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 production d’une gamme de composés actifs contre divers organismes cibles semble être une caractéristique unique pour ce genre et peut grandement bénéficier aux cellules de Pseudoalteromonas dans leur compétition pour les nutriments et la colonisation des surfaces. Les espèces de Pseudoalteromonas sont généralement associées à des eucaryotes marins et présentent des activités antibactériennes, bactériolytiques, agarolytiques et algicides. De plus, plusieurs isolats de Pseudoalteromonas empêchent spécifiquement le tassement des organismes encrasseurs communs. Bien qu’une large gamme d’agents extracellulaires inhibiteurs soient produits, des composés favorisant la survie d’autres organismes marins vivant à proximité des espèces de Pseudoalteromonas ont également été trouvés.

1 Introduction

Les bactéries facilement isolées des eaux marines sont des bactéries flagellées à Gram négatif hétérotrophes et peuvent être divisées en deux sous-groupes en fonction de leur capacité à fermenter les glucides. Au sein du groupe non fermentatif, le genre désigné Alteromonas a été révisé sur la base de comparaisons phylogénétiques effectuées par Gauthier et al. en 1995. Leur révision a suggéré que le genre Alteromonas devrait être divisé en deux genres, Alteromonas (qui ne comprend désormais qu’une seule espèce) et un nouveau genre, Pseudoalteromonas (Fig. 1 montre un arbre phylogénétique des différentes espèces actuellement affectées au genre Pseudoalteromonas). Ce genre nouvellement créé a suscité un intérêt important pour deux raisons. Premièrement, les espèces de Pseudoalteromonas sont fréquemment associées à des hôtes eucaryotes dans le milieu marin et des études de ces associations permettront d’élucider les mécanismes importants dans les interactions microbe-hôte. Deuxièmement, de nombreuses espèces produisent des métabolites biologiquement actifs qui ciblent une gamme d’organismes. Les différentes activités biologiques extracellulaires montrées par les espèces de Pseudoalteromonas sont listées dans le tableau 1. Les objectifs de cette revue sont de résumer certaines des informations émergentes relatives au genre Pseudoalteromonas et de mettre en évidence la pertinence écologique et la gamme de composés biologiquement actifs exprimés par bon nombre de ses espèces membres.

2 Isolement des espèces de Pseudoalteromonas

Dans la classification des bactéries, la distinction claire qui existe entre les animaux et les plantes marins et non marins n’est pas applicable. Actuellement, les représentants de la plupart des genres bactériens cultivables peuvent être isolés à la fois des environnements terrestres et marins. Pourtant, il est maintenant établi que le genre Pseudoalteromonas contient des espèces qui dérivent exclusivement des eaux marines et que des membres ont été isolés de sites marins à travers le monde. Fait intéressant, la majorité des espèces de Pseudoalteromonas semblent être associées à des hôtes eucaryotes. Des espèces ont été isolées de divers animaux, tels que des moules, des poissons-globes, des tuniciers et des éponges, ainsi que de diverses plantes marines. Leur existence dans une variété d’habitats et leur propagation à l’échelle mondiale suggèrent que les stratégies d’adaptation et de survie exprimées par les espèces de Pseudoalteromonas sont diverses, efficaces et d’un grand intérêt pour la recherche fondamentale et appliquée.

3 Activités biologiques exprimées par les espèces de Pseudoalteromonas et d’Alteromonas

Ces dernières années ont été témoins de la génération de nouvelles informations considérables sur la production de métabolites biologiquement actifs par les membres du genre Pseudoalteromonas et les interactions de ces bactéries avec différents organismes hôtes. En particulier, il a été démontré que de nombreuses espèces de Pseudoalteromonas produisent des produits antibactériens qui semblent les aider à coloniser les surfaces, y compris celles de leurs hôtes. La production d’agarases, de toxines, de substances bactériolytiques et d’autres enzymes par de nombreuses espèces de Pseudoalteromonas peut aider les cellules bactériennes dans leur compétition pour les nutriments et l’espace ainsi que dans leur protection contre les prédateurs broutant en surface. L’écologie bactérienne des surfaces solides est complexe et de nombreux facteurs supplémentaires, outre la production de métabolites secondaires et d’autres produits sécrétés, affectent les réponses bactériennes. Par exemple, Ivanova et al. démontré que le degré d’hydrophobicité du substrat influence la production de métabolites antibactériens. On a constaté que l’activité antimicrobienne la plus élevée se produisait sur les surfaces hydrophiles malgré le fait que les cellules de Pseudoalteromonas attachées étaient plus abondantes sur les surfaces hydrophobes. Cette découverte peut suggérer que l’expression de l’activité antimicrobienne peut être activée et désactivée en fonction des fluctuations et des stimuli présents dans l’environnement immédiat de la cellule.

