Marine Pseudoalteromonas species are associated with higher organisms and produce biologically active extracellular agents

Abstract

The newly established genus Pseudoalteromonas contains numerous marine species which synthesize biologically active molecules. Produkce řady sloučenin, které jsou účinné proti různým cílovým organismům, se jeví jako jedinečná vlastnost pro tento rod a může značně prospět buňkám Pseudoalteromonas v jejich soutěži o živiny a kolonizaci povrchů. Druhy Pseudoalteromonas se obecně vyskytují ve spojení s mořskými eukaryoty a vykazují antibakteriální, bakteriolytické, agarolytické a algicidní účinky. Navíc několik izolátů Pseudoalteromonas specificky zabraňuje usazování běžných znečišťujících organismů. Zatímco se vyrábí široká škála inhibičních extracelulárních činidel, byly také nalezeny sloučeniny podporující přežití jiných mořských organismů žijících v blízkosti druhů Pseudoalteromonas.

1 Úvod

bakterie snadno izolované z mořských vod jsou heterotrofní gramnegativní, bičíkovité bakterie a lze je rozdělit do dvou podskupin v závislosti na jejich schopnosti fermentovat sacharidy. V rámci nefermentativní skupiny, Rod určený Alteromonas byl revidován na základě fylogenetických srovnání provedených Gauthier et al. v roce 1995. Jejich revize navrhla, že rod Alteromonas by měl být rozdělen na dva rody, Alteromonas (který nyní zahrnuje pouze jeden druh) a nový rod, Pseudoalteromonas (obr. 1 ukazuje fylogenetický strom různých druhů, které jsou v současné době přiřazeny k rodu Pseudoalteromonas). Tento nově vytvořený Rod vzbudil značný zájem ze dvou důvodů. Za prvé, druhy Pseudoalteromonas se často vyskytují ve spojení s eukaryotickými hostiteli v mořském prostředí a studie takových asociací objasní mechanismy důležité v interakcích mikrob-hostitel. Za druhé, mnoho druhů produkuje biologicky aktivní metabolity, které se zaměřují na řadu organismů. Různé extracelulární biologické aktivity vykazované druhy Pseudoalteromonas jsou uvedeny v tabulce 1. Cílem tohoto přehledu je shrnout některé vznikající informace týkající se rodu Pseudoalteromonas a zdůraznit ekologický význam a rozsah biologicky aktivních sloučenin, které jsou exprimovány mnoha jeho členskými druhy.

2 izolace druhů Pseudoalteromonas

v klasifikaci bakterií není použitelný jasný rozdíl mezi mořskými a mořskými živočichy a rostlinami . V současné době mohou být zástupci většiny kultivovatelných bakteriálních rodů izolováni jak ze suchozemského, tak z mořského prostředí. Dosud, nyní je zjištěno, že rod Pseudoalteromonas obsahuje druhy, které pocházejí výhradně z mořských vod a že členové byli izolováni z mořských míst po celém světě . Je zajímavé, že většina druhů Pseudoalteromonas se zdá být spojena s eukaryotickými hostiteli. Druhy byly izolovány z různých zvířat, jako jsou mušle , pufferfish , pláštěnky a houby, stejně jako z řady mořských rostlin . Jejich existence na různých stanovištích a jejich celosvětové rozšíření naznačují, že adaptivní strategie a strategie přežití vyjádřené druhy Pseudoalteromonas jsou rozmanité, efektivní a mají velký zájem o základní i aplikovaný výzkum.

3 biologické aktivity vyjádřené druhy Pseudoalteromonas a Alteromonas

v posledních letech byly svědky generování značných nových informací o produkci biologicky aktivních metabolitů členy rodu Pseudoalteromonas a interakcích těchto bakterií s různými hostitelskými organismy. Zejména bylo prokázáno, že mnoho druhů Pseudoalteromonas produkuje antibakteriální produkty, které jim zřejmě pomáhají při kolonizaci povrchů, včetně povrchů jejich hostitelů. Produkce agaráz, toxinů, bakteriolytických látek a dalších enzymů mnoha druhy Pseudoalteromonas může pomoci bakteriálním buňkám v jejich soutěži o živiny a prostor, jakož i v jejich ochraně před dravci pasoucími se na površích. Bakteriální ekologie na pevných površích je složitá a mnoho dalších faktorů kromě produkce sekundárních metabolitů a dalších vylučovaných produktů ovlivňuje bakteriální reakce. Například Ivanova a kol. prokázal, že stupeň hydrofobicity substrátu ovlivňuje produkci antibakteriálních metabolitů. Bylo zjištěno, že nejvyšší antimikrobiální aktivita se vyskytuje na hydrofilních površích, a to navzdory skutečnosti, že připojené buňky Pseudoalteromonas byly hojnější na hydrofobních površích . Toto zjištění může naznačovat, že exprese antimikrobiální aktivity může být zapínána a vypínána v závislosti na fluktuacích a podnětech přítomných v bezprostředním prostředí buňky.

