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. La producción de una gama de compuestos que son activos contra una variedad de organismos diana parece ser una característica única de este género y puede beneficiar en gran medida a las células de Pseudoalteromonas en su competencia por los nutrientes y la colonización de las superficies. Las especies de Pseudoalteromonas se encuentran generalmente en asociación con eucariotas marinos y muestran actividades antibacterianas, bacteriolíticas, agarolíticas y algicidas. Además, varios aislados de pseudoalteromonas evitan específicamente el asentamiento de organismos incrustantes comunes. Si bien se produce una amplia gama de agentes extracelulares inhibidores, también se han encontrado compuestos que promueven la supervivencia de otros organismos marinos que viven en las proximidades de especies de Pseudoalteromonas.

1 Introducción

Las bacterias aisladas fácilmente de aguas marinas son bacterias heterotróficas gramnegativas, flageladas y se pueden dividir en dos subgrupos dependiendo de su capacidad para fermentar carbohidratos. Dentro del grupo no fermentativo, el género designado Alteromonas se revisó con base en comparaciones filogenéticas realizadas por Gauthier et al. en 1995. Su revisión sugirió que el género Alteromonas debería dividirse en dos géneros, Alteromonas (que ahora incluye una sola especie) y un nuevo género, Pseudoalteromonas (Fig. 1 muestra un árbol filogenético de las diferentes especies actualmente asignadas al género Pseudoalteromonas). Este género de nueva creación ha atraído un interés significativo por dos razones. En primer lugar, las especies de Pseudoalteromonas se encuentran frecuentemente en asociación con huéspedes eucariotas en el medio marino y los estudios de tales asociaciones aclararán los mecanismos importantes en las interacciones entre microbios y huéspedes. En segundo lugar, muchas de las especies producen metabolitos biológicamente activos que se dirigen a una variedad de organismos. Las diferentes actividades biológicas extracelulares mostradas por las especies de Pseudoalteromonas se enumeran en la Tabla 1. Los objetivos de esta revisión son resumir parte de la información emergente relacionada con el género Pseudoalteromonas y resaltar la relevancia ecológica y la variedad de compuestos biológicamente activos que expresan muchas de sus especies miembros.

2 Aislamiento de especies de Pseudoalteromonas

En la clasificación de bacterias, no es aplicable la distinción clara que existe entre animales y plantas marinos y no marinos . Actualmente, los representantes de la mayoría de los géneros bacterianos cultivables pueden ser aislados tanto de ambientes terrestres como marinos. Sin embargo, ahora se ha establecido que el género Pseudoalteromonas contiene especies que se derivan exclusivamente de aguas marinas y que sus miembros han sido aislados de lugares marinos de todo el mundo . Curiosamente, la mayoría de las especies de Pseudoalteromonas parecen estar asociadas con huéspedes eucariotas. Se han aislado especies de diversos animales , como mejillones , peces globo , tunicados y esponjas, así como de una variedad de plantas marinas . Su existencia en una variedad de hábitats y su difusión en todo el mundo sugieren que las estrategias de adaptación y supervivencia expresadas por las especies de Pseudoalteromonas son diversas, eficientes y de gran interés para la investigación básica y aplicada.

3 Las actividades biológicas expresadas por especies de Pseudoalteromonas y Alteromonas

En los últimos años se ha observado la generación de considerable información novedosa sobre la producción de metabolitos biológicamente activos por miembros del género Pseudoalteromonas y las interacciones de estas bacterias con diferentes organismos huéspedes. En particular, se ha demostrado que muchas especies de Pseudoalteromonas producen productos antibacterianos que parecen ayudarles en la colonización de superficies, incluidas las de sus huéspedes. La producción de agarasas, toxinas, sustancias bacteriolíticas y otras enzimas por muchas especies de Pseudoalteromonas puede ayudar a las células bacterianas en su competencia por los nutrientes y el espacio, así como en su protección contra los depredadores que pastan en las superficies. La ecología bacteriana en superficies sólidas es compleja y muchos factores adicionales, además de la producción de metabolitos secundarios y otros productos secretados, afectan las respuestas bacterianas. Por ejemplo, Ivanova et al. se ha demostrado que el grado de hidrofobicidad del sustrato influye en la producción de metabolitos antibacterianos. La actividad antimicrobiana más alta se encontró en superficies hidrofílicas a pesar del hecho de que las células de Pseudoalteromonas adheridas eran más abundantes en superficies hidrofóbicas . Este hallazgo puede sugerir que la expresión de la actividad antimicrobiana puede activarse y desactivarse dependiendo de las fluctuaciones y los estímulos presentes en el entorno inmediato de la célula.

