t a m i c a c i d , 1 ;g l y c i n e , 1 . 5 ; a n d a s p a r t i c a c i d , 0 . A s t h e a u t h o r s
o b s e r v e , P a r k ( 1 0 9 ) d i s c a r d e d t h e s m a l l p r o p o r -
t i o n o f h i s m a t e r i a l w h i c h p r e c i p i t a t e d b e l o wt h e 50 % e t h a n o l c o n c e n t r a t i o n , a n d , t h e r e f o r e ,w o u l d n o t h a v e s t u d i e d t h e m a j o r i t y o f t h e s ec o m p o u n d s , e v e n i f t h e y w e r e p r e s e n t i n h i ss t r a i n . H o w e v e r , i t s e e m s p r o b a b l e t h a t a d i f f e r -
e n c e i n s t r a i n s must a c c o u n t f o r t h e g r e a t e rv a r i e t y o f a m i n o a c i d s o b s e r v e d b o t h i n c e l l w a l l sa n d n u c l e o t i d e s b y I t o e t a l . ( 6 9 , 7 0 , 7 1 ) , p a r -
t i c u l a r l y a s some o f t h e g l y c i n e o c c u r r e d i n t h e
p r e c i p i t a t e s t h e y o b t a i n e d a t h i g h e r a l c o h o lc o n c e n t r a t i o n s a s u s e d b y P a r k . C e r t a i n l ymany a t t e m p t s t o f i n d n u c l e o t i d e - a m i n o s u g a r -
4 4 PERKINS
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
http://slidepdf.com/reader/full/biosyn-of-cell-wall 28/38
V O L . 2 7 , 1 9 6 3 BACTERIAL CELL WALLS, STRUCTURE AND BIOSYNTHESIS
g l y c i n e c o m p l e x e s i n o t h e r s t r a i n s o f S . a u r e u s
t r e a t e d w i t h p e n i c i l l i n h a v e b e e n e n t i r e l y w i t h o u t
s u c c e s s ( P e r k i n s a n d R o g e r s , u n p u b l i s h e d d a t a ) .A n o t h e r d i f f i c u l t y w h i c h a r i s e s i n a c c e p t i n g
t h e i d e a t h a t t h e P a r k n u c l e o t i d e i s i n d e e d a n
i m m e d i a t e p r e c u r s o r o f t h e w a l l m u c o p e p t i d e
i s i t s a l a n i n e c o n t e n t . S t r o m i n g e r , P a r k , a n d
T h o m p s o n ( 1 6 7 ) s h o w e d t h a t t h e i s o l a t e d c e l l
w a l l s o f S . a u r e u s s t r a i n C o p e n h a g e n a n d s t r a i nH c o n t a i n e d m o l a r r a t i o s o f g l u t a m i c a c i d -l y s i n e - a l a n i n e o f 1 : 0 . 9 5 : 3 . 2 a n d 1 : 1 . 1 8 : 3 . 7 ,r e s p e c t i v e l y , c o m p a r e d w i t h r a t i o s i n t h e P a r k
n u c l e o t i d e o f 1 : 1 : 3 . H o w e v e r , t h e s e w a l l p r e p a -
r a t i o n s a l s o c o n t a i n e d a m o l a r r a t i o o f g l u c o s a -m i n e - m u r a m i c a c i d o f 2 . 0 4 : 0 . 9 2 f o r e a c h m o l e
o f g l u t a m i c a c i d ( S . a u r e u s C o p e n h a g e n ) . I t
s e e m s l i k e l y , t h e r e f o r e , t h a t t e i c h o i c a c i d w a sp r e s e n t , s i n c e i n t h i s s p e c i e s t e i c h o i c a c i d , c o n -
t a i n i n g o n e m o l e c u l e o f N - a c e t y l g l u c o s a m i n e f o re a c h r e p e a t i n g u n i t , h a s b e e n i s o l a t e d f r o m t h ec e l l w a l l s o f S . a u r e u s H ( 1 6 ) . I n c o m m o n w i t h
o t h e r t e i c h o i c a c i d s , t h i s m a t e r i a l a l s o c o n t a i n sa p p r o x i m a t e l y o n e m o l e c u l a r p r o p o r t i o n o fD - a l a n i n e . H e n c e , t h e m u c o p e p t i d e p a r t o f t h ew a l l s s t u d i e d b y S t r o m i n g e r e t a l . ( 1 6 7 ) m ay w e l lh a v e b e e n c o m p o s e d o f o n e m o l a r p r o p o r t i o n
e a c h o f m u r a m i c a c i d , g l u c o s a m i n e , D - g l u t a m i c
a c i d , i l y s i n e , L - a l a n i n e , a n d D - a l a n i n e , t h u s
s h o w i n g a d e f i c i t o f o n e D - a l a n i n e r e s i d u e c o m -p a r e d w i t h t h e P a r k n u c l e o t i d e . I n d e e d , M a n d e l -
s t a m a n d S t r o m i n g e r ( 9 3 ) h a v e r e c e n t l y s h o w n
t h a t e x h a u s t i v e e x t r a c t i o n o f t h e c e l l w a l l s o fS . a u r e u s C o p e n h a g e n w i t h c o l d t r i c h l o r o a c e t i ca c i d w i l l e x t r a c t t e i c h o i c a c i d c o n t a i n i n gD - a l a n i n e , l e a v i n g a m u c o p e p t i d e r e s i d u e i nw h i c h t h e a l a n i n e - g l u t a m i c a c i d r a t i o i s , i n f a c t ,2 : 1 . T h e s e a u t h o r s s u g g e s t e d t h a t i n t h e w h o l e
w a l l t h e m u c o p e p t i d e a n d t e i c h o i c a c i d m i g h t
b e p a r t o f o n e c o v a l e n t l y l i n k e d p o l y m e r , a n d
t h a t c o l d t r i c h l o r o a c e t i c a c i d l e d t o t h e s p e c i f i cr u p t u r e o f t h e p e p t i d e b o n d b e t w e e n t h e t w o
D - a l a n i n e r e s i d u e s ( s e e F i g . 9 ) . T h e y m a d e t h i ss u g g e s t i o n s i n c e i t w a s n o t p o s s i b l e t o r e v e a lm o r e t h a n a s m a l l p r o p o r t i o n o f t h e s e g r o u p s b y
a p p l i c a t i o n o f t h e s a m e t e c h n i q u e t o t h e w h o l e
w a l l , a l t h o u g h t h e a m i n o g r o u p s o f t h e D - a l a n i n ei n i s o l a t e d t e i c h o i c a c i d a r e a c c e s s i b l e t o a t t a c k
b y f l u o r o d i n i t r o b e n z e n e . H o w e v e r , a s R o g e r s
a n d P e r k i n s ( 1 3 3 ) p o i n t e d o u t , i n o t h e r s t r a i n so f S . a u r e u s a n d i n M l . l y s o d e i k t i c u s , t h e a l a n i n e -g l u t a m i c a c i d r a t i o i n t h e i s o l a t e d w a l l s i s o ft h e o r d e r o f 2 : 1 o r l e s s . T h e c e l l w a l l s o f 3 I .
( 1 ) UD P Nl c .r.0O- - - aalO- D- lu -L- l y s 0OOH * D- al a- D- al aOOH -
UDP A c . M X u r . 0 0 - - L - a l a - - D - g l u - - L - l y a - - D - a l a - D - a l a O 1 O H
4 + t o lo h oi c a c id
( 2 ) UP N f c . U u r U D P N A e . l u r0 0 00
L-ala L-alaD-glu D-glu- l y m s L-lys
D - a l a D-ala
D - a l a D - a l a
OH (glye OH gly ) ? H-P.O_ o r -O.P.0 -O.P-
ribitol 0 r i b i r t l bt I
* u g a r sugar
4 + UHPNAF.G
( 3 ) - lAc.Yur -HAc.0 -_lAc.Nur----NAc.Qw-G o 00
L-ala i-alaD- glu D-gluL - 1 7 . L-lyeD - a l a D-alaD - a l D - - a l a
0 - o r -0 . 1 0 o r
a u g a r r
aplits terminal( 1 ) 4 a lan i n e d i p ept i d e
-HAe.Mur -NAo.O - HAc . Ou r -HAc.0-0 O 00
i-ala i d - a l aN u o p e p t i d e D-glu D-glu
L-lye L - l y eD - a l a D-ala
0 O o H OOOH
NH NHD - a l i D - a l i
0 O 00
T e l e o h a i c H Hglyeel)pH glyeol H
acid --0.-0r O.O o r -
a~ LrbitalJ) g r i h t o l )
a u g e r a u g a r
( 5 ) Addition o f g l y c i n e an dC r o s a - l i n k i n g
FIG. 9 .
p e p t i d e .
-AoM , a u r-N A c . O i -Acur-HAe.o-OD CO
0 - a l a L - a l aD - g l u D-glu
- l y e s 0 - l y s
D - a l a D - a l a00 g l y( g l y ) n OOOH
£ N H- - 0 - g l a L - - l y e - - D - a l a - - - - - ( p e p t i d e chain l i n k e d t o
th e a r s e o r t o anotherp o l y e a c c h a r i d e c h a i n )
S c h e m e f o r t h e b i o s y n t h e s i s o f m u c o -
l y s o d e i k t i c u s w e r e f o u n d t o c o n t a i n n o t e i c h o i ca c i d ( 1 2 ) , a l t h o u g h l a r g e a m o u n t s c o u l d b e
d e m o n s t r a t e d i n t h e w a l l s o f S . a u r e u s H a n d
B . s u b t i l i s i s o l a t e d b y t h e s a m e p r o c e d u r e o fS a l t o n a n d H o r n e ( 1 4 5 ) . L i k e M a n d e l s t a m a n d
S t r o m i n g e r ( 9 3 ) , G h u y s e n ( 5 5 ) a l s o f o u n d t h a t ,i n h i s p r e p a r a t i o n o f t h e c e l l w a l l s o f B .
m e g a t e r i u m K M, t e i c h o i c a c i d , a l t h o u g h p r e s e n t ,c o u l d n o t b e e x t r a c t e d b y t r i c h l o r o a c e t i c a c i da t 0 C i n 3 d a y s . E x a m i n a t i o n o f t h e c o m p o s i t i o n
o f d i g e s t s o b t a i n e d b y t h e s u c c e s s i v e a c t i o n o fl y s o z y m e a n d t h e e n z y m e s f r o m S t r e p t o m y c e s
l e d h i m t o s u g g e s t t h a t t h e t e i c h o i c a c i d w a s
b o u n d c o v a l e n t l y t o t h e m u c o p e p t i d e p o r t i o no f t h e w a l l .
P e n i c i l l i n i s n o t t h e o n l y a g e n t w h i c h w i l lc a u s e t h e a c c u m u l a t i o n o f t h e P a r k n u c l e o t i d e .
4 , 5 4
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
http://slidepdf.com/reader/full/biosyn-of-cell-wall 29/38
B A C T E R I O L . R E v .
R o g e r s a n d P e r k i n s ( 1 3 4 ) s h o w e d t h a t 5 - f l u o r -o u r a c i l n o t o n l y c a u s e s a p a r t i a l i n h i b i t i o no f c e l l - w a l l m u c o p e p t i d e b i o s y n t h e s i s i n S . a u r e u s
5 2 4 S C , b u t a l s o l e a d s t o t h e a c c u m u l a t i o n o fu r i d i n e n u c l e o t i d e s c o n t a i n i n g a m i n o s u g a r .A n a l y s i s s h o w e d t h e s e n u c l e o t i d e s t o b e t h ef l u o r o u r i d i n e a n a l o g u e s o f t h e P a r k n u c l e o t i d e s ,t h e l a r g e s t o f t h e m h a v i n g a m o l e c u l a r c o m p o s i -
t i o n o f : u r i d i n e , 1 ; p h o s p h o r u s , 2 ; N - a c e t y l -m u r a m i c a c i d , 1 ; g l u t a m i c a c i d , 1 ; l y s i n e , 1 ; a n d
a l a n i n e , 3 . A l t h o u g h t h e o p t i c a l c o n f i g u r a t i o n so f t h e a m i n o a c i d s w e r e n o t d e t e r m i n e d , i t s e e m s
m o s t p r o b a b l e t h a t t h e y w o u l d h a v e r e s e m b l e d
t h o s e i n P a r k ' s n u c l e o t i d e . T h e m o l a r r a t i o o fa l a n i n e - g l u t a m i c a c i d i n c e l l w a l l s o f t h i s s t r a i nt r e a t e d w i t h p e p s i n a n d t r y p s i n w a s o n l y 1 . 8 : 1
( 9 2 ) . T h u s , e v e n t h o u g h t h e P a r k n u c l e o t i d ea c c u m u l a t e s i n t h e p r e s e n c e o f i n h i b i t o r s o fm u c o p e p t i d e s y n t h e s i s , i t s e e m s t h a t i f i t i s a
p r e c u r s o r i n t h i s p r o c e s s i t m u s t u n d e r g o s o m e
f u r t h e r a l t e r a t i o n i n v o l v i n g t h e r e m o v a l o f a
t e r m i n a l D - a l a n i n e r e s i d u e b e f o r e t h e f i n a ls t r u c t u r e i s a c h i e v e d .