3.1 antibakteriální aktivita

druhy Pseudoalteromonas vykazují širokou škálu antibiotických účinků. Bylo prokázáno, že tři druhy, P. aurantia, P. luteoviolacea a P. rubra produkují antibakteriální sloučeniny s vysokou molekulovou hmotností . Antibakteriální aktivita projevená různými kmeny P. luteoviolacea je obzvláště zajímavá a bylo navrženo, aby byla způsobena dvěma třídami sloučenin. Za prvé, polyaniontové makromolekuly vázané na buňky, které jsou částečně difuzní v kultivačním médiu, byly považovány za kyselé polysacharidy. Pozdější studie McCarthy et al. prokázáno, že tyto vysokomolekulární sloučeniny jsou spojeny s proteiny . Druhá skupina antibiotik produkovaná P. luteoviolaceus obsahuje malé bromované sloučeniny, které jsou vázány na buňky a nejsou difuzní do média. Je známo, že tyto bromované sloučeniny mají silný baktericidní účinek . Při výrobě různých antibiotik byla prokázána heterogenita mezi různými kmeny P.luteoviolaceus. Bylo zjištěno, že různé kmeny syntetizují buď molekulu polysacharidu, nebo malé bromované metabolity, nebo obojí. Tyto změny v produkci antibakteriálních látek mohou naznačovat, že kmeny P. luteoviolaceus původně vybraly různé hostitelské organismy nebo stanoviště a postupem času se vyvinuly samostatně, aby produkovaly odlišné sloučeniny. Samoinhibice byla také pozorována u P. luteoviolaceus buňky a navrhuje se, aby byly zprostředkovány makromolekulární antibiotickou sloučeninou . Bylo také prokázáno, že tyto polyaniontové uhlohydráty jsou důležité pro připojení bakterií k pevným povrchům, což umožňuje bakteriím být vysoce konkurenceschopné v kolonizaci hostitelských organismů . Ačkoli auto-inhibice je pozorována u druhů Pseudoalteromonas, prokázali jsme, že se nejedná o široce se vyskytující jev u jiných mořských bakterií . Význam této aktivity v mořském ekosystému byl zpochybněn, vzhledem k tomu, že ředění sloučenin ve vodné fázi pravděpodobně udržuje koncentraci extracelulárních sloučenin nízkou v blízkosti buněk . Přesto je možné, že produkce autoinhibičních sloučenin v bakteriální populaci je důležitá pro udržení mikrobiální rozmanitosti v mikrohabitatu . Vzhledem k nedávným zjištěním, že extracelulární autoinduktorové sloučeniny jsou důležité v mnoha bakteriálních populacích, lze také předpokládat roli autoindukčních molekul.

antibiotická aktivita zprostředkovaná polyaniontovou molekulou antibiotika byla rovněž prokázána u druhu P. citrea. Bylo zjištěno, že tyto polyvalentní anionty, které také zprostředkovávají antibiotickou aktivitu P. rubra a P. luteoviolacea, inhibují bakteriální dýchání . Je zajímavé, že bylo prokázáno, že produkce takových sloučenin u několika druhů Pseudoalteromonas byla závislá na médiích. Buňky nevykazovaly žádnou antibakteriální aktivitu, pokud byly pěstovány na médiu obsahujícím krev, a exprese účinných látek byla velmi nízká, pokud byly pěstovány na živném agaru a tryptickém sójovém agarovém médiu obsahujícím sůl . Vzhledem k tomu, že pro vyjádření extracelulárních biologicky aktivních sloučenin mohou být potřebné specifické podmínky živin, navrhuje se, aby některé asociace hostitelů bakterií v mořském prostředí byly řízeny dostupnými zdroji potravy.