3.1 Actividad antibacteriana

Las especies de pseudoalteromonas muestran una amplia gama de efectos antibióticos. Se ha demostrado que tres especies, P. aurantia, P. luteoviolacea y P. rubra, producen compuestos antibacterianos de alta masa molecular . La actividad antibacteriana mostrada por las diferentes cepas de P. la luteoviolacea es particularmente interesante y se ha sugerido que se debe a dos clases de compuestos. En primer lugar, se pensaba que las macromoléculas polianiónicas unidas a células, que son parcialmente difusibles en medios de cultivo, eran polisacáridos ácidos. Un estudio posterior de McCarthy et al. demostrado que estos compuestos de alto peso molecular están asociados con proteínas . El segundo grupo de antibióticos producidos por P. luteoviolaceus contiene pequeños compuestos bromados que se unen a las células y no se pueden difundir en los medios. Se sabe que estos compuestos bromados tienen un fuerte efecto bactericida . En la producción de los diferentes antibióticos, se ha demostrado la heterogeneidad entre las diferentes cepas de P. luteoviolaceus. Se ha encontrado que diferentes cepas sintetizan la molécula de polisacárido o los pequeños metabolitos bromados, o ambos. Estas variaciones en la producción de agentes antibacterianos pueden sugerir que las cepas de P. luteoviolaceus seleccionaron originalmente diferentes organismos huéspedes o hábitats y con el tiempo evolucionaron por separado para producir compuestos divergentes. También se ha observado autoinhibición en P. células de luteoviolaceus y se sugiere que está mediada por el compuesto antibiótico macromolecular . También se ha demostrado que estos carbohidratos polianiónicos son importantes en la fijación de bacterias a superficies sólidas , lo que permite que las bacterias sean altamente competitivas en la colonización de organismos huéspedes . Aunque se observa autoinhibición para especies de Pseudoalteromonas, se demostró que no es un fenómeno ampliamente presente en otras bacterias marinas . Se ha cuestionado la importancia de esta actividad en el ecosistema marino, dado que la dilución de compuestos en la fase acuosa probablemente mantiene baja la concentración de compuestos extracelulares en las proximidades de las células . Sin embargo, es posible que la producción de compuestos autoinhibitorios en una población bacteriana sea importante para mantener la diversidad microbiana dentro de un microhábitat . Dados los hallazgos recientes de que los compuestos autoinductores extracelulares son importantes en muchas poblaciones bacterianas , también se puede prever un papel para las moléculas autoinhibidoras.

La actividad antibiótica mediada por una molécula antibiótica polianiónica también se ha demostrado para la especie P. citrea. Se ha encontrado que estos aniones polivalentes, que también median la actividad antibiótica de P. rubra y P. luteoviolacea, inhiben la respiración bacteriana . Curiosamente, se demostró que la producción de tales compuestos en varias especies de Pseudoalteromonas dependía de los medios de comunicación. Las células no expresaron ninguna actividad antibacteriana cuando se cultivaron en medios que contenían sangre y la expresión de los compuestos activos fue muy baja cuando se cultivaron en agar nutriente y en medios de agar triptico de soja que contenían sal . Dado que las condiciones nutricionales específicas pueden ser necesarias para que las bacterias expresen sus compuestos biológicamente activos extracelulares, se sugiere que algunas asociaciones de bacterias y huéspedes en los ambientes marinos están controladas por fuentes de alimentos disponibles.