S c h e m e f o r B i o s y n t h e s i s o f M u c o p e p t i d e
S i n c e s i n g l e e s t e r - l i n k e d D - a l a n i n e r e s i d u e s a r ea c o m m o n f e a t u r e o f t e i c h o i c a c i d s , i t may b e
t h a t t h e r e i s a m e t a b o l i c c o n n e c t i o n b e t w e e n
t h e s e s t r u c t u r e s a n d m u c o p e p t i d e b i o s y n t h e s i s .I f o n e i m a g i n e s t e i c h o i c a c i d a s a k i n d o f s p a t i a lt e m p l a t e , t h e n a p o s s i b l e m e c h a n i s m i n v o l v i n gt h e t y p e o f s t r u c t u r e s h o w n i n F i g . 9 c a n b e
d e v i s e d . T h e p r o c e s s w o u l d b e e n v i s a g e d a sf o l l o w s : ( i ) f o r m a t i o n o f P a r k n u c l e o t i d e s e r i a l l yf r o m t h e a m i n o s u g a r e n d , c u l m i n a t i n g i n t h ea d d i t i o n o f a D - a l a n i n e d i p e p t i d e ; ( i i ) a t t a c h m e n t
o f t h e n u c l e o t i d e b y e s t e r l i n k a g e o f i t s t e r m i n a lc a r b o x y l g r o u p s a t r e g u l a r i n t e r v a l s a l o n g t h et e i c h o i c a c i d ; ( i i i ) f o r m a t i o n o f t h e m u c o p o l y s a c -
c h a r i d e c h a i n b y a l t e r n a t e t r a n s g l y c o s y l a t i o n o fu r i d i n e d i p h o s p h o - N - a c e t y l g l u c o s a m i n e a n d t h ea n c h o r e d P a r k n u c l e o t i d e s ; ( i v ) e n z y m a t i c
s c i s s i o n o f t h e t e r m i n a l D - a l a n i n e - D - a l a n i n e b o n d ,
f r e e i n g t h e m u c o p e p t i d e ; ( v ) a d d i t i o n t o t h em u c o p e p t i d e o f a n y c r o s s - l i n k i n g m a t e r i a l s u c h
a s g l y c i n e [ T h i s s t e p c o u l d e q u a l l y w e l l t a k e
p l a c e b e f o r e s t e p i v , a s i n d e e d t h e r e s u l t sw i t h S . a u r e u s C o p e n h a g e n m i g h t s u g g e s t ( 9 3 ) . ] ;
a n d ( v i ) r e p l a c e m e n t o f t h e r e m a i n i n g D - a l a n i n eo n t h e t e i c h o i c a c i d b y a n o t h e r m o l e c u l e o fP a r k n u c l e o t i d e , t h u s r e c o m m e n c i n g t h e p r o c e s s .
T h e known l a b i l i t y o f t h e e s t e r - l i n k a g e b e t w e e n
D - a l a n i n e a n d t h e t e i c h o i c a c i d w o u l d a c c o r d
w i t h s o m e m e t a b o l i c f u n c t i o n s u c h a s t h a t s u g -g e s t e d a b o v e . S i n c e g l y c e r o l t e i c h o i c a c i d h a s
b e e n f o u n d i n m o s t c e l l s t h a t h a v e b e e n e x a m i n e d ,
a n d s i n c e i t o c c u r s n o t o n l y i n t h e c e l l w a l l s b u t
a l s o e l s e w h e r e i n t h e c e l l ( 1 8 ) , i t i s a m o r e l i k e l y
c a n d i d a t e t h a n r i b i t o l t e i c h o i c a c i d t o f u n c t i o ni n t h i s w a y , a l t h o u g h b o t h m i g h t o p e r a t e i n
d i f f e r e n t s p e c i e s . S u c h a s c h e m e w o u l d l e a d t oc e r t a i n p r e d i c t i o n s . ( i ) E v e n i f t e i c h o i c a c i d i s
n o t f o u n d i n t h e i s o l a t e d c e l l w a l l s , i t s h o u l d
s t i l l b e p r e s e n t i n t h e w h o l e o r g a n i s m , a l t h o u g h
p o s s i b l y i n l o w a m o u n t . ( i i ) P e n i c i l l i n c o u l dl e a d t o t h e a c c u m u l a t i o n o f t h e P a r k n u c l e o t i d eb y i n h i b i t i n g a n y s t a g e o f t h i s p r o c e s s e x c e p t
s t e p i , o r b y p r e v e n t i n g t h e s y n t h e s i s o f t e i c h o i c
a c i d . I n a n y c a s e , i t s a c t i o n s h o u l d i n h i b i t t h ei n c o r p o r a t i o n o f D - a l a n i n e i n t o t e i c h o i c a c i d a sw e l l a s i n t o m u c o p e p t i d e . T h e r e i s s o m e e v i d e n c e
t h a t t h e p r e s e n c e o f p e n i c i l l i n r e d u c e s t h e a m o u n t
o f p o l y g l y c e r o p h o s p h a t e w h i c h c a n b e i s o l a t e df r o m t h e c e l l s ( 9 6 ) , b u t t h i s p h e n o m e n o n c o u l db e d u e t o t h e f a c t t h a t t h e s o l u b l e t e i c h o i c a c i d ,i n t h e a b s e n c e o f m u c o p e p t i d e s y n t h e s i s , e s c a p e di n t o t h e m e d i u m . I n t h e s e e x p e r i m e n t s , t h ep o l y g l y c e r o p h o s p h a t e c o n t e n t o f t h e c e l l w a l l sw a s r e d u c e d b y s o m e 20% i n t h e p r e s e n c e o f
p e n i c i l l i n , w h e r e a s t h a t o f t h e c y t o p l a s m i c
f r a c t i o n f e l l b y a b o u t 6 5 % . S t r o m i n g e r ( 1 6 5 )f o u n d t h a t , i n t h e p r e s e n c e o f m e t h y l v i o l e t ,c e l l s o f S . a u r e u s a c c u m u l a t e d b o t h u r i d i n en u c l e o t i d e s o f t h e P a r k t y p e ( 1 1 0 ) a n d c y t i d i n ed i p h o s p h o r i b i t o l , s o t h a t h e r e f o r t h e f i r s t t i m e
p o s s i b l e p r e c u r s o r s o f b o t h t h e m u c o p e p t i d e a n d
t e i c h o i c a c i d o f t h e c e l l w a l l a p p e a r e d t o g e t h e ri n i n h i b i t e d c e l l s . S i m i l a r l y , N a t h e n s o n a n d
S t r o m i n g e r ( 1 0 5 ) h a v e s h o w n t h a t h i g h c o n -
c e n t r a t i o n s o f p e n i c i l l i n w i l l i n h i b i t t h e i n c o r p o r a -t i o n o f P 3 i n t o t h e c e l l w a l l o f S . a u r e u s b y 6 8 % ,
c o m p a r e d w i t h 90 % i n h i b i t i o n o f m u c o p e p t i d es y n t h e s i s . R e c e n t l y , S a u k k o n e n ( 1 5 0 ) f o u n d t h a t
S . a u r e u s 2 0 9 P f e i f f e r , i n t h e p r e s e n c e o f p e n i -c i l l i n , a c c u m u l a t e s n o t o n l y u r i d i n e d e r i v a t i v e s( p r e s u m a b l y a n a l o g o u s t o t h o s e o f P a r k ) b u t
a l s o c y t i d i n e d i p h o s p h o r i b i t o l , a c o m p o u n d w h i c h
h a s b e e n s u g g e s t e d a s a n i n t e r m e d i a t e i n t h e
b i o s y n t h e s i s o f t e i c h o i c a c i d . I n f u r t h e r e x p e r i -m e n t s ( S a u k k o n e n , p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n ) ,h e h a s s h o w n t h a t c y c l o s e r i n e , w h i c h a l s o i n -
h i b i t s m u c o p e p t i d e s y n t h e s i s a n d l e a d s t o u r i d i n e
n u c l e o t i d e a c c u m u l a t i o n , d o e s n o t l e a d t o t h e
a p p e a r a n c e o f c y t i d i n e d i p h o s p h o r i b i t o l . T h i s
4 6 PERKI NS
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
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V O L . 2 7 , 1 9 6 3 BACTERIAL CELL WALLS, STRUCTURE AND BIOSYNTHESIS
r e s u l t a g r e e s w i t h t h e i d e a t h a t c y c l o s e r i n ep r e v e n t s t h e c o m p l e t i o n o f t h e P a r k c o m p o u n d
3 , b u t o n t h e s c h e m e p r e s e n t e d i n F i g . 9 , i t w o u l d
n o t b e e x p e c t e d t o i n h i b i t t h e s y n t h e s i s o f t e i c h o i ca c i d . I t w o u l d , h o w e v e r , p r e v e n t t h e a d d i t i o n
t o i t o f f u r t h e r D - a l a n i n e r e s i d u e s .A t t h e p r e s e n t t i m e , i t i s c l e a r l y n o t c e r t a i n
w h e t h e r p e n i c i l l i n d i r e c t l y i n h i b i t s t e i c h o i ca c i d s y n t h e s i s . I f i t w e r e f o u n d t o d o s o , t h e
s c h e m e o u t l i n e d a b o v e c o u l d a c c o u n t f o r t h eo b s e r v e d i n h i b i t i o n o f m u c o p e p t i d e s y n t h e s i sa n d t h e c o n c o m i t a n t a c c u m u l a t i o n o f t h e P a r k
n u c l e o t i d e s . I n c o n n e c t i o n w i t h s t e p v , i t i s
i n t e r e s t i n g t o n o t e t h a t h i g h c o n c e n t r a t i o n so f g l y c i n e , w h i c h a r e k n o w n t o p r o m o t e t h ef o r m a t i o n o f b a c t e r i a l p r o t o p l a s t s o r s p h e r o p l a s t s( 8 8 ) , a l s o c a u s e i n h i b i t i o n o f c e l l - w a l l s y n t h e s i si n S . a u r e u s a n d a c c u m u l a t i o n o f u r i d i n e n u c l e o -t i d e s ( 1 1 2 ) . P e r h a p s e x c e s s i v e c o n c e n t r a t i o n s o fg l y c i n e i n h i b i t t h e e n z y m e r e s p o n s i b l e f o r i n -c o r p o r a t i n g i t i n t o t h e w a l l a s p e p t i d e c r o s s - l i n k s .
U r i d i n e N u c l e o t i d e s i n G r a m - N e g a t i v e B a c t e r i a
A v a i l a b l e i n f o r m a t i o n s u g g e s t s t h a t t h e r e -l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e P a r k n u c l e o t i d e a n d
t h e w a l l m u c o p e p t i d e i s d i f f e r e n t i n E . c o l i .
A l t h o u g h m u c o p e p t i d e s y n t h e s i s i n t h i s o r g a n i s m
i s i n h i b i t e d b y p e n i c i l l i n ( 1 0 5 , 1 3 2 ) , n o s i m u l -
t a n e o u s a c c u m u l a t i o n o f u r i d i n e n u c l e o t i d e s o ft h e P a r k t y p e h a s s o f a r b e e n d e m o n s t r a t e d .
H o w e v e r , C o m b , C h i n , a n d R o s e m a n ( 3 7 ) i s o -l a t e d a s e r i e s o f n u c l e o t i d e s o f t h e c o m p o s i t i o n
s h o w n i n T a b l e 2 f r o m n o r m a l c e l l s o f E . c o l iK 2 3 5 . H e r e , t h e r a t i o o f a l a n i n e - g l u t a m i c a c i di s e i t h e r 1 : 1 o r 2 : 1 , c o m p a r i n g e x a c t l y w i t h t h ef r a g m e n t s i s o l a t e d f r o m l y s o z y m e d i g e s t s o f t h ec e l l w a l l s o f E . c o l i B ( 1 2 0 ) . T h i s r e s u l t i s t o b e
c o n t r a s t e d w i t h t h e r e p o r t t h a t a d i a m i n o p i m e l i ca c i d - r e q u i r i n g m u t a n t o f E . c o l i c o n t a i n e d a h i g h
s t e a d y - s t a t e c o n c e n t r a t i o n o f n u c l e o t i d e m a t e r i a l ,
w i t h t h e c o m p o s i t i o n u r i d i n e d i p h o s p h o N - a c e t y l -m u r a m i c a c i d L - a l a n i n e - D - g l u t a m i c a c i d - m e s o -d i a m i n o p i m e l i c a c i d - D - a l a n i n e - D - a l a n i n e ( 1 6 8 ) .I f o n e c o n s i d e r s t h e n o r m a l c e l l s o f E . c o l i K 2 3 5
s t u d i e d b y Comb e t a l . ( 3 7 ) t o b e m o r e r e p r e -s e n t a t i v e , t h e n t h e r e i s n o d i s c r e p a n c y b e t w e e n
t h e a m i n o a c i d r a t i o s o f t h e u r i d i n e n u c l e o t i d e sa n d t h e c o m p l e t e d m u c o p e p t i d e o f t h e c e l l w a l l ,s o f a r a s g l u t a m i c a c i d , d i a m i n o p i m e l i c a c i d , a n d
a l a n i n e a r e c o n c e r n e d ; t h e r e i s n o a p p a r e n t l o s so f a l a n i n e d u r i n g t h e s y n t h e t i c p r o c e s s . H o w e v e r ,
i t i s l i k e l y t h a t t h e f r a g m e n t s i s o l a t e d f r o m
l y s o z y m e d i g e s t s ( 1 2 0 ) a r e n o t r e p r e s e n t a t i v e o ft h e w h o l e m u c o p e p t i d e , s i n c e M a n d e l s t a m ( 8 9 )h a s s h o w n t h a t p u r i f i e d m u c o p e p t i d e f r o m a
n u m b e r o f s t r a i n s o f E . c o l i c o n t a i n s s o m e s e r i n ea n d l y s i n e i n a d d i t i o n t o g l u t a m i c a c i d , a l a n i n e ,
a n d d i a m i n o p i m e l i c a c i d . I t s e e m s p o s s i b l e t h a th e r e t h e s e r i n e may a r r i v e l a t e i n t h e b i o s y n -t h e t i c p r o c e s s , r a t h e r i n t h e s a m e way t h a t
g l y c i n e a p p e a r s t o d o i n s o m e g r a m - p o s i t i v eo r g a n i s m s .