3.2 extracelulární enzymy a toxiny

Agar je polysacharid přítomný v buněčných stěnách některých červených řas. Zdá se, že bakteriální degradace agaru nastává dvěma mechanismy založenými na specificitě enzymů β-agarázy a α-agarázy. Štěpení polysacharidových řetězců způsobuje změkčení agaru, takže aktivita agarázy vyjádřená bakteriemi žijícími ve spojení s červenými řasami může bakteriím pomoci snadno získat živiny z řas, jako je tomu v případě bakteriální degradace listů zelených a hnědých řas . Věra et al. identifikoval agarolytický izolát, P. Antarktida kmen N-1, a charakterizoval jeho extracelulární produkovanou agarázu jako endo β-agarázu I . Další kmeny rozkládající agarázu v rodu Pseudoalteromonas jsou P. agarolyticus, P.sp. kmen C-1, P. carrageenovora, P. atlantica A P. citrea. Bylo zjištěno, že většina hlášených agarolytických kmenů Pseudoalteromonas produkuje extracelulární β-agarázy, zatímco kmen P. agarolyticus produkuje jak α -, tak β-agarázu.

Mezi další bakterie exprimující biologickou aktivitu proti mořským rostlinám patří P. kmeny bakteriolytica, které byly izolovány z hnědé řasy Laminaria japonica a jsou považovány za původce choroby červených skvrn v L. japonica. Bylo také zjištěno, že tyto bakteriální izoláty mají bakteriolytickou aktivitu proti grampozitivním i gramnegativním bakteriím . Vzhledem k výhodám, které bakteriolytická aktivita poskytuje kmenům producentů uvolňováním výživných sloučenin, je to pravděpodobně významný rys pro bakterie žijící v oligotrofním prostředí. Bakteriolytická aktivita může také prospět kmeni producenta v soutěži o prostor v mořském prostředí.

byly navrženy konkurenční výhody pro bakteriální kmeny Pseudoalteromonas a Alteromonas v nutritrient aquisition a kolonizaci pro jejich algicidní účinky proti fytoplanktonu . V tomto případě může být ekologickým významem algicidní aktivity také kontrola posloupnosti fytoplanktonu v mořském prostředí, jak bylo prokázáno u Pseudoalteromonas sp. kmen Y proti květům škodlivých mikro řas . Bylo prokázáno, že tato bakterie způsobuje rychlou buněčnou lýzu a smrt druhů v rodech Chatonella, Gymnodinium a Heterosigma. Bakterie Pseudoalteromonas sp. A28 bylo také prokázáno, že lyse mořských řas . Aktivními složkami byly proteázy a bylo navrženo, že exprese proteázy je regulována regulačním systémem acylovaného homoserinového laktonu .

bylo také prokázáno, že několik dalších druhů Pseudoalteromonas produkuje extracelulární toxiny (viz tabulka 1). Mezi ně patří P. tetraodonis, který produkuje neurotoxin, tetradotoxin, původce otravy pufferfish, a P. piscicidia, která uvolňuje toxin, který má způsobit úhyn ryb . Dále bylo prokázáno, že buňky Pseudoalteromonas tunicata jsou toxické proti larvám bezobratlých a sporům řas a P. denitrificans produkuje autotoxické látky, které zabíjejí bakteriální buňky a inhibují další růst v husté kultuře . Produkce toxických sloučenin může umožnit bakteriím řídit rozsáhlé procesy, na rozdíl od omezenější modifikace jejich mikrohabitatů způsobených specifickými netoxickými extracelulárními činidly.

3.3 extracelulární polysacharidy

rozsah biologických aktivit diskutovaných výše naznačuje, že exprese bakteriálních extracelulárních sloučenin umožňuje producentovi úspěšně konkurovat jiným organismům. Bakterie však mohou také produkovat sloučeniny, které pomáhají při přežití jiných mořských organismů. Bylo například prokázáno, že produkce exopolysacharidů (EPS) zvyšuje šance na přežití jiných organismů na specifických mořských stanovištích. Navzdory této skutečnosti byly účinky EPS podrobně zkoumány pouze v několika případech.