3.2 Enzimas y toxinas extracelulares

El agar es un polisacárido presente en las paredes celulares de algunas algas rojas. Parece que la degradación bacteriana del agar ocurre por dos mecanismos basados en la especificidad de las enzimas β-agarasa y α-agarasa. La escisión de las cadenas de polisacáridos hace que el agar se ablande, de modo que la actividad de la agarasa expresada por las bacterias que viven en asociación con algas rojas puede ayudar a las bacterias a adquirir fácilmente nutrientes de las algas, como es el caso de la degradación bacteriana de las frondas de algas verdes y marrones . Vera et al. se identificó un aislado agarolítico, la cepa N-1 de P. antarctica, y se caracterizó su agarasa producida extracelular como una endo β-agarasa I . Otras cepas en descomposición de agarasas dentro del género Pseudoalteromonas son P. agarolyticus, P. sp. cepa C-1, P. carragenovora, P. atlantica y P. citrea. Se ha encontrado que la mayoría de las cepas de pseudoalteromonas agarolíticas reportadas producen β-agarasas extracelulares, mientras que la cepa P. agarolyticus produjo tanto una α-como una β-agarasa.

Otras bacterias que expresan actividad biológica contra plantas marinas incluyen P. cepas bacteriolíticas que se aislaron de la alga marrón Laminaria japonica y se cree que son el agente causal de la enfermedad de la mancha roja en L. japonica. También se ha encontrado que estos aislados bacterianos tienen actividad bacteriolítica contra bacterias Gram positivas y Gram negativas . Dadas las ventajas que la actividad bacteriolítica proporciona a las cepas productoras mediante la liberación de compuestos nutritivos, es muy probable que este sea un rasgo significativo para las bacterias que viven en entornos oligotróficos. La actividad bacteriolítica también puede beneficiar a la cepa productora en la competencia por el espacio en el medio marino.

Se han propuesto ventajas competitivas para cepas bacterianas de Pseudoalteromonas y Alteromonas en adquisición y colonización de nutritrientes por sus actividades algicidas contra el fitoplancton . En este caso, la relevancia ecológica de la actividad algicida también puede ser para controlar la sucesión de fitoplancton en el medio marino, como se demostró para Pseudoalteromonas sp. cepa Y contra las floraciones de microalgas nocivas . Se demostró que esta bacteria causa una rápida lisis celular y la muerte de especies de los géneros Chatonella, Gymnodinium y Heterosigma. Una bacteria Pseudoalteromonas sp. También se demostró que el A28 lisaba algas marinas . Los componentes activos eran proteasas y se sugirió que la expresión de proteasa está regulada por el sistema regulador de la homoserina lactona acilada .

También se ha demostrado que otras especies de Pseudoalteromonas producen toxinas extracelulares (véase la Tabla 1). Estos incluyen P. tetraodonis, que produce la neurotoxina, tetradotoxina, el agente causal de la intoxicación por peces globo , y P. piscicidia, que libera una toxina que se sugiere que causa la mortalidad de los peces . Además, se ha demostrado que las células de Pseudoalteromonas tunicata son tóxicas contra larvas de invertebrados y esporas de algas, y P. denitrificans produce sustancias autotóxicas que matan las células bacterianas e inhiben el crecimiento adicional en cultivos densos . La producción de compuestos tóxicos puede permitir que las bacterias controlen procesos a gran escala, en contraste con la modificación más restringida de sus microhábitats causada por agentes extracelulares no tóxicos específicos.

3.3 Polisacáridos extracelulares

El rango de actividades biológicas discutido anteriormente sugiere que la expresión de compuestos extracelulares bacterianos permite al productor competir con éxito con otros organismos. Sin embargo, las bacterias también pueden producir compuestos que ayudan a la supervivencia de otros organismos marinos. Por ejemplo, se ha demostrado que la producción de exopolisacáridos aumenta las posibilidades de que otros organismos sobrevivan en hábitats marinos específicos. A pesar de este hecho, los efectos del PI solo se han examinado en detalle en unos pocos casos.

Las cepas bacterianas productoras de EPS son comunes en los géneros Pseudoalteromonas y Alteromonas. Curiosamente, Alteromonas sp. la cepa HYD-1545, aislada de gusanos tubulares, produce un EPS que contiene azúcares ácidos que se demostró que tienen propiedades de unión a metales pesados. Se sugiere que la bacteria es importante para la supervivencia de su organismo huésped, que vive en un ambiente donde la exposición a productos químicos (por ejemplo, sulfuros metálicos) es alta .