E f f e c t o f C h l o r a m p h e n i c o l
D i s r e g a r d i n g t h e p r e c i s e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n
t h e P a r k n u c l e o t i d e a n d t h e s y n t h e s i s o f t h e
m u c o p e p t i d e o f b a c t e r i a l c e l l w a l l s , t h e r e i s n o
d o u b t t h a t t h i s p r o c e s s d i f f e r s f r o m t h e s y n t h e s i so f p r o t e i n i n t h e s a m e o r g a n i s m s . I n c o r p o r a t i o no f a m i n o a c i d s i n t o t h e c e l l - w a l l f r a c t i o n o fS . a u r e u s c a n c o n t i n u e e i t h e r i n t h e p r e s e n c e o fg l u c o s e a n d a l i m i t e d n u m b e r o f a m i n o a c i d s ,o r e v e n i n t h e p r e s e n c e o f c h l o r a m p h e n i c o l ;u n d e r t h e s e c o n d i t i o n s , s y n t h e s i s o f c e l l p r o t e i n si s a l m o s t c o m p l e t e l y s t o p p e d ( 5 8 , 9 1 , 9 2 ) . T h u s ,
s y n t h e s i s o f t h e p e p t i d e c h a i n s o f t h e m u c o p e p t i d e
i s p r e s u m a b l y i n d e p e n d e n t o f t h e p r o c e s ss e n s i t i v e t o c h l o r a m p h e n i c o l , w h i c h i s i n v o l v e d
i n p r o t e i n s y n t h e s i s i n b a c t e r i a . I t s e e m s l i k e l yt h a t t h i s s t e p i s a t s o m e s t a g e i n t h e t r a n s f e r o f
a m i n o a c i d s f r o m s o l u b l e r i b o n u c l e i c a c i d t ot h e p r o t e i n i n p r o c e s s o f b e i n g s y n t h e s i z e d ( s e er e v i e w b y B r o c k , 2 7 ) . T h u s , t h e s y n t h e s i s o f t h ep e p t i d e c h a i n o f m u c o p e p t i d e r e s e m b l e s , i n t h i sr e s p e c t , t h e s y n t h e s i s o f s m a l l p e p t i d e s s u c h a sg l u t a t h i o n e a n d b a c i t r a c i n , t h e f i n a l p o l y m e r i z a -t i o n o f t h e w h o l e s t r u c t u r e i n v o l v i n g c a r b o h y -d r a t e s r a t h e r t h a n a m i n o a c i d s .
C e l l - F r e e S y s t e m s
T h e d e t a i l e d s t u d y o f m u c o p e p t i d e b i o s y n -t h e s i s w o u l d o b v i o u s l y b e m a d e e a s i e r i f a c e l l -
f r e e s y s t e m w e r e a v a i l a b l e f o r t h e p u r p o s e .S i n c e p h o s p h o r y l a t e d i n t e r m e d i a t e s s u c h a s t h eP a r k n u c l e o t i d e a r e u n l i k e l y t o p a s s f r e e l y i n t ow h o l e c e l l s , d i r e c t i n f o r m a t i o n a b o u t t h e i ri n v o l v e m e n t i n t h e p r o c e s s m u s t n e c e s s a r i l ya w a i t t h e d i s c o v e r y o f a s u i t a b l e b r o k e n - c e l lp r e p a r a t i o n . A p r e l i m i n a r y a t t e m p t t o u s e p a r -t i a l l y d i s r u p t e d s t a p h y l o c o c c i i n t h e m a n n e r o fG a l e ( 4 9 , 5 0 ) w a s u n s u c c e s s f u l ( 1 3 3 ) . I t w a s
f o u n d t h a t t h e f e w r e m a i n i n g w h o l e c e l l s i n -
c o r p o r a t e d a m i n o a c i d s i n t o t h e c e l l - w a l l f r a c -t i o n w i t h g r e a t l y i n c r e a s e d e f f i c i e n c y i n a p a r t i a l l y
4 7
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
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B A C T E R I O L . R E V .
d i s r u p t e d s y s t e m b u t t h a t w h e n t h e s e w h o l e
c e l l s w e r e c a r e f u l l y r e m o v e d , t h e a c t i v i t y o f t h ew h o l e s y s t e m d i s a p p e a r e d . B r o o k e s , C r a t h o r n ,
a n d H u n t e r ( 2 8 ) f o u n d t h a t p r o t o p l a s t s o fB . m e g a t e r i u m KM w o u l d i n c o r p o r a t e r a d i o -
a c t i v i t y f r o m L - C ' 4 - a l a n i n e i n t h e p r e s e n c e o fc h l o r a m p h e n i c o l , a n d t h a t t h i s a c t i v i t y w a s p r e s -e n t i n t h e c y t o p l a s m i c m e m b r a n e f r a c t i o n .H o w e v e r , t h e r e w a s n o e v i d e n c e t h a t t h i sa l a n i n e w a s l i n k e d i n m u c o p e p t i d e p r e c u r s o r s ,a n d , i n s i m i l a r e x p e r i m e n t s w i t h w h o l e c e l l s ,
c h l o r a m p h e n i c o l - r e s i s t a n t i n c o r p o r a t i o n o f a l a -n i n e i n t o t h e m e m b r a n e f r a c t i o n w a s n o t i n -h i b i t e d b y t h e a d d i t i o n o f p e n i c i l l i n . T h e i n -c o r p o r a t i o n o f a l a n i n e i n t o t h e w a l l f r a c t i o n( t h a t i s , i n t o m a t e r i a l w h i c h c o u l d b e d i s s o l v e db y l y s o z y m e ) w a s , h o w e v e r , c o m p l e t e l y i n h i b i t e db y p e n i c i l l i n . I t i s i n t e r e s t i n g t o n o t e t h a t ,a c c o r d i n g t o G h u y s e n ( 5 5 ) , t h e w a l l f r a c t i o n i nt h i s o r g a n i s m c o n t a i n s a p r o p o r t i o n o f t e i c h o i ca c i d n o t e x t r a c t a b l e b y c o l d t r i c h l o r o a c e t i ca c i d , a n d i t w o u l d a p p e a r , t h e r e f o r e , t h a t i n t h ee x p e r i m e n t s o f B r o o k e s e t a l . ( 2 8 ) t h e i n c o r p o r a -t i o n o f a l a n i n e p r e s u m a b l y p r e s e n t i n t h i st e i c h o i c a c i d w a s a l s o i n h i b i t e d b y p e n i c i l l i n ,a s w o u l d b e s u g g e s t e d b y t h e s c h e m e p r o p o s e d
a b o v e .C h a l o u p k a a n d V e r e g ( 3 2 ) t r e a t e d c e l l s o f
B . m e g a t e r i u m KM w i t h l y s o z y m e i n t h e p r e s e n c eo f 0 . 5 M p h o s p h a t e b u f f e r . T h e r e s u l t a n t c e l l sw e r e o s m o t i c a l l y f r a g i l e i n t h e a b s e n c e o f t h eh y p e r t o n i c b u f f e r a n d s t i l l r e t a i n e d a b o u t 50 %o f t h e i r c e l l - w a l l m a t e r i a l . A l t h o u g h p r o t o p l a s t sf r o m w h i c h t h e w h o l e w a l l h a d b e e n r e m o v e d
w o u l d n o t i n c o r p o r a t e r a d i o a c t i v e d i a m i n o -
p i m e l i c a c i d , t h e f r a g i l e c e l l s d e s c r i b e d a b o v e ,
o r t h e " g h o s t s " o b t a i n e d f r o m t h e m b y o s m o t i c
s h o c k , w o u l d b o t h a p p a r e n t l y f o r m c e l l - w a l lm a t e r i a l i n s o l u b l e i n h o t t r i c h l o r o a c e t i c a c i d .S i m i l a r p a r t i a l s y n t h e s i s o f m u c o p e p t i d e m a t e r i a l
h a s b e e n o b t a i n e d w i t h M. l y s o d e i k t i c u s c e l l sf r o m w h i c h t h e w a l l s h a v e n o t b e e n c o m p l e t e l y
r e m o v e d ( 1 3 5 ) . I t s e e m s p o s s i b l e , t h e r e f o r e ,t h a t c e l l - w a l l s y n t h e s i s r e q u i r e s t h e p r e s e n c e o fa " p r i m e r " o f p o l y m e r i z e d m a t e r i a l b e f o r ef u r t h e r a d d i t i o n c a n o c c u r , a p r o c e s s s i m i l a rt o t h a t i n v o l v e d i n t h e b i o s y n t h e s i s o f s o m e
p o l y s a c c h a r i d e s .
B i o s y n t h e s i s o f t h e W h o l e C e l l W a l l
T h e r e i s l i t t l e i n f o r m a t i o n a v a i l a b l e a b o u t t h e
w a y i n w h i c h g r o w i n g b a c t e r i a l a y d o w n t h e
i n s o l u b l e w a l l s t r u c t u r e t h a t g i v e s t h e m t h e i rs h a p e . I n g e n e r a l , i t s e e m s p o s s i b l e t h a t i n c o c c ie a c h c e l l , p r i o r t o d i v i s i o n , l a y s d o w n a s e p t u mw h i c h c a n b e s e e n a s a d o u b l e l a y e r o f w a l lm a t e r i a l ( 1 0 4 ) . On d i v i s i o n , t h e d a u g h t e r c e l l s
s e p a r a t e b e t w e e n t h e s e l a y e r s , y i e l d i n g c e l l sw h i c h h a v e a r e g i o n o f o l d e r t h i c k e r w a l l , w h i c h
w a s p r e s e n t i n t h e p a r e n t o r g a n i s m , a n d a r e g i o no f n e w t h i n n e r w a l l d e r i v e d f r o m t h e s e p t u m .
T h e r e f o r e , i f t h e a v e r a g e t h i c k n e s s o f t h e w a l l si s t o b e m a i n t a i n e d a s t h e c u l t u r e a s a w h o l e
g r o w s , t h e s e t h i n n e r r e g i o n s m u s t b e t h i c k e n e d
t o t h e g e n e r a l l e v e l d u r i n g t h e c o u r s e o f t h e n e x t
d i v i s i o n c y c l e . T h u s , i t s e e m s t h a t c e l l - w a l ls y n t h e s i s o c c u r s a l o n g t h e s e p t u m w h i c h w i l ls u b s e q u e n t l y d i v i d e t h e c e l l , a n d t h a t t h i ss y n t h e s i s c o n t i n u e s a f t e r d i v i s i o n h a s o c c u r r e d
u n t i l n o r m a l w a l l t h i c k n e s s i s a t t a i n e d . S o m e
s u p p o r t f o r t h i s v i e w h a s b e e n s u p p l i e d r e c e n t l yb y t h e e l e g a n t w o r k o f C o l e a n d Hahn ( 3 3 ) .T h e s e a u t h o r s g r e w c e l l s o f S t r e p t o c o c c u s p y o g e n e si n t h e p r e s e n c e o f f l u o r e s c e n t a n t i b o d y , a n d , b ya n i n g e n i o u s p r o c e s s o f s w i t c h i n g t h e s u p p l y o ft h i s m a t e r i a l o n a n d o f f , t h e y w e r e a b l e t o s h o w
t h a t n e w w a l l i s m a d e i n a r i n g w h e r e t h e t w o
c e l l s a r e d i v i d i n g a n d a l s o i n a n o t h e r p a r a l l e lr i n g ( i n t h e c a s e o f s t r e p t o c o c c i ) i n a n t i c i p a t i o no f t h e n e x t d i v i s i o n .
I n r o d f o r m s , t h e p r o c e s s may b e s i m i l a r t ot h a t i n s t r e p t o c o c c i , s i n c e , t o m a i n t a i n i t s r o d
s h a p e , t h e c e l l w o u l d n e e d t o a d d w a l l m a t e r i a lt o i t s l e n g t h b u t n o t t o i t s g i r t h . T h e r e f o r e , i tw o u l d s e e m l i k e l y e i t h e r t h a t e a c h e n d o f t h eg r o w i n g c e l l i s e x t e n d e d o r t h a t a d d i t i o n a lm a t e r i a l i s l a i d d o w n a s a r i n g a t t h e c e n t e r ,p u s h i n g t h e e n d s a p a r t u n t i l s e p t u m f o r m a t i o n
a n d d i v i s i o n o c c u r . A t t h e p r e s e n t t i m e , l i t t l e i sk n o w n a b o u t t h e p r o c e s s . L a r k a n d L a r k ( 8 2 )s t u d i e d s y n c h r o n i z e d c u l t u r e s o f A l c a l i g e n e sf a e c a l i s a n d p r e s e n t e d r e s u l t s s u g g e s t i n g t h a t
t h e w a l l m a t e r i a l i s s y n t h e s i z e d a t l e a s t a sr a p i d l y b e t w e e n d i v i s i o n s a s i t i s d u r i n g t h e m .
