Sinalização e extinção do quorum sensing comunitário: montagem de biofilme granular microbiano

npj Biofilms and Microbiomes volume 1, Número do artigo: 15006 (2015) Citar este artigo

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Relatórios recentes que exploram o papel dos gradientes de sinais de detecção de quorum (QS) em lodo ativado funcional levantaram a questão de saber se sistemas compartilhados de síntese e degradação de sinalização, ou extinção de quorum (QQ), em toda a comunidade informam sobre os meios pelos quais a biologia QS regular a montagem do biofilme flocular e granular.

Neste estudo, pretendemos explorar a origem das espécies e o papel interativo das atividades de QS e QQ em comunidades de biofilme microbiano altamente diversas.

Aqui, tais objetivos foram abordados sistematicamente por uma abordagem experimental abrangente de sequenciamento de RNA multifacetado, química analítica e microbiológica, usando duas comunidades floculares e granulares relacionadas, mas evoluídas de forma independente.

Nossos dados revelaram uma diferença distinta entre os potenciais QS e QQ das duas comunidades, com diferentes espécies exibindo amplamente funções QS ou QQ. A comunidade de lodo flocular apresentou uma alta taxa de atividade QQ, e essa taxa foi dependente do comprimento da cadeia acil demonstrando especificidade de degradação. Quando a biomassa flocular foi transformada em lodo granular, a atividade QQ da comunidade foi reduzida em 30%. As N-acil homoserina lactonas com quatro a oito carbonos na cadeia acila acumularam-se no estágio granular, e suas concentrações foram pelo menos três vezes maiores que as do estágio flocular. Esses achados corroboraram a análise da metacomunidade, onde uma grande mudança nas espécies dominantes de potenciais supressores de sinal para produtores foi observada durante a transição de flocos para grânulos, indicando o papel da composição de espécies e atividades de sinalização associadas na coordenação dos comportamentos da comunidade.

Este estudo sugere que o QQ tem uma função importante na regulação da sinalização QS no nível da comunidade e fornece uma visão mecanicista sobre o papel da biologia QS na montagem complexa da comunidade.

Na maioria dos ecossistemas naturais e modificados, as bactérias residem predominantemente em comunidades estruturadas, em agregações comumente conhecidas como biofilmes microbianos.1 Esses consórcios microbianos podem ser compostos de centenas a milhares de espécies bacterianas com capacidades metabólicas variadas e exibindo coletivamente propriedades em nível de comunidade que são distintas de as células planctônicas.2,3 A composição geral e a função de biofilmes complexos são tipicamente conduzidas por interações entre as diferentes espécies microbianas.1,3 Compreender a dinâmica das interações interespécies dentro de tais biofilmes complexos de múltiplas espécies é desafiador, mas importante para controlar e regular as principais funções do ecossistema. Isso inclui, por exemplo, a engenharia de comunidades microbianas altamente estáveis e sustentáveis para tratamento de água e águas residuais ou o tratamento de doenças relacionadas a biofilmes.

Em muitos casos, as interações interespécies envolvem a comunicação por meio de pequenas moléculas de sinalização difusíveis, um mecanismo geralmente chamado de detecção de quorum (QS).3 Muitas bactérias usam QS para sincronizar comportamentos populacionais, incluindo, entre outros, formação de biofilme, produção de exoenzimas e secreção de fator de virulência , para otimizar o crescimento populacional e a sobrevivência em diferentes ambientes.4,5 O sistema QS mediado por N-acil homoserina lactona (AHL) é um dos sistemas de comunicação bacteriana mais bem caracterizados e está presente em ~ 10% das Proteobactérias isoladas de vários nichos ecológicos.6–8 Como consequência de múltiplos membros da comunidade compartilhando as mesmas classes de moléculas sinalizadoras, é possível a comunicação cruzada ou comunicação entre bactérias de diferentes espécies ou mesmo entre organismos de diferentes domínios.9–12 Por exemplo, Burkholderia cepacia pode perceber o AHLs liberados por Pseudomonas aeruginosa em co-cultura, levando à formação de microcolônias mistas, em contraste com a formação de microcolônias separadas e não misturadas na ausência de atividade de QS.10 AHLs também estão presentes em concentrações biologicamente relevantes em comunidades complexas em uma gama diversificada de habitats, incluindo escarro de pacientes com fibrose cística,13 esteiras microbianas,14 o rúmen 15 e estações de tratamento de águas residuais.16,17 Essas descobertas sugerem que a sinalização QS no nível da comunidade provavelmente é importante na maioria dos habitats. De fato, o papel do QS mediado por AHL na formação de biofilmes complexos de lodo de espécies mistas, bem como na montagem de grânulos microbianos, foi recentemente demonstrado em um biorreator de membrana18 e um reator de lote de sequenciamento (SBR),19 respectivamente. Para o SBR, verificou-se que a produção in situ de AHLs específicos foi forte e positivamente correlacionada com a morfogênese dos grânulos microbianos. Concentrações elevadas de AHLs foram ligadas à formação de grânulos, enquanto concentrações diminuídas coincidiram com a desintegração de grânulos e conversão em flocos.19 Mais importante ainda, esses processos estavam intimamente relacionados à abundância de uma gama diversificada de espécies microbianas nas comunidades granulares , sugerindo uma interação de comunidade baseada em AHL altamente complexa.19 No entanto, não está claro como tais interações podem ser alcançadas e coordenadas entre as espécies individuais, filogeneticamente diferentes, em comunidades complexas.