Se han demostrado otros efectos beneficiosos de la producción de EPS por bacterias en los organismos para el asentamiento de larvas de invertebrados . Por ejemplo, Pseudoalteromonas sp. la cepa S9 produce un EPS tanto en cultivo líquido como en superficies durante la fase estacionaria de crecimiento . El mutante de tipo silvestre y un mutante generado por transposones deficiente en la liberación de EPS se probaron contra el asentamiento de larvas de tunicado y se demostró que el tipo silvestre resultó en un mayor grado de asentamiento larvario y metamorfosis y desarrollo posteriores en comparación con la cepa mutante.

El papel de la producción de EPS por Pseudoalteromonas sp. la cepa S9 en el proceso de unión de células bacterianas se estudió con cierto detalle . Wrangstadh et al. se demostró que un aumento en la producción de EPS durante condiciones de inanición se correlacionaba con una disminución tanto de la hidrofobicidad de la superficie celular como de la adhesión de las células a superficies inanimadas. El aumento en la cantidad de EPS en la superficie celular bacteriana se correlacionó con un aumento en el desprendimiento celular . Estas respuestas se desencadenaron por inanición y se postularon para ayudar a las células a escapar de los entornos agotados de nutrientes. Después del desprendimiento, las células bacterianas de vida libre pueden «buscar» otras superficies para colonizar que puedan proporcionar condiciones más adecuadas para su proliferación.

Parece que las EPSS bacterianas pueden servir como componentes antibacterianos , controlar la fijación bacteriana y beneficiar la supervivencia tanto del huésped como de otros organismos que viven en las proximidades de la cepa productora . Además, los EPSS pueden actuar como barreras protectoras contra los antibióticos, contra la depredación por protozoos, funcionan como potenciadores de la absorción de nutrientes y reducen la difusión de algunas sustancias hacia y desde las células . Muchas especies de Pseudoalteromonas emplean la producción de EPS y es probable que esta característica proporcione una gama de estrategias de supervivencia para las células.

3.4 Actividades biológicas expresadas por P. tunicata

Una bacteria bien estudiada dentro del género Pseudoalteromonas es P. tunicata (anteriormente designada D2). Esta cepa se aisló en aguas costeras de Suecia de la superficie de un tunicado adulto recogido a una profundidad de 10 m . Estudios posteriores demostraron que existen cepas similares a P. tunicata en el alga verde Ulva lactuca en aguas australianas . P. tunicata es una bacteria pigmentada de color verde oscuro y se ha encontrado que produce al menos cinco compuestos extracelulares que inhiben a otros organismos de establecerse en una comunidad de bioincrustantes (Fig. 2). Los compuestos inhiben el asentamiento de larvas de invertebrados y esporas de algas, el crecimiento de bacterias y hongos y la colonización de la superficie por diatomeas . El componente anti-larvario es una molécula polar termoestable de menos de 500 Da de tamaño . La molécula antibacteriana es una nueva proteína grande (190 kDa) que consta de al menos dos subunidades (80 y 60 kDa de tamaño). La proteína inhibe el crecimiento de la mayoría de las bacterias Gram-negativas y Gram-positivas aisladas de ambientes marinos y terrestres . Las células de P. tunicata también expresan auto inhibición y las células en la fase exponencial de crecimiento son sensibles a esta proteína. Sin embargo, a medida que las células alcanzan la fase estacionaria, que es el estado fisiológico en el que se produce la proteína, se vuelven resistentes. El papel ecológico de esta proteína antibacteriana en la colonización de superficies por P. tunicata se está estudiando actualmente utilizando cepas mutadas en los genes de las subunidades. El anti-esporas componente es un péptido de alrededor de 3 kDa de tamaño . Estudios recientes indican que la molécula antifúngica puede ser un derivado de ácido graso de cadena larga unido a células (datos no publicados). El compuesto anti-diatomeas aún no ha sido caracterizado.

Las características únicas de P. tunicata se relacionan con la diversidad de compuestos antiincrustantes e inhibidores que se producen y el hecho de que se ha demostrado que cada metabolito se dirige a grupos específicos de organismos (Fig. 2). Este fenómeno no se ha reportado para ninguna otra bacteria y puede sugerir que las bacterias que presentan tales características no son comunes en el medio marino, aunque P. se han aislado cepas de túnicas de superficies de organismos superiores en ambas aguas de la costa oeste sueca y alrededor de Sídney. Sin embargo, la escasez de informes sobre dichas bacterias y características puede reflejar que los laboratorios generalmente no tienen acceso a bioensayos de amplia gama.