EPS produkující bakteriální kmeny jsou běžné v rodech Pseudoalteromonas a Alteromonas. Zajímavé je, že Alteromonas sp. kmen HYD-1545, izolovaný z trubkových červů, produkuje EPS obsahující kyselé cukry, u nichž bylo prokázáno, že mají vazebné vlastnosti těžkých kovů. Předpokládá se, že bakterie je důležitá pro přežití hostitelského organismu, který žije v prostředí, kde je vysoká expozice chemickým látkám (např.

další příznivé účinky produkce EPS bakteriemi na organismy byly prokázány pro osídlení larev Bezobratlých . Například Pseudoalteromonas sp. kmen S9 produkuje EPS jak v kapalné kultuře, tak na površích během stacionární fáze růstu . Divoký typ a mutant generovaný transpozonem s deficitem uvolňování EPS byly testovány proti usazování larvů tunikátu a bylo prokázáno, že divoký typ vedl k vyššímu stupni larválního osídlení a následné metamorfóze a vývoji ve srovnání s mutantním kmenem.

role produkce EPS Pseudoalteromonas sp. kmen S9 v procesu připojení bakteriálních buněk byl podrobně studován . Wrangstadh a kol. prokázalo, že zvýšení produkce EPS během hladových podmínek korelovalo se snížením hydrofobicity buněčného povrchu a adheze buněk k neživým povrchům. Zvýšení množství EPS na povrchu bakteriálních buněk dále korelovalo se zvýšením oddělení buněk . Tyto reakce byly vyvolány hladem a byly předpokládány, aby pomohly buňkám uniknout prostředí vyčerpanému živinami. Po oddělení mohou volně žijící bakteriální buňky „hledat“ jiné povrchy, které by kolonizovaly, což by mohlo poskytnout vhodnější podmínky pro jejich proliferaci.

zdá se, že bakteriální EPSs mohou sloužit jako antibakteriální složky, kontrolovat bakteriální vazbu a prospívat přežití hostitele i dalších organismů, které žijí v blízkosti producentského kmene . Navíc EPSs může působit jako ochranné bariéry proti antibiotikům, proti predaci prvoky, fungovat jako zesilovače pro příjem živin a snížit difúzi některých látek do a z buněk . Mnoho druhů Pseudoalteromonas využívá produkci EPS a je pravděpodobné, že tato charakteristika poskytuje buňkám řadu strategií přežití.

3.4 biologické aktivity vyjádřené P. tunicata

dobře studovanou bakterií rodu Pseudoalteromonas je P. tunicata (dříve označovaná jako D2). Tento kmen byl izolován v pobřežních vodách Švédska z povrchu dospělého tunikátu shromážděného v hloubce 10 m. Následné studie prokázaly, že kmeny podobné P. tunicata existují na zelené řase Ulva lactuca v australských vodách . P. tunicata je tmavě zelená pigmentovaná bakterie a bylo zjištěno, že produkuje nejméně pět extracelulárních sloučenin, které inhibují jiné organismy, aby se etablovaly v biofoulingové komunitě (obr. 2). Sloučeniny inhibují usazování larev bezobratlých a spór řas, růst bakterií a hub a povrchovou kolonizaci rozsivkami . Anti-larvální složka je tepelně stabilní polární molekula menší než 500 Da . Antibakteriální molekula je nový velký protein (190 kDa), který se skládá z nejméně dvou podjednotek (velikost 80 a 60 kDa). Protein inhibuje růst většiny gramnegativních a grampozitivních bakterií izolovaných z mořského i suchozemského prostředí . Buňky P. tunicata také exprimují auto-inhibici a buňky v exponenciální fázi růstu jsou citlivé na tento protein. Nicméně, jak buňky dosáhnou stacionární fáze, což je fyziologický stav, ve kterém je protein produkován, stávají se rezistentními. Ekologická role tohoto antibakteriálního proteinu v kolonizaci povrchů P. tunicata je v současné době studována pomocí kmenů mutovaných v genech podjednotky. Složka proti sporům je peptid o velikosti přibližně 3 kDa . Nedávné studie naznačují, že antifungální molekula může být derivátem mastných kyselin s dlouhým řetězcem vázaným na buňky (nepublikovaná data). Sloučenina proti rozsivkám dosud nebyla charakterizována.

jedinečné vlastnosti P. tunicata se týkají rozmanitosti produkovaných anti-znečišťujících a inhibičních sloučenin a skutečnosti, že bylo prokázáno, že každý metabolit cílí na specifické skupiny organismů (obr. 2). Tento jev nebyl hlášen u žádné jiné bakterie a může naznačovat, že bakterie vykazující takové rysy nejsou v mořském prostředí běžné, ačkoli P. kmeny tunicata byly izolovány z povrchů vyšších organismů jak ve vodách švédského západního pobřeží, tak v okolí Sydney. Nedostatek zpráv o těchto bakteriích a charakteristikách však může odrážet, že laboratoře obecně nemají přístup k širokým biologickým testům.