T h e y f o u n d t h a t t h e c e l l s b e c a m e e l o n g a t e db e t w e e n s u c c e s s i v e d i v i s i o n s , b u t t h e c e l l v o l u m e
d i d n o t i n c r e a s e , s o t h a t t h e c e l l s p r e s u m a b l yb e c a m e t h i n n e r . B e y o n d s h o w i n g t h a t t h e w a l li s n o t s y n t h e s i z e d o n l y a t d i v i s i o n , t h e s e o b -s e r v a t i o n s d o n o t p r o v i d e i n f o r m a t i o n a b o u t
w h e r e w a l l s y n t h e s i s o c c u r s .I t w i l l b e a p p a r e n t f r o m w h a t h a s b e e n s a i d
i n t h i s s e c t i o n t h a t e l u c i d a t i o n o f t h e b i o s y n t h e s i so f b a c t e r i a l c e l l w a l l s i s o n l y j u s t b e g i n n i n g .
4 8 PERKI NS
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
http://slidepdf.com/reader/full/biosyn-of-cell-wall 32/38
V O L . 2 7 , 1 9 6 3 BACTERIAL CELL WALLS, STRUCTURE AND BIOSYNTHESIS
D e t a i l s o f how t h e c o m p o n e n t s t r u c t u r e s , s u c h
a s m u c o p e p t i d e s a n d t e i c h o i c a c i d s , a r e b u i l tu p f r o m t h e i r r e s p e c t i v e s m a l l m o l e c u l e s , a n d
h o w t h e r e s u l t i n g m a c r o m o l e c u l e s a r e f i n a l l ya s s e m b l e d
i n t oa
r i g i d , i n s o l u b l ec o a t
f o rt h e
c e l l , s h o u l d p r o v i d e s o m e f a s c i n a t i n g w o r k f o rt h e f u t u r e .
LITERATURE CITED
1 . ABRAHAM, E . P . , AND G . G . F . NEWTON.1 9 5 9 . S t r u c t u r e a n d f u n c t i o n o f some
s u l p h u r - c o n t a i n i n g p e p t i d e s , p. 2 0 5 - 2 2 2 .C i b a F o u n d . S y m p . Amino A c i d s P e p t i d e s
A n t i m e t a b . A c t i v i t y .2 . A B R A H A M , E . P . , AN D G . G . F . NEWTON.
1 9 6 0 . C h e m i s t r y a n d c l a s s i f i c a t i o n o f a n t i -b i o t i c s . B r i t . M e d . B u l l . 1 6 : 3 - 1 0 .
3 . A B R A M S , A . 1 9 5 8 . 0 - a c e t y l gr oups i n c e l l -w a l l o f S t r e p t o c o c c u s f a e c a l i s . J . B i o l .C h e m . 2 3 0 : 9 4 9 - 9 5 9 .
4 . A G R E N , G . , AN D C . H . DE V E R D I E R . 1 9 5 8 .I s o l a t i o n o f p r o t e i n b o u n d p h o s p h o r y l -
m u r a m i c a c i d f r o m L a c t o b a c i l l u s c a s e i .A c t a C h e m . S c a n d . 1 2 : 1 9 2 7 - 1 9 3 6 .
5 . A L L I S O N , A . C . , AND H . R . P E R K I N S . 1 9 6 0 .P r e s e n c e o f c e l l w a l l s l i k e t h o s e o f b a c t e r i a
i n R i c k e t t s i a e . N a t u r e 1 8 8 : 7 9 6 - 7 9 8 .6 . A R C H I B A L D , A . R . , J . J . A R M S T R O N G , J .
B A D D I L E Y , AND J . B . H A Y . 1 9 6 1 . T e i c h o i c
a c i d s a n d t h e s t r u c t u r e o fb a c t e r i a l w a l l s .N a t u r e 1 9 1 : 5 7 0 - 5 7 2 .
7 . A R C H I B A L D , A . R . , J . B A D D I L E Y , AND J . G .
B U C H A N A N . 1 9 6 1 . The r i b i t o l t e i c h o i c a c i d
f r o m L a c t o b a c i l l u s a r a b i n o s u s w a l l s : i s o -l a t i o n a n d s t r u c t u r e o f r i b i t o l g l u c o s i d e s .B i o c h e m . J . 8 1 : 1 2 4 - 1 3 4 .
8 . A R M S T R O N G , J . J . , J . B A D D I L E Y , AND J . G .
B U C H A N A N . 1 9 5 9 . S t r u c t u r e o f t e i c h o i c a c i d
f r o m t h e w a l l s o f B a c i l l u s s u b t i l i s . N a t u r e
1 8 4 : 2 4 8 - 2 4 9 .9 . A R M S T R O N G , J . J . , J . B A D D I L E Y , AND J . G .
B U C H A N A N . 1 9 6 0 . S t r u c t u r e o f t h e r i b i t o l
t e i c h o i c a c i d f r o m t h e w a l l s o f B a c i l l u ss u b t i l i s . B i o c h e m . J . 7 6 : 6 1 0 - 6 2 1 .1 0 . A R M S T R O N G , J . J . , J . B A D D I L E Y , AND J . G .
B U C H A N A N . 1 9 6 1 . F u r t h e r s t u d i e s on t h e
t e i c h o i c a c i d f r o m B a c i l l u s s u b t i l i s w a l l s .B i o c h e m . J . 8 0 : 2 5 4 - 2 6 1 .
1 1 . A R M S T R O N G , J . J . , J . B A D D I L E Y , J . G .
B U C H A N A N , AND B . C A R S S . 1 9 5 8 . N u c l e o -
t i d e s a n d t h e b a c t e r i a l c e l l w a l l . N a t u r e1 8 1 : 1 6 9 2 - 1 6 9 3 .
1 2 . A R M S T R O N G , J . J . , J . B A D D I L E Y , J . G .
B U C H A N A N , B . C A R S S , AND G . R . GREEN-B E R G . 1 9 5 8 . I s o l a t i o n a n d s t r u c t u r e o f
r i b i t o l p h o s p h a t e d e r i v a t i v e s ( t e i c h o i c
a c i d s ) f r o m b a c t e r i a l c e l l w a l l s . J . Ch e m .
S o c . , p . 4 3 4 4 - 4 3 5 4 .
1 3 . A R M S T R O N G , J . J . , J . B A D D I L E Y , J . G . ,
B U C H A N A N , A . L . D A V I S O N , M. V .
KELEMEN, AND F . C . NEUHAUS. 1 9 5 9 .
C o m p o s i t i o n o f t e i c h o i c a c i d s f r o m a
n u m b e r o f b a c t e r i a l . w a l l s . N a t u r e 1 8 4 : 2 4 7 -
2 4 8 .1 4 . B A D D I L E Y , J . 1 9 5 9 . N u c l e o t i d e s a n d b a c t e r i a l
c e l l w a l l c o m p o n e n t s . P r o c . Chem. S o c . ,p . 1 7 7 - 1 8 2 .
1 5 . B A D D I L E Y , J . , J . G . B U C H A N A N , B . C A R S S ,
A . P . M A T H I A S , AND A . R . S A N D E R S O N .1 9 5 6 . The i s o l a t i o n o f c y t i d i n e d i p h o s p h a t e
g l y c e r o l , c y t i d i n e d i p h o s p h a t e r i b i t o l a n d
m a n n i t o l 1 - p h o s p h a t e f r o m L a c t o b a c i l l u s
a r a b i t n o s u s . B i o c h e m . J . 6 4 : 5 9 9 . 6 0 3 .1 6 . B A D D I L E Y , J . , J . G . B U C H A N A N , F . E . H A R D Y ,
R. 0 . MARTIN, U . L . RAJBHANDARY, AND
A . R . S A N D E R S O N . 1 9 6 1 . The s t r u c t u r e o ft h e r i b i t o l t e i c h o i c a c i d o f S t a p h y l o c o c c u s
a u r e u s H . B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a 5 2 : 4 0 6 -
4 0 7 .1 7 . B A D D I L E Y , J . , J . G . B U C H A N A N , U . L .
RAJBHANDARY, AND A . R. SANDERSON.
1 9 6 2 . T e i c h o i c a c i d f r o m t h e w a l l s o f S t a p h -
y l o c o c c u s a u r e u s H . S t r u c t u r e o f t h e
N - a c e t y l g l u c o s a m i n y l r i b i t o l r e s i d u e s . B i o -
c h e m . J . 8 2 : 4 3 9 - 4 4 8 .
1 8 . B A D D I L E Y , J . , AN D A . L . D A V I S O N . 1 9 6 1 . Th e
o c c u r r e n c e an d l o c a t i o n o f t e i c h o i c a c i d s
i n l a c t o b a c i l l i . J . G e n . M i c r o b i o l . 2 4 : 2 9 5 -
2 9 9 .1 9 . B A D D I L E Y , J . , AN D A . P . M A T H I A S . 1 9 5 4 .
C y t i d i n e n u c l e o t i d e s I . I s o l a t i o n f r o m
L a c t o b a c i l l u s a r a b i n o s u s . J . Chem. S o c . ,p . 2 7 2 3 - 2 7 3 1 .
2 0 . B A D D I L E Y , J . , AN D F . C . NEUHAUS. 1 9 5 9 . Thee n z y m i c a c t i v a t i o n o f D - a l a n i n e i n L a c t o -
b a c i l l u s a r a b i n o s u s 1 7 - 5 . B i o c h i m . B i o p h y s .A c t a 3 3 : 2 7 7 - 2 7 9 .
2 1 . B A D D I L E Y , J . , AND F . C . NEUHAUS. 1 9 6 0 . The
e n z y m i c a c t i v a t i o n o f D - a l a n i n e . B i o c h e m .
J . 7 6 : 5 7 9 - 5 8 7 .2 2 . B A R B E R , M. 1 9 6 1 . M e t h i c i l l i n - r e s i s t a n ts t a p h y l o c o c c i . J . C l i n . P a t h o l . 1 4 : 3 8 5 -3 9 3 .
2 3 . B A R K U L I S , S . S . , AN D M. F . J O N E S . 1 9 5 7 .S t u d i e s o f s t r e p t o c o c c a l c e l l w a l l s . I .
I s o l a t i o n , c h e m i c a l c o m p o s i t i o n , a n d
p r e p a r a t i o n o f M p r o t e i n . J . B a c t e r i o l .
7 4 : 2 0 7 - 2 1 6 .2 4 . B A R R I N G T O N , L . F . , AND L . M. K O Z L O F F .
1 9 5 6 . A c t i o n o f b a c t e r i o p h a g e on i s o l a t e d
h o s t c e l l w a l l s . J . B i o l . C h e m . 2 2 3 : 6 1 5 - 6 2 7 .2 5 . B E R G , P . , AN D E . J . O F E N G A N D . 1 9 5 8 . An
e n z y m i c m e c h a n i s m f o r l i n k i n g a m i n o -
49
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
http://slidepdf.com/reader/full/biosyn-of-cell-wall 33/38
B A C T E R I O L . R E V .
a c i d s t o r i b o n u c l e i c a c i d . P r o c . N a t l . A c a d .
S c i . U . S . 4 4 : 7 8 - 8 6 .2 6 . B E R G E R , L . R . , AND R . S . W E I S E R . 1 9 5 7 . The
j 3 - g l u c o s a m i n i d a s e a c t i v i t y o f e g g - w h i t e
l y s o z y m e . B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a 2 6 : 5 1 7 -
5 2 1 .2 7 . B R O C K , T . D . 1 9 6 1 . C h l o r a m p h e n i c o l . B a c -
t e r i o l . R e v . 2 5 : 3 2 - 4 8 .2 8 . B R O O K E S , P . , A . R . C R A T H O R N , AND G . D .
H U N T E R . 1 9 5 9 . S i t e o f s y n t h e s i s o f t h e
p e p t i d e c o m p o n e n t o f t h e c e l l w a l l o fB a c i l l u s m e g a t e r i u m . B i o c h e m . J . 7 3 : 3 9 6 -
4 0 1 .2 9 . B R U M F I T T , W. 1 9 5 9 . The m e c h a n i s m o f
d e v e l o p m e n t o f r e s i s t a n c e t o l y s o z y m e b y
some g r a m - p o s i t i v e b a c t e r i a a n d i t s r e -s u l t s . B r i t . J . E x p t l . P a t h o l . 4 0 : 4 4 1 - 4 5 1 .
3 0 . B R U M F I T T , W. 1 9 6 0 . S t ud i e s o n t h e m e c h -
a n i s m o f a d s o r p t i o n a n d p e n e t r a t i o n b yb a c t e r i o p h a g e . J . P a t h o l . B a c t e r i o l . 7 9 : 1 - 9 .
3 1 . B R U M F I T T , W . , A . C . WARDLAW, AN D J . T .