4 El control biológico y el uso comercial de especies de Pseudoalteromonas

El biocontrol se basa en interacciones antagónicas entre microorganismos y entre bacterias y organismos superiores. El modo de acción puede ser no tóxico y específico, como lo muestran las bacterias del biofilm que repelen los macroorganismos incrustantes. Sin embargo, con mayor frecuencia, el biocontrol microbiano se basa en la toxicidad, como suele ser el caso para el control de organismos causantes de enfermedades microbianas. Dado que las especies de Pseudoalteromonas expresan una amplia gama de actividades biológicas, se ha propuesto que este género incluya valiosas cepas de biocontrol para su uso en acuicultura, tecnologías antiincrustantes y control de floraciones de algas tóxicas. De hecho, estas propuestas han sido exploradas en algunos programas de investigación. Los autores de esta mini revisión desarrollaron un método para inmovilizar las células de P. tunicata en geles de poliacrilamida y geles de polivinilalcohol . El método se empleó para mantener las células atrapadas y vivas en un revestimiento de superficie de matriz de gel que permitía una salida de componentes antiincrustantes. Se demostraron células inmovilizadas viables después de más de 2 meses en aguas marinas en el laboratorio . Este concepto de «pintura viva» puede ofrecer una novedosa alternativa respetuosa con el medio ambiente a los anti-contaminantes marinos tóxicos actuales.

Los métodos empleados para reducir el número de microorganismos patógenos en el cultivo de peces, abulones, ostras y otros organismos incluyen la filtración del agua, la ozonización, la exposición a la luz ultravioleta y el uso de alimentos artificiales que contengan antibióticos. Sin embargo, ninguno de estos métodos ha demostrado ser eficaz en el control de enfermedades microbianas y existe una necesidad obvia de introducir métodos alternativos. Maeda et al. se investigó el uso de una cepa de Pseudoalteromonas undina productora de antimicrobianos como agente de control biológico y se demostró que este organismo reprime con éxito el crecimiento de bacterias y virus nocivos y mejora el crecimiento de peces y crustáceos de piscifactoría. Además, la capacidad de muchas especies de Pseudoalteromonas para degradar polímeros y adherirse a superficies se aplicó en la degradación de frondas Ulva liofilizadas para una dieta de incubación de larvas de nauplios de Artemia . Se demostró que la adición de Pseudoalteromonas espejiana a las frondas mejoró su conversión en formas similares a microalgas. Estas partículas también contenían el doble de proteína, como resultado de la biopelícula bacteriana, en comparación con las partículas que se trataron en condiciones estériles . Esta tecnología puede ser aplicable en otros procesos para la generación de alimentos para animales.

5 Control de las incrustaciones por la especie Pseudoalteromonas en el medio marino

En respuesta a diversos metabolitos u otros estímulos ambientales, las células bacterianas pueden producir compuestos químicos que benefician a la cepa productora y/o al organismo huésped en su establecimiento en hábitats marinos adecuados. Por ejemplo, los organismos huéspedes pueden emplear compuestos producidos por bacterias para su propia defensa química contra organismos incrustantes, como las algas verdes Ulva lactuca y Enteromorpha intestinalis y el tunicado Ciona intestinalis. Se sabe que estos organismos no producen metabolitos secundarios para su protección contra las incrustaciones, pero se ha informado de que portan especies de pseudoalteromonas productoras de antiincrustantes . Planteamos la hipótesis de que su éxito en permanecer sin incrustar en el campo se debe a las bacterias antiincrustantes asociadas.

Reconocimientos

La investigación en el laboratorio del autor fue financiada por el Australian Research Council, una beca de investigación postdoctoral de Vicerrector en la Universidad de Nueva Gales del Sur a C. H. y por el Centro de Bioinnovación y Bioinnovación Marina de la UNSW. Nos gustaría dar las gracias a Sally James, Suhelen Egan, Ashley Franks, Torsten Thomas y Harriet Baillie por su ayuda y valiosos debates.