4 biologická kontrola a komerční použití druhů Pseudoalteromonas

Biocontrol je založen na antagonistických interakcích mezi mikroorganismy a mezi bakteriemi a vyššími organismy. Způsob účinku může být netoxický a specifický, jak je znázorněno biofilmovými bakteriemi, které odpuzují znečišťující makroorganismy. Častěji je však mikrobiální biokontrol založen na toxicitě, jak je tomu obecně v případě kontroly mikroorganismů způsobujících mikrobiální onemocnění. Vzhledem k tomu, že druhy Pseudoalteromonas vykazují širokou škálu biologických aktivit, bylo navrženo, aby tento rod zahrnoval cenné kmeny biocontrol pro použití v akvakultuře, proti znečištění technologiemi a kontrolou toxických květů řas. Tyto návrhy byly skutečně prozkoumány v některých výzkumných programech. Autoři tohoto minireview vyvinuli metodu imobilizace buněk p. tunicata na polyakrylamidové gely a polyvinylalkoholové gely . Metoda byla použita k udržení buněk zachycených a živých v povrchové vrstvě gelové matrice, která umožňovala odtok anti-znečišťujících složek. Životaschopné imobilizované buňky byly prokázány po více než 2 měsících v mořských vodách v laboratoři . Takový koncept „živé barvy“ může nabídnout novou ekologickou alternativu k současným toxickým mořským antifoulantům.

metody používané pro snížení počtu patogenních mikroorganismů při kultivaci ryb, škeble, ústřice a dalších organismů zahrnují filtraci vody, ozonizaci, expozici ultrafialovému světlu a použití umělých potravin obsahujících antibiotika. Žádná z těchto metod se však neprokázala jako účinná při kontrole mikrobiálních onemocnění a je zřejmé, že je třeba zavést alternativní metody. Maeda a kol. zkoumal použití antimikrobiálního kmene Pseudoalteromonas undina produkujícího jako biokontrolního činidla a prokázal, že tento organismus úspěšně potlačuje růst škodlivých bakterií a virů a zlepšuje růst chovaných ryb a korýšů. Dále, schopnost mnoha druhů Pseudoalteromonas degradovat polymery a připojit se k povrchům byla použita při degradaci lyofilizovaných listů Ulvy pro líheňovou stravu larev Artemia nauplii . Bylo prokázáno, že přidání Pseudoalteromonas espejiana k listům zvýšilo jejich přeměnu na formy podobné mikrořasám. Tyto částice také obsahovaly dvojnásobné množství bílkovin v důsledku bakteriálního biofilmu ve srovnání s částicemi, které byly ošetřeny za sterilních podmínek . Tato technologie může být použitelná v jiných procesech pro výrobu potravin pro zvířata.

5 kontrola znečištění druhy Pseudoalteromonas v mořském prostředí

v reakci na různé metabolity nebo jiné podněty prostředí mohou bakteriální buňky produkovat chemické sloučeniny, které prospívají kmeni producentů a / nebo hostitelskému organismu při jejich usazení na vhodných mořských stanovištích. Příklady zahrnují případy, kdy hostitelské organismy mohou používat bakteriálně produkované sloučeniny pro svou vlastní chemickou obranu proti znečišťujícím organismům, jako u zelených řas Ulva lactuca a Enteromorpha intestinalis a tunicate Ciona intestinalis. Je známo, že tyto organismy neprodukují žádné sekundární metabolity pro jejich ochranu proti znečištění, ale bylo hlášeno, že nesou druhy Pseudoalteromonas produkující proti znečištění . Předpokládáme, že jejich úspěch při setrvání v terénu je způsoben přidruženými bakteriemi proti znečištění.

poděkování

výzkum v autorově laboratoři byl financován australskou výzkumnou Radou, Post-doktorským výzkumným stipendiem vicekancléře na University of New South Wales v C. H. a Centrem pro mořské Biofouling a Bioinovaci v UNSW. Rádi bychom poděkovali Sally James, Suhelen Egan, Ashley Franks, Torsten Thomas a Harriet Baillie za pomoc a cenné diskuse.