97%) were purchased from Sigma-Aldrich (Singapore). Each AHL was expressed as an acronym: C4-HSL (N-butyryl-DL-homoserine lactone), C6-HSL (N-hexanoyl-DL-homoserine lactone), 3OC6-HSL (N-(3-oxohexanoyl)-DL-homoserine lactone), C7-HSL (N-heptanoyl-DL-homoserine lactone), C8-HSL (N-octanoyl-DL-homoserine lactone), 3OC8-HSL (N-(3-oxooctanoyl)-l-homoserine lactone), C10-HSL (N-decanoyl-DL-homoserine lactone), 3OC10-HSL (N-(3-oxodecanoyl)-L-homoserine lactone), C12-HSL (N-dodecanoyl-DL-homoserine lactone), 3OC12-HSL (N-(3-oxododecanoyl)-L-homoserine lactone), 3OHC12-HSL (N-(3-hydroxydodecanoyl)-DL-homoserine lactone), C14-HSL (N-tetradecanoyl-DL-homoserine lactone) and 3OC14-HSL (N-(3-oxotetradecanoyl)-L-homoserine lactone)./p>97% is shown where it is applicable. False discovery rate corrections for multiple comparisons were performed, and significant differences are indicated as follows: *P<0.05, **P<0.01 and ***P<0.001. The signalling properties of the granular sludge community was adapted from Tan et al.19/p>70% of the top 50 most abundant community members were negatively correlated with AHL accumulation (Figure 4; left panel—Cluster 3). Although many factors may have contributed to the negative relationships, one key factor could be that Cluster 3 community members were potential quenchers that antagonise signal accumulation. In support of this, one of the cluster members, Tag 43 (Diaphorobacter nitroreducens R042), was isolated and confirmed to be an AHL quencher (Supplementary Table S2). The higher proportions of signal quenchers relative to the producers in the whole community may thus explain the short half-lives of AHLs, and hence the low AHL concentrations at the floccular stage (Figure 1 and Supplementary Figure S6). Conversely, there was a shift in the community towards QS, i.e., positive correlations, with a concomitant decrease in QQ organisms, i.e., negative correlations, when the biomass was transformed from flocs to granules (Figure 4, right panel). For example, Lysobacter brunescens R037 (Figure 4, right panel—Tag 6 in granular sludge), a signal producer that has been isolated from the community, was almost undetectable at the floccular stage but was highly abundant during granulation.19 In contrast, the signal quencher, D. nitroreducens R042 (Figure 4; Tag 43 in the floccular sludge, which is equivalent to Tag 17 in the granular sludge) was highly abundant in the floccular sludge and was decreased substantially during granulation.19 Although it is not yet possible to determine whether the community shift from the potential QQ organisms to QS organisms is a direct cause of granulation, or whether granulation favours the enrichment of QS organisms over the QQ species, the strong associations between both QS-dominated communities and granules, and QQ-dominated communities and flocs, suggest that differential AHL signalling is important in community level functions, such as granulation./p>65% of community members of diverse taxa engaged in the signalling and quenching processes. The dynamic abundance of QS and QQ organisms, as well as their respective signalling and quenching kinetics, appear to have a key role for defining the overall signal gradient, and hence regulate the transition from floccular to granular biofilms. Importantly, these findings may also imply that complex community assembly is a developmental process driven by QS signalling, with the enrichment of specific community members with QS signalling properties and exclusion of members with anti-QS signalling traits. The observation that QS and QQ activities are associated with phylogenetically diverse microbial species that are commonly found in many different natural habitats, in engineered ecosystems as well as in clinical settings, strongly suggests that AHL-mediated community communication could be a general feature of complex communities, and that the QS and QQ activities may have a significant role in the selection of stable and functional microbial assemblages./p>