P A R K . 1 9 5 8 . D e v e l o p m e n t o f l y s o z y m e
r e s i s t a n c e i n M i c r o c o c c u s l y s o d e i k t i c u s a n d
i t s a s s o c i a t i o n w i t h a n i n c r e a s e d 0 - a c e t y l
c o n t e n t o f t h e c e l l w a l l . N a t u r e 1 8 1 : 1 7 8 3 -
1 7 8 4 .3 2 . C H A L O U P K A , J . , AN D K . V E R E A . 1 9 6 1 . T h e
n a t u r e a n d s y n t h e t i c c a p a c i t y o f f r a g i l ec e l l s o f B a c i l l u s m e g a t e r i u m p a r t l y d e -
p r i v e d o f c e l l w a l l s . E x p e r i e n t i a 1 7 : 5 6 2 .3 3 . C O L E , R . M . , AN D J . J . H A H N . 1 9 6 2 . C e l l w a l l
r e p l i c a t i o n i n S t r e p t o c o c c u s p y o g e n e s .
S c i e n c e 1 3 5 : 7 2 2 - 7 2 4 .3 4 . C O L L I N S , J . F . , AN D M. H . R I C H M O N D . 1 9 6 2 .
A s t r u c t u r a l s i m i l a r i t y b e t w e e n N - a c e t y l -
m u r a m i c a c i d a n d p e n i c i l l i n a s a b a s i s f o ra n t i b i o t i c a c t i o n . N a t u r e 1 9 5 : 1 4 2 - 1 4 3 .
3 5 . C O L O B E R T , L . , AN D 0 . C R E A C H . 1 9 6 0 . O b -
t e n t i o n d u s u b s t r a t d u l y s o z y m e c o n t e n u
d a n s l e p a r o i e c t o p l a s m i q u e d ' E b e r t h e l l at y p h i . B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a 4 0 : 1 6 7 - 1 6 9 .
3 6 . C O L O B E R T , L . , AN D G . DIRHEIMER. 1 9 6 1 .A c t i o n d u l y s o z y m e s u r un s u b s t r a t g l y c o -p e p t i d i q u e i s o l 6 d e M i c r o c o c c u s l y s o d e i k -t i c u s . B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a 5 4 : 4 5 5 - 4 6 8 .
3 7 . C O M B , D . G . , W. C H I N , AN D S . R O S E M A N .
1 9 6 1 . U r i d i n e n u c l e o t i d e s c o n t a i n i n g a , e -d i a m i n o p i m e l i c a c i d f r o m E s c h e r i c h i a c o l i .B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a . 4 6 : 3 9 4 - 3 9 7 .
3 8 . C U M M I N S , C . S . 1 9 5 6 . The c h e m i c a l c o m p o -s i t i o n o f t h e b a c t e r i a l c e l l w a l l . I n t e r n .
R e v . C y t o l . 5 : 2 5 - 5 0 .3 9 . C U M M I N S , C . S . , AN D H . H A R R I S . 1 9 5 6 . The
c h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f t h e c e l l w a l l s i nsome g r a m - p o s i t i v e b a c t e r i a a n d i t s p o s -
s i b l e v a l u e a s a t a x o n o m i c c h a r a c t e r . J .G e n . M i c r o b i o l .
1 4 : 5 8 3 - 6 0 0 .4 0 . C U M M I N S , C . S . , AN D H . H A R R I S . 1 9 5 8 . S t u d i e s
o n t h e c e l l - w a l l c o m p o s i t i o n a n d taxonomy
o f a c t i n o m y c e t a l e s a n d r e l a t e d g r o u p s . J .G e n . M i c r o b i o l . 1 8 : 1 7 3 - 1 8 9 .
4 1 . C Z E R K A W S K I , J . W . , H . R . P E R K I N S , AN DH . J . R O G E R S . 1 9 6 3 . A s t u d y o f t h e c o m p o s i -
t i o n a n d s t r u c t u r e o f t h e c e l l - w a l l muco-p e p t i d e o f M i c r o c o c c u s l y s o d e i k t i c u s . B i o -
c h e m . J . 8 6 : 4 6 8 - 4 7 4 .
4 2 . D A V I D S O N , E . A . , AND K . MEYER. 1 9 5 5 .C h o n d r o i t i n , a n ew p o l y s a c c h a r i d e . J .B i o l . C h e m . 2 1 1 : 6 0 5 - 6 1 1 .
4 3 . D A V I E S , D . A . L . 1 9 6 0 . P o l y s a c c h a r i d e s o fG r a m - n e g a t i v e b a c t e r i a . A d v a n . C a r b o -
h y d r a t e C h e m . 1 5 : 2 7 1 - 3 4 0 .
4 4 . DAWSON, I . M. 1 9 4 9 . The n a t u r e o f t h e
b a c t e r i a l s u r f a c e , p . 1 1 9 . A . A . M i l e s a n dN . W. P i r i e [ e d . ] . B l a c k w e l l S c i e n t i f i cP u b l i c a t i o n s , O x f o r d , E n g l a n d .
4 5 . D I E R I C K X , L . , AN D J . M. GHUYSEN. 1 9 6 2 .P u r i f i c a t i o n d e l a j 5 ( 1 - 4 ) - N - a c 6 t y l h e x o s -a m i n i d a s e s e c r e t e e p a r S t r e p t o m y c e s a l b u s
G e t a c t i v e s u r l e s p a r o i s d e M i c r o c o c c u s
l y s o d e i k t i c u s . B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a
5 8 : 7 - 1 8 .4 6 . D U G U I D , J . P . 1 9 4 6 . T h e s e n s i t i v i t y o f b a c -
t e r i a t o t h e a c t i o n o f p e n i c i l l i n . E d i n b u r g h
Med. J . 5 3 : 4 0 1 .4 7 . F O S T E R , A . B . , AN D D. HORTON. 1 9 5 8 . A c i d
r e v e r s i o n o f 2 - a c e t a m i d o - 2 - d e o x y - D - g l u -
c o s e . J . C h e m . S o c . , p . 1 8 9 0 - 1 8 9 4 .
4 8 . F U L L E R , A . T . 1 9 3 8 . The formamide method
f o r t h e e x t r a c t i o n o f p o l y s a c c h a r i d e s f r o m
h a e m o l y t i c s t r e p t o c o c c i . B r i t . J . E x p t l .
P a t h o l . 1 9 : 1 3 0 - 1 3 9 .
4 9 . G A L E , E . F . , AN D J . P . F O L K E S . 1 9 5 5 . Thea s s i m i l a t i o n o f a m i n o - a c i d s b y b a c t e r i a .
2 0 . The i n c o r p o r a t i o n o f l a b e l l e d a m i n o
a c i d s b y d i s r u p t e d s t a p h y l o c o c c a l c e l l s .B i o c h e m . J . 5 9 : 6 6 1 - 6 7 5 .
5 0 . G A L E , E . F . , C . J . S H E P H E R D , AN D J . P .
F O L K E S . 1 9 5 8 . I n c o r p o r a t i o n o f a m i n o -
a c i d s b y d i s r u p t e d s t a p h y l o c o c c a l c e l l s .
N a t u r e 1 8 2 : 5 9 2 - 5 9 5 .5 1 . G A U S E , G . F . , G . V . K O C H E T K O V A , AN D G . B .
V L A D I M I R O V A . 1 9 6 1 . B i o c h e m i c a l c h a n g e s
a c c o m p a n y i n g i m p a i r e d r e s p i r a t i o n i n
s t a p h y l o c o c c i . N a t u r e 1 9 0 : 9 7 8 - 9 8 0 .5 2 . G H U Y S E N , J . M. 1 9 5 7 . A c t i v i t e s b a c t ~ r i o l y -
t i q u e s d e l ' a c t i n o m y c e t i n e d e S t r e p t o m y c e s
a l b u s G . A r c h . I n t e r n . P h y s i o l . B i o c h i m .
6 5 : 1 7 3 - 3 0 6 .5 3 . G H U Y S E N , J . M. 1 9 6 0 . E n z y m i c s e n s i t i v i t y o f
p u r i f i e d a c e t y l h e x o s a m i n e a n d a c e t y l -h e x o s a m i n e - p e p t i d e c o m p l e x e s . B i o c h i m .
B i o p h y s . A c t a 4 0 : 4 7 3 - 4 8 0 .5 4 . G H U Y S E N , J . M. 1 9 6 1 . P r 6 c i s i o n s s u r l a
s t r u c t u r e d e sc o m p l e x e s
d i s a c c h a r i d e -
p e p t i d e l i b e r d s d e s p a r o i s d e M i c r o c o c c u s
5 0 PERKINS
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
http://slidepdf.com/reader/full/biosyn-of-cell-wall 34/38
V O L . 2 7 , 1 9 6 3 BACTERIAL CELL WALLS, STRUCTURE AND BIOSYNTHESIS
l y s o d e i k t i c u s s o u s 1 ' a c t i o n d e s f 3 ( 1 - * 4 )N - a c e t y l h e x o s a m i n i d a s e s . B i o c h i m . B i o -
p h y s . A c t a 4 7 : 5 6 1 - 5 6 8 .
5 5 . G H U Y S E N , J . M. 1 9 6 1 . C o m p l e x e a c i d e t e i c h -o i q u e - m u c o p e p t i d e d e s p a r o i s c e l l u l a i r e sd e B a c i l l u s m e g a t e r i u m K M. B i o c h i m .
B i o p h y s . A c t a 5 0 : 4 1 3 - 4 2 9 .
5 6 . G H U Y S E N , J . M . , AND M. R . J . S A L T O N . 1 9 6 0 .A c e t y l h e x o s a m i n e c o m p o u n d s e n z y m i c a l l y
r e l e a s e d f r o m M i c r o c o c c u s l y s o d e i k t i c u s c e l lw a l l s . I . I s o l a t i o n a n d c o m p o s i t i o n o fa c e t y l h e x o s a m i n e a n d a c e t y l h e x o s a m i n e -
p e p t i d e c o m p l e x e s . B i o c h i m . B i o p h y s .
A c t a 4 0 : 4 6 2 - 4 7 2 .5 7 . G O O D E R , H . , AND W. R . MAXTED. 1 9 6 1 . Mode
o f a c t i o n o f " C e l b e n i n . " B r i t . M e d . J .1 : 2 0 5 .
5 8 . H A N C O C K , R . , AN D J . T . P A R K . 1 9 5 8 . C e l l - w a l l
s y n t h e s i s b y S t a p h y l o c o c c u s a u r e u s i n t h ep r e s e n c e o f c h l o r a m p h e n i c o l . N a t u r e
1 8 1 : 1 0 5 0 - 1 0 5 2 .
5 9 . HAUKENES, G . , D . C . E L L W O O D , J . B A D D I L E Y ,
AND P . O E D I N G . 1 9 6 1 . S e r o l o g i c a l c r o s s -r e a c t i v i t y b e t w e e n p o l y s a c c h a r i d e A a n d
t e i c h o i c a c i d o f S t a p h y l o c o c c u s a u r e u s .
B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a 5 3 : 4 2 5 .6 0 . H A Y A S H I , J . A . , AND S . S . B A R K U L I S . 1 9 5 9 .
S t u d i e s o f s t r e p t o c o c c a l c e l l w a l l s . I I I .The a m i n o a c i d s o f t h e t r y p s i n - t r e a t e d
c e l l w a l l . J . B a c t e r i o l . 7 7 : 1 7 7 - 1 8 4 .6 1 . H I G G I N S , H . M . , W. H . H A R R I S O N , G . M.
W I L D , H . R . B U N G A Y , AND M. H . Mc -C O R M I C K . 1 9 5 8 . V a n c o m y c i n , a new a n t i -b i o t i c . V I . P u r i f i c a t i o n a n d p r o p e r t i e s o fv a n c o m y c i n . A n t i b i o t i c s A n n . 1 9 5 7 - 1 9 5 8 ,p . 9 0 6 - 9 1 4 .
6 2 . H O L D S W O R T H , E . S . 1 9 5 2 . T h e n a t u r e o f t h e
c e l l - w a l l o f C o r y n e b a c t e r i u m d i p h t h e r i a e .B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a 8 : 1 1 0 .
6 3 . H O U G H , L . , AN D J . B . P R I D H A M . 1 9 5 7 . E f f e c to f a c i d c o n c e n t r a t i o n a n d t e m p e r a t u r e o n
r e v e r s i o n o f L - a r a b i n o s e . C h e m . I n d .
( L o n d o n ) , p . 1 1 7 8 .6 4 . I K A W A , M. 1 9 6 1 . T h e p a r t i a l c h e m i c a l d e g -
r a d a t i o n o f t h e c e l l w a l l s o f L a c t o b a c i l l u sp l a n t a r u m , S t r e p t o c o c c u s f a e c a l i s a n d
L a c t o b a c i l l u s c a s e i . J . B i o l . Chem. 2 3 6 : 1 0 8 7 -
1 0 9 2 .6 5 . I K A W A , M . , AN D E . E . S N E L L . 1 9 5 6 .
D - G l u t a m i c a c i d a n d a m i n o s u g a r s a s c e l lw a l l c o n s t i t u e n t s i n l a c t i c a c i d b a c t e r i a .
B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a 1 9 : 5 7 6 - 5 7 8 .
6 6 . I K A W A , M . , AND E . E . S N E L L . 1 9 5 8 . N a t u r e
o f t h e t r i c h l o r o a c e t i c a c i d - s o l u b l e d e r i v -
a t i v e s o f D - a l a n i n e i n S t r e p t o c o c c u s f a e c a l i s .A r c h . B i o c h e m . B i o p h y s . 7 8 : 3 3 8 - 3 4 7 .
