L'estrazione del fluido a densità e temperatura controllata in un biofilm batterico è determinata da poly

npj Biofilm e microbiomi volume 8, numero articolo: 98 (2022) Citare questo articolo

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Una caratteristica dei biofilm microbici è l’autoproduzione di una matrice molecolare extracellulare che racchiude le cellule residenti. La matrice fornisce protezione dall'ambiente, mentre l'eterogeneità spaziale dell'espressione genica influenza la morfologia strutturale e le dinamiche di diffusione delle colonie. Bacillus subtilis è un sistema batterico modello utilizzato per scoprire i percorsi regolatori e gli elementi fondamentali necessari per la crescita e lo sviluppo del biofilm. In questo lavoro, riportiamo l'emergere di una popolazione di batteri altamente attiva durante le prime fasi della formazione del biofilm, facilitata dall'estrazione di fluido dal substrato di agar sottostante. Tracciamo l'origine di questa estrazione fluida alla produzione di acido poli-γ-glutammico (PGA). L'attività flagello-dipendente si sviluppa dietro un fronte mobile di fluido che si propaga dal confine del biofilm verso l'interno. L'entità della proliferazione dei liquidi è controllata dalla presenza di polisaccaridi extracellulari (EPS). Troviamo anche che la produzione di PGA è correlata positivamente con temperature più elevate, risultando in morfologie di biofilm mature ad alta temperatura che sono distinte dall'architettura del biofilm di colonie rugose tipicamente associata a B. subtilis. Sebbene precedenti rapporti abbiano suggerito che la produzione di PGA non gioca un ruolo importante nella morfologia del biofilm nell'isolato non addomesticato NCIB 3610, i nostri risultati suggeriscono che questo ceppo produce matrici di biofilm distinte in risposta alle condizioni ambientali.

Una strategia comune impiegata dai batteri per mitigare gli stress imposti dal loro ambiente è quella di coesistere in comunità sessili note come biofilm. La transizione dalla vita unicellulare a quella multicellulare consente ai residenti di coordinare le risposte agli stimoli, condividere i carichi metabolici1 e proteggersi dagli attacchi esterni dei predatori2,3 o degli agenti antimicrobici4,5. Questo comportamento è onnipresente in tutto il mondo microbico e una chiara comprensione della genesi, dello sviluppo e della maturazione del biofilm è importante sia dal punto di vista microbiologico fondamentale, ma anche a causa del loro impatto su molti settori industriali, clinici e biotecnologici. Ad esempio, i biofilm fungono da fonte di molte infezioni croniche e le loro caratteristiche fisiche li rendono difficili da eradicare6,7. Questa intransigenza può avere un impatto anche sui processi industriali, dove i biofilm possono provocare ostruzioni dei tubi, indurre corrosione o contaminare i prodotti8,9,10. Tuttavia, sebbene vi siano molte conseguenze negative della formazione di biofilm, i biofilm microbici svolgono un ruolo vitale nel trattamento delle acque reflue e in altri processi di biorisanamento11,12,13,14 e comprenderne la formazione e la loro distruzione è di fondamentale interesse.

Bacillus subtilis è un batterio Gram-positivo ampiamente utilizzato come organismo modello per studiare la regolazione genetica e i meccanismi molecolari della formazione del biofilm15,16. I componenti principali della matrice prodotta da B. subtilis sono la proteina fibrillare TasA17, il tensioattivo proteico simile all'idrofobina BslA18,19,20 e il polisaccaride sintetizzato dai prodotti dell'operone epsA-O21. Uno dei principali percorsi regolatori che controllano l'espressione di questi componenti è modulato dal fattore di trascrizione Spo0A, con livelli moderati di Spo0A fosforilato che attivano la trascrizione dell'operone sinI-sinR22,23. SinR è un fattore di trascrizione legante il DNA che controlla la produzione della matrice interagendo con i promotori epsA-O e tapA-sipW-tasA24. Quando SinR si lega alle sue proteine ​​antagoniste (SinI e SlrR), la repressione da parte di questi operoni viene alleviata e la formazione di biofilm può procedere25,26.

In questo lavoro riportiamo l'osservazione di molteplici fronti fluidi viaggianti che si sviluppano durante la fase iniziale della formazione del biofilm delle colonie di B. subtilis. Dopo la deposizione iniziale delle cellule fondatrici, emerge una popolazione di batteri altamente mobile che nuota nel fluido estratto dal substrato di agar sottostante. Colleghiamo geneticamente questo fronte mobile del fluido alla produzione del polimero acido poli-γ-glutammico (PGA). Troviamo che l'afflusso di fluido dipende sia dalla densità batterica che dalla temperatura ambientale e che l'entità dell'infiltrazione di fluido è a sua volta modulata dalla produzione di polisaccaride extracellulare (EPS). La produzione di PGA a temperature più elevate e la concomitante estrazione di fluido hanno un impatto significativo sulla morfologia del biofilm maturo, che diverge dalla struttura tipica associata a B. subtilis NCIB 3610. I nostri risultati suggeriscono che B. subtilis ha la capacità di produrre un'alternativa matrice extracellulare in risposta alle condizioni ambientali.