3.1 Activité antibactérienne

Les espèces de Pseudoalteromonas présentent un large éventail d’effets antibiotiques. Il a été démontré que trois espèces, P. aurantia, P. luteoviolacea et P. rubra, produisent des composés antibactériens de masse moléculaire élevée. L’activité antibactérienne affichée par les différentes souches de P. la lutéoviolacée est particulièrement intéressante et a été suggérée comme étant due à deux classes de composés. Tout d’abord, les macromolécules polyanioniques liées aux cellules, qui sont en partie diffusables dans les milieux de culture, étaient considérées comme des polysaccharides acides. Une étude ultérieure de McCarthy et coll. démontré que ces composés de haut poids moléculaire sont associés à des protéines. Le deuxième groupe d’antibiotiques produit par P. luteoviolaceus contient de petits composés bromés qui sont liés aux cellules et non diffusables dans les milieux. Ces composés bromés sont connus pour avoir un fort effet bactéricide. Dans la production des différents antibiotiques, une hétérogénéité entre différentes souches de P. luteoviolaceus a été démontrée. Différentes souches ont été trouvées pour synthétiser soit la molécule de polysaccharide, soit les petits métabolites bromés, ou les deux. Ces variations dans la production d’agents antibactériens peuvent suggérer que les souches de P. luteoviolaceus sélectionnaient à l’origine différents organismes hôtes ou habitats et qu’avec le temps, elles évoluaient séparément pour produire des composés divergents. Une auto-inhibition a également été observée chez P. cellules lutéoviolacées et est suggéré d’être médié par le composé antibiotique macromoléculaire. Il a également été démontré que ces hydrates de carbone polyanioniques jouent un rôle important dans la fixation des bactéries sur des surfaces solides, ce qui permet aux bactéries d’être très compétitives dans la colonisation des organismes hôtes. Bien qu’une auto-inhibition soit observée chez les espèces de Pseudoalteromonas, nous avons démontré qu’il ne s’agit pas d’un phénomène répandu chez d’autres bactéries marines. L’importance de cette activité dans l’écosystème marin a été remise en question, étant donné que la dilution des composés dans la phase aqueuse maintient probablement la concentration de composés extracellulaires faible au voisinage des cellules. Pourtant, il est possible que la production de composés auto-inhibiteurs dans une population bactérienne soit importante pour maintenir la diversité microbienne au sein d’un microhabitat. Compte tenu des découvertes récentes selon lesquelles les composés auto-inducteurs extracellulaires sont importants dans de nombreuses populations bactériennes, un rôle pour les molécules auto-inhibitrices peut également être envisagé.

Une activité antibiotique médiée par une molécule antibiotique polyanionique a également été démontrée pour l’espèce P. citrea. Ces anions polyvalents, qui interviennent également dans l’activité antibiotique de P. rubra et de P. luteoviolacea, inhibent la respiration bactérienne. Fait intéressant, il a été démontré que la production de tels composés chez plusieurs espèces de Pseudoalteromonas dépendait du milieu. Les cellules n’exprimaient aucune activité antibactérienne lorsqu’elles étaient cultivées sur des milieux contenant du sang et l’expression des composés actifs était très faible lorsqu’elles étaient cultivées sur une gélose nutritive et une gélose tryptique de soja contenant du sel. Étant donné que des conditions nutritives spécifiques peuvent être nécessaires pour que les bactéries expriment leurs composés biologiquement actifs extracellulaires, il est suggéré que certaines associations bactéries-hôtes dans les environnements marins soient contrôlées par les sources de nourriture disponibles.