6 7 . I K A W A , M . , AN D E . E . S N E L L . 1 9 6 0 . C e l l - w a l l
c o m p o s i t i o n o f l a c t i c a c i d b a c t e r i a . J .B i o l . Chem. 2 3 5 : 1 3 7 6 - 1 3 8 2 .
6 8 . I N G R A M , V . M . , AN D M. R . J . S A L T O N . 1 9 5 7 .The a c t i o n o f f l u o r o d i n i t r o b e n z e n e o n
b a c t e r i a l c e l l w a l l s . B i o c h i m . B i o p h y s .A c t a 2 4 : 9 - 1 4 .
6 9 . I S H I M O T O , N . , M. S A I T O , AN D E . I T O . 1 9 5 8 .C o m p o s i t i o n o f t h e c e l l w a l l o f S t a p h y l o -
c o c c u s a u r e u s 2 0 9 P . N a t u r e 1 8 2 : 9 5 9 - 9 6 0 .
7 0 . I T O , E . , N . I S H I M O T O , AN D M. S A I T O . 1 9 5 8 .U r i d i n e d i p h o s p h a t e - a m i n o - s u g a r com-
p o u n d s f r o m S t a p h y l o c o c c u s a u r e u s i n -h i b i t e d by p e n i c i l l i n . N a t u r e 1 8 1 : 9 0 6 - 9 0 7 .
7 1 . I T O , E . , N . I S H I M O T O , AN D M. S A I T O . 1 9 5 9 .U r i d i n e d i p h o s p h a t e - N - a c e t y l a m i n o -
s u g a r c o m p o u n d s f r o m S t a p h y l o c o c c u s
a u r e u s 2 0 9 P . I . A m i n o - a c i d c o n s t i t u e n t s .
A r c h . B i o c h e m . B i o p h y s . 8 0 : 4 3 1 - 4 4 1 .
7 2 . I T O , E . , AN D J . L . S T R O M I N G E R . 1 9 6 0 . E n z y -m a t i c s y n t h e s i s o f t h e p e p t i d e i n a u r i d i n e
n u c l e o t i d e f r o m S t a p h y l o c o c c u s a u r e u s .
J . B i o l . Chem. 2 3 5 : P C 5 - P C 7 .
7 3 . I T O , E . , AN D J . L . S T R O M I N G E R . 1 9 6 0 . E n z y -m a t i c a d d i t i o n o f l y s i n e t o a u r i d i n e n u c l e o -
t i d e . J . B i o l . C h e m . 2 3 5 : P C 7 - P C 8 .
7 4 . I V k N O V I C S , G . 1 9 4 0 . U n t e r s u c h u n g e n u b e r
d a s P o l y s a c c h a r i d d e r M i l z b r a n d b a z i l l e n .
Z . I m m u n i t a e t s f o r s c h . 9 7 : 4 0 2 - 4 2 3 .7 5 . J A N C Z U R A , E . , H . R . P E R K I N S , AN D H . J .
R O G E R S . 1 9 6 1 . T e i c h u r o n i c a c i d : a muco-
p o l y s a c c h a r i d e p r e s e n t i n w a l l p r e p a r a -
t i o n s f r o m v e g e t a t i v e c e l l s o f B a c i l l u ss u b t i l i s . B i o c h e m . J . 8 0 : 8 2 - 9 3 .
7 6 . J E N K I N , H . M. 1 9 6 0 . P r e p a r a t i o n a n d p r o p e r -
t i e s o f c e l l w a l l s o f t h e a g e n t o f m e n i n g o -
p n e u m o n i t i s . J . B a c t e r i o l . 8 0 : 6 3 9 - 6 4 7 .
7 7 . J O R D A N , D . C . 1 9 6 1 . E f f e c t o f v a n c o m y c i n o n
t h e s y n t h e s i s o f t h e c e l l w a l l m u c o p e p t i d eo f S t a p h y l o c o c c u s a u r e u s . B i o c h e m .
B i o p h y s . R e s . Commun. 6 : 1 6 7 .7 8 . K E L E M E N , M. V . , AN D J . B A D D I L E Y . 1 9 6 1 .
S t r u c t u r e o f t h e i n t r a c e l l u l a r g l y c e r o lt e i c h o i c a c i d f r o m L a c t o b a c i l l u s c a s e iA . T . C . C . 7 4 6 9 . B i o c h e m . J . 8 0 : 2 4 6 - 2 5 4 .
7 9 . K R A U S E , R . M . , AND M. MCCARTY. 1 9 6 1 .S t u d i e s o n t h e c h e m i c a l s t r u c t u r e o f t h e
s t r e p t o c o c c a l c e l l w a l l . I . The i d e n t i f i c a t i o no f a m u c o p e p t i d e i n t h e c e l l w a l l s o f g r o u p s
A a n d A - v a r i a n t s t r e p t o c o c c i . J . E x p t l .
Med. 1 1 4 : 1 2 7 - 1 4 0 .
8 0 . K U H N , R . , A . G A U H E , AN D H . H . B A E R . 1 9 5 4 .E i n f l u s z v o n S u b s t i t u e n t e n a u f d i e F a r b -
r e a k t i o n v o n - N - A c e t y l g l u c o s a m i n m i t
p - D i m e t h y l a m i n o b e n z a l d e h y d . Chem. B e r .
8 7 : 1 1 3 8 - 1 1 4 1 .
8 1 . L A N C E F I E L D , R . C . , AN D G . E . PERLMANN.
1 9 5 2 . P r e p a r a t i o n a n d p r o p e r t i e s o f t y p e -
s p e c i f i c M a n t i g e n i s o l a t e d f r o m G r o u p A ,
5 1
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
http://slidepdf.com/reader/full/biosyn-of-cell-wall 35/38
B A C T E R I O L . R E V .
t y p e I h e n m o l y t i c s t r e p t o c o c c u s . J . E x p t l .
M e d . 9 6 : 7 1 - 8 2 .8 2 . L A R K , K . G . , AND C . L A R K . 1 9 6 0 . C h a n g e s
d u r i n g t h e d i v i s i o n c y c l e i n b a c t e r i a l c e l l
w a l l s y n t h e s i s , v o l u m e a n d a b i l i t y t o
c o n c e n t r a t e f r e e a m i n o - a c i d s . B i o c h i m .
B i o p h y s . A c t a 4 3 : 5 2 0 - 5 3 0 .
8 3 . L E D E R B E R G , J . 1 9 5 6 . B a c t e r i a l p r o t o p l a s t s
i n d u c e d b y p e n i c i l l i n . P r o c . N a t l . A c a d .
S c i . U . S . 4 2 : 5 7 4 - 5 7 7 .
8 4 . M C C A R T Y , M. 1 9 5 2 . The l y s i s o f g r o u p Ah e m o l y t i c s t r e p t o c o c c i b y e x t r a c e l l u l a re n z y m e s o f S t r e p t o m y c e s a l b u s . I . P r o d u c -
t i o n a n d f r a c t i o n a t i o n o f t h e l y t i c e n z y m e s .
J . E x p t l . M e d . 9 6 : 5 5 5 - 5 6 8 .
8 5 . MCCARTY, M. 1 9 5 2 . The l y s i s o f g r o u p A
h e m o l y t i c s t r e p t o c o c c i b y e x t r a c e l l u l a re n z y m e s o f S t r e p t o m y c e s a l b u s . I I . The
n a t u r e o f t h e c e l l u l a r s u b s t r a t e a t t a c k e db y t h e l y t i c e n z y m e s . J . E x p t l . M e d .
9 6 : 5 6 9 - 5 8 0 .8 6 . MCCARTY, M. 1 9 6 0 . C h e m i c a l b a s i s f o r s e r o -
l o g i c a l s p e c i f i c i t y o f c e l l - w a l l c a r b o h y -
d r a t e s o f g r o u p A s t r e p t o c o c c i . B u l l . S o c .
C h i m . B i o l . 4 2 : 1 6 6 1 - 1 6 6 7 .8 7 . MAcLENNAN, A . P . 1 9 6 1 . C o m p o s i t i o n o f t h e
c e l l w a l l o f A c t i n o m y c e s b o v i s : t h e i s o l a t i o no f 6 - d e o x y - L - t a l o s e . B i o c h i m . B i o p h y s .
A c t a 4 8 : 6 0 0 .8 8 . MCQUILLEN, K. 1 9 6 0 . B a c t e r i a l p r o t o p l a s t s ,
p . 2 4 9 - 3 5 9 . I n I . C . G u n s a l u s a n d R . Y .
S t a n i e r [ e d . ] , The b a c t e r i a , v o l . 1 . A c a -d e m i c P r e s s , I n c . , Ne w Y o r k .
8 9 . MANDELSTAM, J . 1 9 6 1 . I s o l a t i o n o f l y s o z y m e -
s o l u b l e m u c o p e p t i d e s f r o m t h e c e l l w a l l s
o f E s c h e r i c h i a c o l i . N a t u r e 1 8 9 : 8 5 5 - 8 5 6 .
9 0 . MANDELSTAM, J . 1 9 6 2 . P r e p a r a t i o n a n d
p r o p e r t i e s o f t h e m u c o p e p t i d e s o f c e l lw a l l s o f g r a m - n e g a t i v e b a c t e r i a . B i o c h e m .
J . 8 4 : 2 9 4 - 2 9 9 .
9 1 . MANDELSTAM, J . , AND H . J . R O G E R S . 1 9 5 8 .C h l o r a m p h e n i c o l - r e s i s t a n t i n c o r p o r a t i o n o fa m i n o - a c i d s i n t o s t a p h y l o c o c c i a n d c e l l -w a l l s y n t h e s i s . N a t u r e 1 8 1 : 9 5 6 - 9 5 7 .
9 2 . MANDELSTAM, J . , AND H . J . R O G E R S . 1 9 5 9 .The i n c o r p o r a t i o n o f a m i n o - a c i d s i n t o t h e
c e l l - w a l l m u c o p e p t i d e o f s t a p h y l o c o c c i
a n d t h e e f f e c t o f a n t i b i o t i c s o n t h e p r o c e s s .B i o c h e m . J . 7 2 : 6 5 4 - 6 6 2 .
9 3 . MANDELSTAM, M. H . , AND J . L . S T R O M I N G E R .
1 9 6 1 . On t h e s t r u c t u r e o f t h e c e l l w a l l o f
S t a p h y l o c o c c u s a u r e u s ( C o p e n h a g e n ) . B i o -
c h e m . B i o p h y s . R e s . Commun. 5 : 4 6 6 - 4 7 1 .9 4 . MEADOW, P . , AND E . WORK. 1 9 5 9 . B i o s y n -
t h e s i s o f d i a m i n o p i m e l i c a c i d a n d l y s i n e i n
E s c h e r i c h i a c o l i . 2 . I n c o r p o r a t i o n o f [ " C ]d i a m i n o p i m e l i c a c i d , l y s i n e a n d g l u c o s e .
B i o c h e m . J . 7 2 : 4 0 0 - 4 0 7 .
9 5 . M I T C H E L L , P . 1 9 5 0 . S p e c t r o p h o t o n i e t r i c
e s t i m a t i o n o f n u c l e i c a c i d i n b a c t e r i a l
s u s p e n s i o n s . J . G e n . M i c r o b i o l . 4 : 3 9 9 - 4 0 9 .
9 6 . M I T C H E L L , P . 1 9 5 6 . P e n i c i l l i n a n d t h e l o g i co f c h e m o t h e r a p y . G i o r n . M i c r o b i o l . 2 : 4 4 0 -
4 6 2 .9 7 . M I T C H E L L , P . , AND J . MOYLE. 1 9 5 0 . O c -
c u r r e n c e o f a p h o s p h o r i c e s t e r i n c e r t a i n
b a c t e r i a : i t s r e l a t i o n t o G r a m s t a i n i n g a n d
p e n i c i l l i n s e n s i t i v i t y . N a t u r e 1 6 6 : 2 1 8 - 2 2 0 .
9 8 . M I T C H E L L , P . , AND J . MOYLE. 1 9 5 1 . I s o l a t i o n
o f h y d r o l y t i c p r o d u c t s o f a g l y c e r o p h o s p h o -
c o m p o u n d f r o m M i c r o c o c c u s p y o g e n e s . J .
G e n . M i c r o b i o l . 5 : 9 6 6 - 9 8 0 .9 9 . M I T C H E L L , P . , AND J . MOYLE. 1 9 5 1 . The
g l y c e r o p h o s p h o - p r o t e i n c o m p l e x e n v e l o p e
o f M i c r o c o c c u s p y o g e n e s . J . G e n . M i c r o b i o l .
5 : 9 8 1 - 9 9 2 .
1 0 0 . M I T C H E L L , P . , AND J . MOYLE. 1 9 5 7 . A u t o l y t i cr e l e a s e a n d o s m o t i c p r o p e r t i e s o f " p r o t o -
p l a s t s " f r o m S t a p h y l o c o c c u s a u r e u s . J .G e n . M i c r o b i o l . 1 6 : 1 8 4 - 1 9 4 .
1 0 1 . M I T C H E L L , P . , AND J . MOYLE. 1 9 5 8 . The
p o s i t i c a c i d s o f S t a p h y l o c o c c u s a u r e u s a n d
o t h e r G r a m - p o s i t i v e p e n i c i l l i n - s e n s i t i v eb a c t e r i a : h y d r o l y t i c p r o d u c t s a n d p o s s i b l eb a c k b o n e s t r u c t u r e . P r o c . R o y . S o c .
