Экстракция жидкости с контролируемой плотностью и температурой в бактериальную биопленку определяется методом поли

npj Биопленки и микробиомы, том 8, Номер статьи: 98 (2022) Цитировать эту статью

874 Доступа

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Отличительной чертой микробных биопленок является самостоятельное производство внеклеточного молекулярного матрикса, который окружает резидентные клетки. Матрица обеспечивает защиту от окружающей среды, а пространственная гетерогенность экспрессии генов влияет на структурную морфологию и динамику распространения колонии. Bacillus subtilis — это модельная бактериальная система, используемая для выявления регуляторных путей и ключевых строительных блоков, необходимых для роста и развития биопленок. В этой работе мы сообщаем о появлении высокоактивной популяции бактерий на ранних стадиях формирования биопленок, чему способствует экстракция жидкости из подлежащего агарового субстрата. Мы связываем происхождение этой жидкостной экстракции с производством поли-γ-глутаминовой кислоты (PGA). Зависимая от жгутиков активность развивается за движущимся фронтом жидкости, который распространяется от границы биопленки внутрь. Степень пролиферации жидкости контролируется наличием внеклеточных полисахаридов (ЭПС). Мы также обнаружили, что продукция PGA положительно коррелирует с более высокими температурами, что приводит к морфологии зрелых биопленок при высоких температурах, которые отличаются от архитектуры биопленок морщинистых колоний, обычно связанных с B. subtilis. Хотя в предыдущих отчетах предполагалось, что продукция PGA не играет важной роли в морфологии биопленок у неодомашненного изолята NCIB 3610, наши результаты показывают, что этот штамм производит различные матрицы биопленок в ответ на условия окружающей среды.

Общая стратегия, используемая бактериями для смягчения стрессов, вызванных окружающей средой, заключается в сосуществовании в сидячих сообществах, известных как биопленки. Переход от одноклеточной к многоклеточной жизни позволяет жителям координировать реакцию на раздражители, распределять метаболическую нагрузку1 и защищать от внешнего нападения хищников2,3 или противомикробных агентов4,5. Такое поведение повсеместно распространено в микробном мире, и четкое понимание происхождения, развития и созревания биопленок важно как с фундаментальной микробиологической точки зрения, так и из-за их влияния на многие промышленные, клинические и биотехнологические сектора. Например, биопленки служат источником многих хронических инфекций, а их физические характеристики затрудняют их искоренение6,7. Эта непримиримость может также повлиять на промышленные процессы, где биопленки могут привести к закупорке труб, вызвать коррозию или загрязнить продукцию8,9,10. Однако, несмотря на множество негативных последствий образования биопленок, микробные биопленки играют жизненно важную роль в очистке сточных вод и других процессах биоремедиации11,12,13,14, и понимание их образования, а также их разрушения представляет фундаментальный интерес.

Bacillus subtilis — грамположительная бактерия, которая широко используется в качестве модельного организма для изучения генетической регуляции и молекулярных механизмов образования биопленок15,16. Основными компонентами матрикса, продуцируемого B. subtilis, являются фибриллярный белок TasA17, гидрофобиноподобный белок-ПАВ BslA18,19,20 и полисахарид, синтезируемый продуктами оперона epsA-O21. Один из основных регуляторных путей, который контролирует экспрессию этих компонентов, модулируется транскрипционным фактором Spo0A, при этом умеренные уровни фосфорилированного Spo0A активируют транскрипцию оперона sinI-sinR22,23. SinR представляет собой ДНК-связывающий транскрипционный фактор, который контролирует выработку матрикса путем взаимодействия с промоторами epsA-O и TapA-sipW-tasA24. Когда SinR связывается со своими белками-антагонистами (SinI и SlrR), репрессия этих оперонов ослабляется и может продолжаться образование биопленок25,26.

В этой работе мы сообщаем о наблюдении множественных движущихся фронтов жидкости, которые развиваются на ранней стадии формирования биопленки колонии B. subtilis. После первоначального осаждения клеток-основателей появляется очень подвижная популяция бактерий, которая плавает в жидкости, экстрагированной из подлежащего агарового субстрата. Мы генетически связываем этот движущийся фронт жидкости с производством полимера поли-γ-глутаминовой кислоты (ПГК). Мы обнаружили, что приток жидкости зависит как от плотности бактерий, так и от температуры окружающей среды, а степень инфильтрации жидкости, в свою очередь, модулируется выработкой внеклеточного полисахарида (ЭПС). Производство PGA при более высоких температурах и сопутствующая экстракция жидкости существенно влияют на морфологию зрелой биопленки, которая отличается от типичной структуры, связанной с B. subtilis NCIB 3610. Наши результаты показывают, что B. subtilis обладает способностью производить альтернативу. внеклеточный матрикс в ответ на условия окружающей среды.