3.2 Enzymes et toxines extracellulaires

La gélose est un polysaccharide présent dans les parois cellulaires de certaines algues rouges. Il apparaît que la dégradation bactérienne de l’agar se produit par deux mécanismes basés sur la spécificité des enzymes β-agarase et α-agarase. Le clivage des chaînes de polysaccharides provoque un ramollissement de la gélose, de sorte que l’activité de l’agarase exprimée par les bactéries vivant en association avec les algues rouges peut aider les bactéries à acquérir facilement les nutriments des algues, comme c’est le cas pour la dégradation bactérienne des frondes des algues vertes et brunes. Vera et coll. a identifié un isolat d’agarolyte, la souche N-1 de P. antarctica, et a caractérisé son agarase produite extracellulaire comme étant une endo β-agarase I. D’autres souches de décomposition de l’agarase du genre Pseudoalteromonas sont P. agarolyticus, P. sp. souche C-1, P. carraghénane, P. atlantica et P. citrea. La plupart des souches de Pseudoalteromonas agarolytiques rapportées produisent des β-agarases extracellulaires, tandis que la souche de P. agarolyticus produit à la fois une α- et une β-agarase.

D’autres bactéries exprimant une activité biologique contre les plantes marines comprennent P. des souches de bacteriolytica qui ont été isolées de l’algue brune Laminaria japonica et qui seraient l’agent responsable de la maladie des taches rouges chez L. japonica. Ces isolats bactériens ont également une activité bactériolytique contre les bactéries Gram-positives et Gram-négatives. Compte tenu des avantages que l’activité bactériolytique procure aux souches productrices par la libération de composés nutritifs, il s’agit probablement d’un trait significatif pour les bactéries vivant dans des environnements oligotrophes. L’activité bactériolytique peut également bénéficier à la souche productrice dans la compétition pour l’espace dans le milieu marin.

Des avantages compétitifs pour les souches bactériennes Pseudoalteromonas et Alteromonas dans l’acquisition et la colonisation nutritionnelle ont été proposés pour leurs activités algicides contre le phytoplancton. Dans ce cas, la pertinence écologique de l’activité algicide peut également être de contrôler la succession du phytoplancton dans le milieu marin comme cela a été démontré pour Pseudoalteromonas sp. souche Y contre les fleurs de micro-algues nocives. Il a été démontré que cette bactérie provoque une lyse cellulaire rapide et la mort d’espèces des genres Chatonella, Gymnodinium et Heterosigma. Une bactérie Pseudoalteromonas sp. A28 a également été démontré pour lyser les algues marines. Les composants actifs étaient des protéases et il a été suggéré que l’expression de la protéase est régulée par le système de régulation de l’homosérine lactone acylée.

Plusieurs autres espèces de Pseudoalteromonas produisent également des toxines extracellulaires (voir tableau 1). Ceux-ci incluent P. tetraodonis, qui produit la neurotoxine, la tétradotoxine, l’agent causal de l’empoisonnement du poisson-globe, et P. piscicidia, qui libère une toxine suggérée pour provoquer la mortalité des poissons. De plus, il a été démontré que les cellules de Pseudoalteromonas tunicata sont toxiques pour les larves d’invertébrés et les spores d’algues et que P. denitrificans produit des substances autotoxiques qui tuent les cellules bactériennes et inhibent la croissance en culture dense. La production de composés toxiques peut permettre aux bactéries de contrôler des processus à grande échelle, contrairement à la modification plus restreinte de leurs microhabitats causée par des agents extracellulaires non toxiques spécifiques.

3.3polysaccharides extracellulaires

La gamme d’activités biologiques discutées ci-dessus suggère que l’expression de composés extracellulaires bactériens permet au producteur de rivaliser avec succès avec d’autres organismes. Cependant, les bactéries peuvent également produire des composés qui aident à la survie d’autres organismes marins. Par exemple, il a été démontré que la production d’exopolysaccharides (EPS) augmente les chances pour d’autres organismes de survivre dans des habitats marins spécifiques. Malgré cela, les effets de l’EPS n’ont été examinés en détail que dans quelques cas.

Les souches bactériennes productrices d’EPS sont communes dans les genres Pseudoalteromonas et Alteromonas. Fait intéressant, Alteromonas sp. la souche HYD-1545, isolée à partir de vers tubulaires, produit un EPS contenant des sucres acides dont il a été démontré qu’ils avaient des propriétés de liaison aux métaux lourds. On suggère que la bactérie est importante pour la survie de son organisme hôte qui vit dans un environnement où l’exposition aux produits chimiques (par exemple, les sulfures métalliques) est élevée.