E d i n b u r g h A . 2 7 : 7 9 - 8 5 .1 0 2 . MORGAN, W. T . J . , AND L . A . E L S O N . 1 9 3 4 .
A c o l o r i m e t r i c m e t h o d f o r t h e d e t e r m i n a -
t i o n o f N - a c e t y l g l u c o s a m i n e a n d N - a c e t y l -
c h o n d r o s a m i n e . B i o c h e m . J . 2 8 : 9 8 8 - 9 9 5 .1 0 3 . MURPHY, J . S . 1 9 5 7 . A p h a g e a s s o c i a t e d
e n z y m e o f B a c i l l u s m e g a t e r i u m w h i c h
d e s t r o y s t h e b a c t e r i a l c e l l w a l l . V i r o l o g y
4 : 5 6 3 - 5 8 1 .
1 0 4 . MURRAY, R . G . E . , W. H . F R A N C O M B E , AND
B . H . M A Y A L L . 1 9 5 9 . The e f f e c t o f p e n i c i l l i no n t h e s t r u c t u r e o f s t a p h y l o c o c c a l c e l l
w a l l s . C a n . J . M i c r o b i o l . 5 : 6 4 1 - 6 4 8 .
1 0 5 . NATHENSON, S . G . , AND J . L . S T R O M I N G E R .
1 9 6 1 . E f f e c t s o f p e n i c i l l i n o n t h e b i o s y n -
t h e s i s o f t h e c e l l w a l l s o f E s c h e r i c h i a c o l i
a n d S t a p h y l o c o c c u s a u r e u s . J . P h a r m a c o l .
E x p t l . T h e r a p . 1 3 1 : 1 - 6 .1 0 6 . NEUHAUS, F . C . 1 9 6 0 . E n z y m i c s y n t h e s i s o f
D - a l a n y l - D - a l a n i n e . B i o c h e m . B i o p h y s . R e s .
Commun. 3 : 4 0 1 - 4 0 5 .
1 0 7 . N O M U R A , M . , AND J . HOSODA. 1 9 5 6 . N a t u r e
o f t h e p r i m a r y a c t i o n o f t h e a u t o l y s i n o fB a c i l l u s s u b t i l i s . J . B a c t e r i o l . 7 2 : 5 7 3 - 5 8 1 .
1 0 8 . O ' B R I E N , P . J . , M. C . G L I C K , AN D F . Z I L -
L I K E N . 1 9 6 0 . A c i d i c a m i n o s u g a r s f r o m
b a c t e r i a . I n c o r p o r a t i o n o f [ 1 - " 4 C ] _ - a , 'm e t h y l - N - a c e t y l - D - g l u c o s a m i n i d e i n t o
m u r a m i c a c i d . B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a
3 7 : 3 5 7 - 3 6 0 .
1 0 9 . P A R K , J . T . 1 9 5 2 . U r i d i n e - 5 ' - p y r o p h o s p h a t e
0 5 2 PERKINS
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
http://slidepdf.com/reader/full/biosyn-of-cell-wall 36/38
V O L . 2 7 , 1 9 6 3 BACTERIAL CELL WALLS, STRUCTURE AND BIOSYNTHESIS
d e r i v a t i v e s . I . I s o l a t i o n f r o m S t a p h y l o -
c o c c u s a u r e u s . I I . A s t r u c t u r e c o m m o n t o
t h r e e d e r i v a t i v e s . I I I . A m i n o - a c i d c o n -
t a i n i n g d e r i v a t i v e s . J . B i o l . C h e m . 1 9 4 : 8 7 7 ,8 8 5 , 8 9 7 - 9 0 4 .
1 1 0 . P A R K , J . T . 1 9 5 4 . U r i d i n e d i p h o s p h a t e d e r i v -a t i v e s i n S t a p h y l o c o c c u s a u r e u s t r e a t e d
w i t h c r y s t a l v i o l e t o r v a r i o u s a n t i b i o t i c s .F e d e r a t i o n P r o c . 1 3 : 2 7 1 .
1 1 1 . P A R K , J . T . 1 9 5 8 . S e l e c t i v e i n h i b i t i o n o fb a c t e r i a l c e l l - w a l l s y n t h e s i s : i t s p o s s i b l ea p p l i c a t i o n s i n c h e m o t h e r a p y . S y m p . S o c .G e n . M i c r o b i o l . 8 : 4 9 - 6 1 .
1 1 2 . P A R K , J . T . 1 9 5 8 . I n h i b i t i o n o f c e l l - w a l ls y n t h e s i s i n S t a p h y l o c o c c u s a u r e u s b y
c h e m i c a l s w h i c h c a u s e a c c u m u l a t i o n o f w a l l
p r e c u r s o r s . B i o c h e m . J . 7 0 : 2 P .
1 1 3 . P A R K , J . T . , AND M. J . J O H N S O N . 1 9 4 9 . A c -
c u m u l a t i o n o f l a b i l e p h o s p h a t e i n S t a p h -y l o c o c c u s a u r e u s g r o w n i n t h e p r e s e n c e
o f p e n i c i l l i n . J . B i o l . C h e m . 1 7 9 : 5 8 5 - 5 9 2 .
1 1 4 . P A R K , J . T . , AND J . L . S T R O M I N G E R . 1 9 5 7 .
Mode o f a c t i o n o f p e n i c i l l i n . S c i e n c e 1 2 5 : 9 9 -1 0 1 .
1 1 5 . P E R K I N S , H . R . 1 9 6 0 . The s t r u c t u r e o f a
d i s a c c h a r i d e l i b e r a t e d b y l y s o z y m e f r o m
t h e c e l l w a l l s o f M i c r o c o c c u s l y s o d e i k t i c u s .B i o c h e m . J . 7 4 : 1 8 2 - 1 8 6 .
1 1 6 . P E R K I N S , H . R . 1 9 6 0 . S u b s t a n c e s r e a c t i n g a s
h e x o s a m i n e a n d a s N - a c e t y l h e x o s a m i n e
l i b e r a t e d f r o m b a c t e r i a l c e l l w a l l s b y
l y s o z y m e . B i o c h e m . J . 7 4 : 1 8 6 - 1 9 2 .
1 1 7 . P E R K I N S , H . R . 1 9 6 2 . A p o l y m e r c o n t a i n i n gg l u c o s e a n d a m i n o h e x u r o n i c a c i d i s o l a t e d
f r o m t h e c e l l w a l l s o f M i c r o c o c c u s l y s o d e i k -t i c u s . B i o c h e m . J . 8 6 : 4 7 5 - 4 8 3 .
1 1 8 . P E R K I N S , H . R . , AN D H . J . R O G E R S . 1 9 5 9 .The p r o d u c t s o f t h e p a r t i a l a c i d h y d r o l y s i so f t h e m u c o p e p t i d e f r o m c e l l w a l l s o fM i c r o c o c c u s l y s o d e i k t i c u s . B i o c h e m . J .7 2 : 6 4 7 - 6 5 4 .
1 1 9 . P O W E L L , J . F . , AN D R . E . S T R A N G E , 1 9 5 7 .a , E - D i a m i n o p i m e l i c a c i d m e t a b o l i s m a n d
s p o r u l a t i o n i nB a c i l l u s
s p h a e r i c u s .B i o -
c h e m . J . 6 5 : 7 0 0 - 7 0 8 .1 2 0 . P R I M O S I G H , J . , H. P E L Z E R , D . M A A S S , AND
W. W E I D E L . 1 9 6 1 . C h e m i c a l c h a r a c t e r i z a -
t i o n o f m u c o p e p t i d e s r e l e a s e d f r o m t h e
E . c o l i B c e l l w a l l b y e n z y m i c a c t i o n .
B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a 4 6 : 6 8 - 8 0 .1 2 1 . R E P A S K E , R . 1 9 5 6 . L y s i s o f g r a m - n e g a t i v e
b a c t e r i a b y l y s o z y m e . B i o c h i m . B i o p h y s .
A c t a 2 2 : 1 8 9 - 1 9 1 .
1 2 2 . R E P A S K E , R . 1 9 5 8 . L y s i s o f G r a m - n e g a t i v e
o r g a n i s m s a n d t h e r o l e o f v e r s e n e . B i o c h i m .
B i o p h y s . A c t a 3 0 : 2 2 5 - 2 3 2 .
1 2 3 . RHULAND, L . E . 1 9 6 0 . a - E - D i a m i n o p i m e l i c
a c i d : i t s d i s t r i b u t i o n , s y n t h e s i s a n d m e -
t a b o l i s m . N a t u r e 1 8 5 : 2 2 4 - 2 2 8 .1 2 4 . R I C H M O N D , M. H . 1 9 5 9 . L y t i c e n z y m e s o f
S t a p h y l o c o c c u s a u r e u s 5 2 4 . B i o c h i m .
B i o p h y s . A c t a 3 1 : 5 6 4 - 5 6 5 .
1 2 5 . R I C H M O N D , M. H . 1 9 5 9 . F o r m a t i o n o f a l y t i cenzyme b y a s t r a i n o f B a c i l l u s s u b t i l i s .B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a 3 3 : 7 8 - 9 2 .
1 2 6 . R I C H M O N D , M. H . 1 9 5 9 . P r o p e r t i e s o f a l y t i cenzyme p r o d u c e d b y a s t r a i n o f B a c i l l u s
s u b t i l i s . B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a 3 3 : 9 2 - 1 0 1 .
1 2 7 . R I C H M O N D , M. H . , AND H . R . P E R K I N S . 1 9 6 0 .P o s s i b l e p r e c u r s o r s f o r t h e s y n t h e s i s o fmuramic a c i d b y S t a p h y l o c o c c u s a u r e u s
5 2 4 . B i o c h e m . J . 7 6 : 1 P .
1 2 8 . R O B E R S O N , B . S . , AND J . H . S C H W A B . 1 9 6 0 .S t u d i e s o n t h e p r e p a r a t i o n o f b a c t e r i a lc e l l w a l l s a n d c r i t e r i a o f h o m o g e n e i t y .
B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a 4 4 : 4 3 6 - 4 4 4 .1 2 9 . R O G E R S , H . J . 1 9 6 1 . The s t r u c t u r e a n d f u n c -
t i o n o f h y a l u r o n a t e . B i o c h e m . S o c . Symp.
C a m b r i d g e , E n g l . 2 0 : 5 1 - 7 8 .1 3 0 . R O G E R S , H . J . 1 9 6 2 . The m o de o f a c t i o n o f t h e
p e n i c i l l i n s . C i b a F o u n d . S t u d y G r o u p ,
n o . 1 3 : 2 5 - 4 3 .1 3 1 . R O G E R S , H . J . , AND J . J E L J A S Z E W I C Z . 1 9 6 1 .
A s t u d y o f p e n i c i l l i n - s e n s i t i v e a n d p e n i -
c i l l i n - r e s i s t a n t s t r a i n s o f S t a p h y l o c o c c u s
a u r e u s . B i o c h e m . J . 8 1 : 5 7 6 - 5 8 4 .
1 3 2 . R O G E R S , H . J . , AND J . MANDELSTAM. 1 9 6 2 .I n h i b i t i o n o f c e l l - w a l l m u c o p e p t i d e f o r m a -
t i o n i n E s c h e r i c h i a c o l i b y b e n z y l p e n i c i l -l i n a n d 6 - [ D ( - ) - a - a m i n o p h e n y l a c e t a m i d o ]p e n i c i l l a n i c a c i d ( a m p i c i l l i n ) . B i o c h e m . J .8 4 : 2 9 9 - 3 0 3 .
1 3 3 . R O G E R S , H . J . , AND H . R . P E R K I N S . 1 9 5 9 .C e l l - w a l l m u c o p e p t i d e s o f S t a p h y l o c o c c u s
a u r e u s a n d M i c r o c o c c u s l y s o d e i k t i c u s .N a t u r e 1 8 4 : 5 2 0 - 5 2 4 .
1 3 4 . ROGERS, H . J . , AND H . R . P E R K I N S . 1 9 6 0 .
5 - F l u o r o u r a c i l a n d m u c o p e p t i d e b i o s y n -
t h e s i s b y S t a p h y l o c o c c u s a u r e u s . B i o c h e m .
J . 7 7 : 4 4 8 - 4 5 9 .1 3 5 . R O G E R S , H . J . , AND H . R . P E R K I N S . 1 9 6 2 .
C e l l w a l l s a n d c a p s u l e s o f t h e Gram-
p o s i t i v e c o c c i . B i o c h e m . J . 8 2 : 3 5 P .
1 3 6 . S A L T O N , M. R . J . 1 9 5 2 . C e l l w a l l o f M i c r o -
c o c c u s l y s o d e i k t i c u s a s t h e s u b s t r a t e o fl y s o z y m e . N a t u r e 1 7 0 : 7 4 6 - 7 4 7 .
1 3 7 . S A L T O N , M. R . J . 1 9 5 3 . B a c t e r i a l c e l l w a l l .I V . C o m p o s i t i o n o f t h e c e l l w a l l s o f s o m e
g r a m - p o s i t i v e a n d g r a m - n e g a t i v e b a c t e r i a .
B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a 1 0 : 5 1 2 - 5 2 3 .
1 3 8 . S A L T O N , M. R . J . 1 9 5 6 . C e l l u l a r s t r u c t u r e a n d
e n z y m i c b a c t e r i o l y s i s . P r o c . I n t e r n . C o n g r .
