Передача сигналов и тушение кворума сообщества: сборка микробной гранулярной биопленки

npj Биопленки и микробиомы, том 1, Номер статьи: 15006 (2015) Цитировать эту статью

13 тысяч доступов

121 цитат

8 Альтметрика

Подробности о метриках

Недавние отчеты, исследующие роль градиентов сигналов восприятия кворума (QS) в функциональном активированном иле, подняли вопрос о том, являются ли общие системы синтеза и деградации сигналов или подавления кворума (QQ) в сообществе информационными средствами, с помощью которых биология QS регулируют сборку хлопьевидных и гранулярных биопленок.

В этом исследовании мы стремились изучить видовое происхождение и интерактивную роль активности QS и QQ в таких весьма разнообразных микробных биопленочных сообществах.

Здесь такие цели систематически решались с помощью комплексного многостороннего экспериментального подхода к секвенированию РНК, микробиологической и аналитической химии с использованием двух родственных, но независимо развившихся сообществ флокулярного и гранулярного ила.

Наши данные выявили явную разницу между потенциалами QS и QQ двух сообществ, при этом разные виды в основном демонстрируют функции QS или QQ. Сообщество флокулярного ила демонстрировало высокую скорость активности QQ, и эта скорость зависела от длины ацильной цепи, демонстрируя специфичность разложения. Когда флокулярная биомасса трансформировалась в гранулированный ил, QQ-активность сообщества снижалась на 30%. N-ацил-гомосерин-лактоны с четырьмя-восьми атомами углерода в ацильной цепи накапливались на гранулярной стадии, и их концентрации были как минимум в три раза выше, чем на флокулярной стадии. Эти результаты подтвердили анализ метасообщества, в ходе которого при переходе от флокул к гранулам наблюдался значительный сдвиг у доминирующих видов от потенциальных гасителей сигналов к производителям, что указывает на роль видового состава и связанной с ним сигнальной активности в координации поведения сообщества.

Это исследование предполагает, что QQ выполняет важную функцию в регуляции передачи сигналов QS на уровне сообщества и дает механистическое представление о роли биологии QS в сложной сборке сообщества.

В большинстве природных и искусственных экосистем бактерии преимущественно обитают в структурированных сообществах, в скоплениях, широко известных как микробные биопленки.1 Эти микробные консорциумы могут состоять из сотен и тысяч видов бактерий с различными метаболическими способностями и в совокупности проявлять свойства на уровне сообщества, которые отличаются от планктонные клетки.2,3 Общий состав и функции сложных биопленок обычно определяются взаимодействиями между различными видами микробов.1,3 Понимание динамики межвидовых взаимодействий внутри таких сложных многовидовых биопленок является сложной задачей, но важно для того, чтобы контролировать и регулировать ключевые функции экосистемы. К ним относятся, например, создание высокостабильных и устойчивых микробных сообществ для очистки воды и сточных вод или лечения заболеваний, связанных с биопленками.

Во многих случаях межвидовые взаимодействия включают общение через небольшие диффундирующие сигнальные молекулы, механизм, обычно называемый «чувством кворума» (QS).3 Многие бактерии используют QS для синхронизации поведения популяций, включая, помимо прочего, образование биопленок, продукцию экзоферментов и секрецию факторов вирулентности. , чтобы оптимизировать рост популяции и выживаемость в различных средах.4,5 Система QS, опосредованная N-ацил-гомосерин-лактоном (AHL), является одной из наиболее хорошо изученных систем бактериальной коммуникации и присутствует примерно в 10% протеобактерий, выделенных из различных экологические ниши.6–8 В результате того, что несколько членов сообщества используют одни и те же классы сигнальных молекул, возможны перекрестные помехи или общение между бактериями разных видов или даже между организмами из разных доменов.9–12 Например, Burkholderia cepacia может воспринимать АГЛ, выделяемые Pseudomonas aeruginosa при совместном культивировании, приводят к образованию смешанных микроколоний, в отличие от образования отдельных несмешанных микроколоний в отсутствие активности QS.10 АГЛ также присутствуют в биологически значимых концентрациях в сложных сообществах у широкий спектр сред обитания, включая мокроту пациентов с муковисцидозом 13, микробные маты 14, рубец 15 и очистные сооружения. 16,17 Эти результаты позволяют предположить, что передача сигналов QS на уровне сообщества, вероятно, будет важна в большинстве сред обитания. Действительно, роль QS, опосредованного АГЛ, в формировании сложных, смешанных биопленок ила, а также в сборке микробных гранул была недавно продемонстрирована в мембранном биореакторе18 и секвенирующем реакторе периодического действия (SBR)19 соответственно. Для SBR было обнаружено, что продукция специфических АГЛ in situ сильно и положительно коррелирует с морфогенезом микробных гранул. Повышенные концентрации АГЛ были связаны с образованием гранул, тогда как пониженные концентрации совпадали с распадом гранул и превращением в хлопья.19 Самое главное, эти процессы были тесно связаны с обилием разнообразных видов микробов в гранулярных сообществах. , что предполагает очень сложное взаимодействие сообществ на основе AHL.19 Однако неясно, как такие взаимодействия могут быть достигнуты и скоординированы между отдельными филогенетически разными видами в сложных сообществах.

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>