D’autres effets bénéfiques de la production de PSE par les bactéries sur les organismes ont été démontrés pour le tassement des larves d’invertébrés. Par exemple, Pseudoalteromonas sp. la souche S9 produit un EPS à la fois en culture liquide et sur les surfaces pendant la phase stationnaire de croissance. Le mutant de type sauvage et un mutant généré par transposon déficient dans la libération d’EPS ont été testés contre le tassement des larves de tunicier et il a été démontré que le type sauvage entraînait un degré plus élevé de tassement larvaire et de métamorphose et de développement subséquents par rapport à la souche mutante.

Le rôle de la production d’EPS par Pseudoalteromonas sp. la souche S9 dans le processus de fixation des cellules bactériennes a été étudiée en détail. Wrangstadh et coll. a démontré qu’une augmentation de la production d’EPS pendant les conditions de famine était corrélée à une diminution à la fois de l’hydrophobicité de la surface cellulaire et de l’adhérence des cellules aux surfaces inanimées. L’augmentation de la quantité d’EPS à la surface des cellules bactériennes est en outre corrélée à une augmentation du détachement cellulaire. Ces réponses ont été déclenchées par la famine et ont été postulées pour aider les cellules à s’échapper des environnements appauvris en nutriments. Après le détachement, les cellules bactériennes libres peuvent « rechercher » d’autres surfaces à coloniser qui peuvent fournir des conditions plus appropriées à leur prolifération.

Il semblerait que les EPE bactériennes puissent servir de composants antibactériens, contrôler l’attachement bactérien et favoriser la survie de l’hôte et des autres organismes vivant à proximité de la souche productrice. De plus, les EPSS peuvent agir comme des barrières protectrices contre les antibiotiques, contre la prédation par les protozoaires, agir comme des exhausteurs pour l’absorption des nutriments et réduire la diffusion de certaines substances vers et depuis les cellules. De nombreuses espèces de Pseudoalteromonas utilisent la production de PSE et il est probable que cette caractéristique fournit une gamme de stratégies de survie pour les cellules.

3.4 Activités biologiques exprimées par P. tunicata

Une bactérie bien étudiée du genre Pseudoalteromonas est P. tunicata (précédemment désignée D2). Cette souche a été isolée dans les eaux côtières de la Suède à partir de la surface d’un tunicier adulte recueilli à une profondeur de 10 m. Des études ultérieures ont démontré que des souches semblables à P. tunicata existent sur l’algue verte Ulva lactuca dans les eaux australiennes. P. tunicata est une bactérie pigmentée en vert foncé qui produit au moins cinq composés extracellulaires qui empêchent d’autres organismes de s’établir dans une communauté d’encrassement biologique (Fig. 2). Les composés inhibent le tassement des larves d’invertébrés et des spores d’algues, la croissance des bactéries et des champignons et la colonisation de surface par les diatomées. Le composant anti-larvaire est une molécule polaire stable à la chaleur de moins de 500 Da. La molécule antibactérienne est une nouvelle grande protéine (190 kDa) composée d’au moins deux sous-unités (de 80 et 60 kDa). La protéine inhibe la croissance de la plupart des bactéries à Gram négatif et à Gram positif isolées des environnements marins et terrestres. Les cellules de P. tunicata expriment également une auto-inhibition et les cellules en phase exponentielle de croissance sont sensibles à cette protéine. Cependant, lorsque les cellules atteignent la phase stationnaire, qui est l’état physiologique dans lequel la protéine est produite, elles deviennent résistantes. Le rôle écologique de cette protéine antibactérienne dans la colonisation des surfaces par P. tunicata est actuellement étudié à l’aide de souches mutées dans les gènes de la sous-unité. Le composant anti-spores est un peptide d’environ 3 kDa. Des études récentes indiquent que la molécule antifongique peut être un dérivé d’acide gras à longue chaîne lié aux cellules (données non publiées). Le composé anti-diatomées n’a pas encore été caractérisé.

Les caractéristiques uniques de P. tunicata sont liées à la diversité des composés antisalissures et inhibiteurs produits et au fait qu’il a été démontré que chaque métabolite ciblait des groupes spécifiques d’organismes (Fig. 2). Ce phénomène n’a pas été signalé pour d’autres bactéries et peut suggérer que les bactéries présentant de telles caractéristiques ne sont pas courantes dans le milieu marin, bien que P. des souches de tunicata ont été isolées à la surface d’organismes supérieurs dans les deux eaux de la côte ouest suédoise et autour de Sydney. Cependant, la rareté des rapports sur ces bactéries et caractéristiques peut indiquer que les laboratoires n’ont généralement pas accès à des essais biologiques à grande échelle.

