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Jun 04, 2023

A extração de fluido de densidade e temperatura controlada em um biofilme bacteriano é determinada por poli

npj Biofilmes e Microbiomas

npj Biofilms and Microbiomes volume 8, Número do artigo: 98 (2022) Citar este artigo

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Uma característica dos biofilmes microbianos é a autoprodução de uma matriz molecular extracelular que envolve as células residentes. A matriz fornece proteção do ambiente, enquanto a heterogeneidade espacial da expressão gênica influencia a morfologia estrutural e a dinâmica de propagação da colônia. Bacillus subtilis é um sistema bacteriano modelo usado para descobrir as vias regulatórias e os principais blocos de construção necessários para o crescimento e desenvolvimento do biofilme. Neste trabalho, relatamos o surgimento de uma população altamente ativa de bactérias durante os estágios iniciais da formação do biofilme, facilitada pela extração de fluido do substrato de ágar subjacente. Traçamos a origem dessa extração fluida para a produção de ácido poli-γ-glutâmico (PGA). A atividade dependente de flagelos se desenvolve atrás de uma frente móvel de fluido que se propaga desde o limite do biofilme em direção ao interior. A extensão da proliferação fluida é controlada pela presença de polissacarídeos extracelulares (EPS). Também descobrimos que a produção de PGA está positivamente correlacionada com temperaturas mais altas, resultando em morfologias de biofilme maduro de alta temperatura que são distintas da arquitetura de biofilme de colônia rugosa tipicamente associada a B. subtilis. Embora relatórios anteriores tenham sugerido que a produção de PGA não desempenha um papel importante na morfologia do biofilme no isolado não domesticado NCIB 3610, nossos resultados sugerem que esta cepa produz matrizes de biofilme distintas em resposta às condições ambientais.

Uma estratégia comum empregada por bactérias para mitigar o estresse imposto por seu ambiente é coexistir em comunidades sésseis conhecidas como biofilmes. A transição da vida unicelular para multicelular permite que os residentes coordenem respostas a estímulos, compartilhem cargas metabólicas1 e protejam-se contra ataques externos de predadores2,3 ou agentes antimicrobianos4,5. Este comportamento é onipresente em todo o mundo microbiano e uma compreensão clara da gênese, desenvolvimento e maturação do biofilme é importante tanto de uma perspectiva microbiológica fundamental, mas também devido ao seu impacto em muitos setores industriais, clínicos e biotecnológicos. Por exemplo, os biofilmes atuam como fontes para muitas infecções crônicas e suas características físicas os tornam difíceis de erradicar6,7. Essa intransigência também pode impactar os processos industriais, onde os biofilmes podem resultar em bloqueios de tubulações, induzir corrosão ou contaminar produtos8,9,10. No entanto, embora existam muitas consequências negativas da formação de biofilmes, os biofilmes microbianos desempenham papéis vitais no tratamento de águas residuais e outros processos de biorremediação11,12,13,14 e entender sua formação, bem como sua interrupção, é de interesse fundamental.

Bacillus subtilis é uma bactéria Gram-positiva que tem sido amplamente utilizada como organismo modelo para investigar a regulação genética e os mecanismos moleculares da formação de biofilme15,16. Os principais componentes da matriz produzida por B. subtilis são a proteína fibrilar TasA17, o surfactante de proteína semelhante à hidrofobina BslA18,19,20 e o polissacarídeo sintetizado por produtos do operon epsA-O21. Uma das principais vias regulatórias que controlam a expressão desses componentes é modulada pelo fator de transcrição Spo0A, com níveis moderados de Spo0A fosforilado ativando a transcrição do operon sinI-sinR22,23. SinR é um fator de transcrição de ligação ao DNA que controla a produção de matriz por meio da interação com os promotores epsA-O e tapA-sipW-tasA24. Quando SinR se liga às suas proteínas antagonistas (SinI e SlrR), a repressão desses operons é aliviada e a formação de biofilme pode prosseguir25,26.

Neste trabalho, relatamos a observação de múltiplas frentes fluidas viajantes que se desenvolvem durante o estágio inicial de formação do biofilme da colônia de B. subtilis. Após a deposição inicial das células fundadoras, surge uma população altamente móvel de bactérias que nada no fluido extraído do substrato de ágar subjacente. Nós associamos geneticamente essa frente móvel de fluido à produção do polímero poli-γ-ácido glutâmico (PGA). Descobrimos que o influxo de fluido depende da densidade bacteriana e da temperatura ambiente, e que a extensão da infiltração de fluido é, por sua vez, modulada pela produção de polissacarídeo extracelular (EPS). A produção de PGA em temperaturas mais altas e a extração concomitante de fluido impactam significativamente a morfologia do biofilme maduro, que diverge da estrutura típica associada a B. subtilis NCIB 3610. Nossos resultados sugerem que B. subtilis tem a capacidade de produzir uma alternativa matriz extracelular em resposta às condições ambientais.