B i o c h e m . 3 r d B r u s s e l s , p . 4 0 4 - 4 1 0 .
1 3 9 . S A L T O N , M. R . J . 1 9 5 6 . The a c t i o n o f l y s o z y m e
o n c e l l w a l l s o f some l y s o z y m e - s e n s i t i v e
5 r ) 3
8/3/2019 Biosyn of Cell Wall
http://slidepdf.com/reader/full/biosyn-of-cell-wall 37/38
B A C T E R I O L . REV.
b a c t e r i a . B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a 2 2 : 4 9 5 -
5 0 6 .
1 4 0 . S A L T O N , M. R . J . 1 9 5 7 . C e l l w a l l a m i n o - a c i d s
a n d a m i n o - s u g a r s . N a t u r e 1 8 0 : 3 3 8 - 3 3 9 .
1 4 1 . S A L T O N , M. J . R . 1 9 6 0 . S t u d i e s o f t h e b a c -
t e r i a l c e l l w a l l . V I I . M o n o s a c c h a r i d ec o n s t i t u e n t s o f t h e w a l l s o f G r a m - n e g a t i v e
b a c t e r i a . B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a 4 5 : 3 6 4 -
3 7 1 .1 4 2 . S A L T O N , M. R . J . 1 9 6 0 . S u r f a c e l a y e r s o f t h e
b a c t e r i a l c e l l , p . 9 7 - 1 5 1 . I n I . C . G u n s a l u s
a n d R . Y . S t a n i e r [ e d . ] , The b a c t e r i a , v o l .1 . A c a d e m i c P r e s s , I n c . , Ne w Y o r k .
1 4 3 . S A L T O N , M. R . J . 1 9 6 1 . S t u d i e s o f t h e b a c -
t e r i a l c e l l w a l l . V I I I . R e a c t i o n o f w a l l s
w i t h h y d r a z i n e a n d w i t h f l u o r o d i n i t r o -
b e n ze n e . B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a 5 2 : 3 2 9 -
3 4 2 .
1 4 4 . S A L T O N , M. R . J . , AN D J . M. G H U Y S E N . 1 9 6 0 .A c e t y l h e x o s a m i n e c o m p o u n d s e n z y m i c a l l y
r e l e a s e d f r o m M i c r o c o c c u s l y s o d e i k t i c u sc e l l w a l l s . I I I . The s t r u c t u r e o f d i - a n d
t e t r a - s a c c h a r i d e s r e l e a s e d f r o m c e l l w a l l s
b y l y s o z y m e a n d s t r e p t o m y c e s F . e n z y m e .
B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a 4 5 : 3 5 5 - 3 6 3 .1 4 5 . S A L T O N , M. R . J . , AND R . W. H O R N E . 1 9 5 1 .
B a c t e r i a l c e l l w a l l . I I . M e t h o d s o f p r e p a r a -
t i o n a n d some p r o p e r t i e s . B i o c h i m .
B i o p h y s . A c t a 7 : 1 7 7 - 1 9 7 .1 4 6 . S A L T O N , M. R . J . , AND B . M A R S H A L L . 1 9 5 9 .
The c o m p o s i t i o n o f t h e s p o r e w a l l a n d t h e
w a l l o f v e g e t a t i v e c e l l s o f B a c i l l u s s u b t i l i s .J . G e n . M i c r o b i o l . 2 1 : 4 1 5 - 4 2 0 .
1 4 7 . S A L T O N , M. R . J . , AND J . G . P A V L I K . 1 9 6 0 .W a l l c o m p o s i t i o n a n d s e n s i t i v i t y t o l y s o -z y m e . B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a 3 9 : 3 9 8 - 4 0 7 .
1 4 8 . S A L T O N , M. R . J . , AND F . S H A F A . 1 9 5 8 . Some
c h a n g e s i n t h e s u r f a c e s t r u c t u r e o f g r a m -
n e g a t i v e b a c t e r i a i n d u c e d b y p e n i c i l l i na c t i o n . N a t u r e 1 8 1 : 1 3 2 1 - 1 3 2 4 .
1 4 9 . S A N D E R S O N , A . R . , W. G . J U E R G E N S , AN D J . L .
S T R O M I N G E R . 1 9 6 1 . C h e m i c a l a n d i m m u n o -
c h e m i c a l s t r u c t u r e o f t e i c h o i c a c i d f r o m
S t a p h y l o c o c c u s a u r e u s ( C o p e n h a g e n ) . B i o -
c h e m . B i o p h y s . R e s . Commun. 5 : 4 7 2 - 4 7 6 .1 5 0 . S A U K K O N E N , J . J . 1 9 6 1 . A c i d - s o l u b l e n u c l e o -
t i d e s o f S t a p h y l o c o c c u s a u r e u s : m a s s i v e
a c c u m u l a t i o n o f a d e r i v a t i v e o f c y t i d i n e
d i p h o s p h a t e i n t h e p r e s e n c e o f p e n i c i l l i n .N a t u r e 1 9 2 : 8 1 6 .
1 5 1 . S C H M I D T , G . , AND S . J . THANNHAUSER. 1 9 4 5 .A m e t h o d f o r t h e d e t e r m i n a t i o n o f d e s o x y -r i b o n u c l e i c a c i d , r i b o n u c l e i c a c i d a n d
p h o s p h o p r o t e i n s i n a n i m a l t i s s u e s . J .B i o l . C h e m . 1 6 1 : 8 3 - 8 9 .
1 5 2 . S C H O C H E R , A . J . , S . T . B A Y L E Y , A N D ) R . W.WATSON. 1 9 6 2 . C o m p o s i t i o n o f p u r i f i e d
m u c o p e p t i d e f r o m t h e w a l l o f A e r o b a c t e r
c l o a c a e . C a n . J . M i c r o b i o l . 8 : 8 9 - 9 8 .
1 5 3 . S C H O C H E R , A . J . , D . J U S I C , AND R . W.WATSON. 1 9 6 1 . H y d r a z i n o l y s i s o f p u r i f i e d
m u c o p e p t i d e f r o m t h e w a l l o f A e r o b a c t e r
c l o a c a e . B i o c h e m . B i o p h y s . R e s . Commun.6 : 1 6 - 1 9 .
1 5 4 . S H O C K M A N , G . D . 1 9 5 9 . R e v e r s a l o f c y c l o -
s e r i n e i n h i b i t i o n by D - a l a n i n e . P r o c . S o c .
E x p t l . B i o l . M e d . 1 0 1 : 6 9 3 - 6 9 5 .1 5 5 . S H O C K M A N , G . D . , M. J . CONOVER, J . J .
K O L B , P . M. P H I L L I P S , L . S . R I L E Y , AND
G . T O E N N I E S . 1 9 6 1 . L y s i s o f S t r e p t o c o c c u s
f a e c a l i s . J . B a c t e r i o l . 8 1 : 3 6 - 4 3 .1 5 6 . S H O C K M A N , G . D . , J . J . KOLB, AN D G .
T O E N N I E S . 1 9 5 8 . R e l a t i o n s b e t w e e n b a c -
t e r i a l c e l l w a l l s y n t h e s i s , g r o w t h p h a s e a n d
a u t o l y s i s . J . B i o l . C h e m . 2 3 0 : 9 6 1 - 9 7 7 .
1 5 7 . S N E L L , E . E . , N . S . R A D I N , AN D M. IKAWA.1 9 5 5 . The n a t u r e o f D - a l a n i n e i n l a c t i c a c i d
b a c t e r i a . J . B i o l . C h e m . 2 1 7 : 8 0 3 - 8 1 8 .
1 5 8 . S M I T H , H . , R . E . S T R A N G E , AN D H . T .
ZWARTOUW. 1 9 5 6 . a , e - D i a m i n o p i m e l i c a c i d
i n t h e p e p t i d e m o i e t y o f t h e c e l l w a l l
p o l y s a c c h a r i d e o f B a c i l l u s a n t h r a c i s .
N a t u r e 1 7 8 : 8 6 5 - 8 6 6 .
1 5 9 . S M I T H , H . , AN D H . T . ZWARTOUW. 1 9 5 6 . The
p o l y s a c c h a r i d e f r o m B a c i l l u s a n t h r a c i s
g r o w n i n v i v o . B i o c h e m . J . 6 3 : 4 4 7 - 4 5 3 .
1 6 0 . S T R A N G E , R . E . 1 9 5 9 . C e l l w a l l l y s i s a n d t h e
r e l e a s e o f p e p t i d e s i n B a c i l l u s s p e c i e s .
B a c t e r i o l . R e v . 2 3 : 1 - 7 .1 6 1 . S T R A N G E , R . E . , AN D F . C . BELTON. 1 9 5 4 .
S t u d i e s on a p r o t e c t i v e a n t i g e n p r o d u c e di n v i t r o f r o m B a c i l l u s a n t h r a c i s : p u r i f i c a t i o na n d c h e m i s t r y o f t h e a n t i g e n . B r i t . J .E x p t l . P a t h o l . 3 5 : 1 5 3 - 1 6 5 .
1 6 2 . S T R A N G E , R . E . , AND F . A . DARK. 1 9 5 6 . Anu n i d e n t i f i e d a m i n o - s u g a r p r e s e n t i n c e l l
w a l l s an d s p o r e s o f v a r i o u s b a c t e r i a . Nature
1 7 7 : 1 8 6 - 1 8 8 .
1 6 3 . S T R O M I N G E R , J . L . 1 9 5 8 . E n z y m i c t r a n s f e r o fp y r u v a t e t o u r i d i n e d i p h o s p h o a c e t y l -
g l u c o s a m i n e . B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a
3 0 : 6 4 5 - 6 4 6 .1 6 4 . S T R O M I N G E R , J . L . 1 9 5 9 . Th e a m i n o - a c i d
s e q u e n c e i n t h e u r i d i n e n u c l e o t i d e - p e p t i d e
f r o m S t a p h y l o c o c c u s a u r e u s . C o m p t . R e n d .
T r a v . L a b . C a r l s b e r g 3 1 : 1 8 1 - 1 9 2 .
1 6 5 . S T R O M I N G E R , J . L . 1 9 5 9 . A c c u m u l a t i o n o fu r i d i n e a n d c y t i d i n e n u c l e o t i d e s i n S t a p h -
y l o c o c c u s a u r e u s i n h i b i t e d b y Gentian
v i o l e t . J . B i o l . C h e m . 2 3 4 : 1 5 2 0 - 1 5 2 4 .
1 6 6 . S T R O M I N G E R , J . L . 1 9 6 0 . M o n o n u c l e o t i d e
a c i d a n h y d r i d e s an d r e l a t e d c o m p o u n d s a s
i n t e r m e d i a t e s i n m e t a b o l i c r e a c t i o n s .
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1 9 6 0 . The r i g i d l a y e r o f t h e c e l l w a l l o f
E s c h e r i c h i a c o l i s t r a i n B . J . G e n . M i c r o -
b i o l . 2 2 : 1 5 8 - 1 6 6 .1 7 6 . W E I D E L , W . , AN D J . P R I M O S I G H . 1 9 5 8 . B i o -
c h e m i c a l p a r a l l e l s b e t w e e n l y s i s b y v i r u l e n t
p h a g e a n d l y s i s b y p e n i c i l l i n . J . G e n .
M i c r o b i o l . 1 8 : 5 1 3 - 5 1 7 .1 7 7 . WENZEL, M . , H . P . L E N K , AND E . S C H t Y T T E .
1 9 6 1 . H e r s t e l l u n g von T r i - [ N - a c e t y l ] -
c h i t o t r i o s e - [ H 3 ] u n d d e r e n S p a l t u n g d u r c h
L y s o z y m . Z . P h y s i o l . Chem. 3 2 7 : 1 3 - 2 0 .1 7 8 . WORK, E . 1 9 5 7 . B i o c h e m i s t r y o f t h e b a c t e r i a l
c e l l w a l l . N a t u r e 1 7 9 : 8 4 1 - 8 4 7 .1 7 9 . WORK, E . 1 9 6 1 . The m u c o p e p t i d e s o f b a c -
t e r i a l c e l l w a l l s . A r e v i e w . J . G e n . M i c r o -
b i o l . 2 5 : 1 6 7 - 1 8 9 .1 8 0 . Y O S H I D A , N . , Y . I Z U M I , I . T A N I , S . TANAKA,
K . T A K A I S H I , T . H A S H I M O T O , AND K.
F U K U I . 1 9 5 7 . S t u d i e s o n t h e b a c t e r i a l c e l l
w a l l . X I I I . S t u d i e s on t h e c h e m i c a l com-
p o s i t i o n o f b a c t e r i a l c e l l w a l l s a n d s p o r e
m e m b r a n e s . J . B a c t e r i o l . 7 4 : 9 4 - 1 0 0 .1 8 1 . Z I L L I K E N , F . 1 9 5 9 . C h e m i s t r y o f b a c t e r i a l
c e l l w a l l s . F e d e r a t i o n P r o c . 1 8 : 9 6 6 - 9 7 3 .1 8 2 . Z I N D E R , N . D . , AND W. F . A R N D T . 1 9 5 6 .
P r o t o p l a s t s o f E s c h e r i c h i a c o l i b y l y s o z y m e
t r e a t m e n t . P r o c . N a t l . A c a d . S c i . U . S .
4 2 : 5 8 6 - 5 9 0 .
5 5