4 Lutte biologique et utilisation commerciale des espèces de Pseudoalteromonas

La lutte biologique repose sur des interactions antagonistes entre les microorganismes et entre les bactéries et les organismes supérieurs. Le mode d’action peut être non toxique et spécifique, comme le montrent les bactéries du biofilm qui repoussent les macroorganismes encrassants. Le plus souvent cependant, la lutte biologique microbienne est basée sur la toxicité comme c’est généralement le cas pour la lutte contre les organismes pathogènes microbiens. Étant donné que les espèces de Pseudoalteromonas expriment un large éventail d’activités biologiques, il a été proposé que ce genre comprenne des souches de biocontrôle précieuses pour une utilisation dans l’aquaculture, les technologies antisalissure et la lutte contre les proliférations d’algues toxiques. En effet, ces propositions ont été explorées dans certains programmes de recherche. Les auteurs de ce minireview ont développé une méthode pour immobiliser les cellules de P. tunicata en gels de polyacrylamide et en gels de polyvinylalcool. Le procédé a été utilisé pour maintenir les cellules piégées et vivantes dans un revêtement de surface à matrice de gel qui a permis un débordement de composants antisalissure. Des cellules immobilisées viables ont été démontrées après plus de 2 mois dans les eaux marines en laboratoire. Un tel concept de « peinture vivante » peut offrir une nouvelle alternative écologique aux anti-foulants marins toxiques actuels.

Les méthodes utilisées pour réduire le nombre de microorganismes pathogènes lors de l’élevage de poissons, d’ormeaux, d’huîtres et d’autres organismes comprennent la filtration de l’eau, l’ozonation, l’exposition à la lumière ultraviolette et l’utilisation d’aliments artificiels contenant des antibiotiques. Cependant, aucune de ces méthodes ne s’est avérée efficace pour contrôler les maladies microbiennes et il est évident qu’il est nécessaire d’introduire d’autres méthodes. Maeda et coll. a étudié l’utilisation d’une souche de Pseudoalteromonas undina productrice d’antimicrobiens comme agent de lutte biologique et a démontré que cet organisme réprime avec succès la croissance de bactéries et de virus nuisibles et améliore la croissance des poissons et des crustacés d’élevage. De plus, la capacité de nombreuses espèces de Pseudoalteromonas à dégrader les polymères et à se fixer sur les surfaces a été appliquée dans la dégradation des frondes d’Ulva lyophilisées pour un régime d’écloserie de larves d’Artemia nauplii. Il a été démontré que l’ajout de Pseudoalteromonas espejiana aux frondes augmentait leur conversion en formes semblables à des microalgues. Ces particules contenaient également le double de la quantité de protéines, résultant du biofilm bactérien, par rapport aux particules traitées dans des conditions stériles. Cette technologie peut s’appliquer à d’autres procédés de production d’aliments pour animaux.

5 Contrôle de l’encrassement par l’espèce Pseudoalteromonas dans le milieu marin

En réponse à divers métabolites ou à d’autres stimuli environnementaux, les cellules bactériennes peuvent produire des composés chimiques qui profitent à la souche productrice et/ ou à l’organisme hôte dans leur établissement dans des habitats marins appropriés. Par exemple, les organismes hôtes peuvent utiliser des composés produits par des bactéries pour leur propre défense chimique contre les organismes encrassés, comme pour les algues vertes Ulva lactuca et Enteromorpha intestinalis et le tunicier Ciona intestinalis. On sait que ces organismes ne produisent aucun métabolite secondaire pour leur protection contre l’encrassement, mais il a été rapporté qu’ils sont porteurs d’espèces de Pseudoalteromonas produisant des antisalissures. Nous émettons l’hypothèse que leur succès à rester non encrassé sur le terrain est dû aux bactéries antisalissures associées.

Remerciements

La recherche dans le laboratoire de l’auteur a été financée par l’Australian Research Council, une bourse de recherche post-doctorale du Vice-chancelier à l’Université de Nouvelle-Galles du Sud à C.H. et par le Centre pour l’Encrassement biologique marin et la Bio-Innovation de l’UNSW. Nous tenons à remercier Sally James, Suhelen Egan, Ashley Franks, Torsten Thomas et Harriet Baillie pour leur aide et leurs précieuses discussions.