# Molecular mechanisms of microbial complex carbohydrate secretion

> **NIH NIH R01** · UNIVERSITY OF VIRGINIA · 2020 · $288,160

## Abstract

Antibiotic-­resistant  pathogens  pose  a  significant  threat  to  human  health.  The  NIH  identified  several  Gram-­
negative  species  of  particular  concern  due  to  increasing  antibiotic  resistances.  The  cell  envelope  of  Gram-­
negative  bacteria  consists  of  two  membranes  and  lipopolysaccharides  (LPS)  form  an  important  component  of 
the  extracellular  leaflet  of  the  outer  membrane.  LPS  are  important  cell  wall  components  that  control  diffusion 
across the outer membrane, stabilize the cell envelope, and assist in escaping host immune defenses, among 
other functions. Impaired LPS biosynthesis correlates with increased susceptibility to antimicrobial treatments. 
LPS  contain  a  conserved  core,  consisting  of  lipid-­A  attached  to  an  oligosaccharide  backbone,  and  a 
hypervariable  region,  called  the  O  antigen.  O  antigens  are  primarily  linear  complex  carbohydrates  that  reduce 
the  efficacy  of  complement-­mediated  cell  lysis  and  phagocytosis  as  part  of  the  innate  immune  response.  O 
antigens  are  synthesized  via  two  fundamentally  different  mechanisms.  One  pathway  relies  on  assembling  the 
polymers  from  short  oligosaccharides  in  the  periplasm,  the  other  involves  moving  fully-­assembled  O  antigens 
from the cytosolic to the periplasmic side of the inner membrane with the help of an ABC transporter. Not only 
is  ABC  transporter-­mediated  secretion  of  O  antigens  an  important  process  for  microbial  pathogenicity,  the 
transport  of  a  substrate  several  times  the  size  of  the  ABC  transporter  itself  is  fascinating  from  a  molecular 
level.  Taking  advantage  of  an  already  determined  O  antigen-­translocating  ABC  transporter  structure,  we 
propose  a  structural  biology  approach  to  unravel  the  mechanism  of  O  antigen  translocation  and  to  identify 
unique features of the O antigen that regulate transporter activity.   
ABC  transporters  use  ATP  binding  and  hydrolysis  to  cycle  between  conformations  that  mediate  substrate 
translocation. Our O antigen ABC transporter structure represents a nucleotide-­free conformation, in which the 
transporter  forms  a  continuous  channel  across  the  membrane  that  could  accommodate  a  translocating  O 
antigen.  We  speculate  that  conformational  changes  associated  with  nucleotide  binding  induce  O  antigen 
translocation  by  about  1-­2  sugar  units  per  ATP  hydrolyzed.  To  reveal  the  molecular  mechanism  of  O  antigen 
translocation,  we  seek  to  determine  the  structure  of  the  ABC  transporter  in  a  nucleotide-­bound  closed 
conformation  (Aim  1).  Further,  many  bacterial  species  signal  completion  of  O  antigen  biosynthesis  by 
modifying  the  polymer’s  growing  end  with  specific  groups,  such  as  carbohydrate,  phosphate,  or  methyl 
moieties.  These  ‘capped  O  antigens’  can  only  be  exported  by  transporte...

## Key facts

- **NIH application ID:** 9996726
- **Project number:** 5R01GM129666-03
- **Recipient organization:** UNIVERSITY OF VIRGINIA
- **Principal Investigator:** Jochen Zimmer
- **Activity code:** R01 (R01, R21, SBIR, etc.)
- **Funding institute:** NIH
- **Fiscal year:** 2020
- **Award amount:** $288,160
- **Award type:** 5
- **Project period:** 2018-09-01 → 2022-08-31

## Primary source

NIH RePORTER: https://reporter.nih.gov/project-details/9996726

## Citation

> US National Institutes of Health, RePORTER application 9996726, Molecular mechanisms of microbial complex carbohydrate secretion (5R01GM129666-03). Retrieved via AI Analytics 2026-05-23 from https://api.ai-analytics.org/grant/nih/9996726. Licensed CC0.

---

*[NIH grants dataset](/datasets/nih-grants) · CC0 1.0*