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. A különféle célszervezetek ellen ható vegyületek előállítása e nemzetség egyedülálló jellemzőjének tűnik, és nagy előnyökkel járhat a Pseudoalteromonas sejtek számára a tápanyagokért folytatott versenyben és a felületek kolonizációjában. A Pseudoalteromonas fajokat általában tengeri eukariótákkal együtt találják meg, és antibakteriális, bakteriolitikus, agarolitikus és algicid hatásúak. Sőt, számos Pseudoalteromonas izolátum kifejezetten megakadályozza a közönséges szennyeződések megtelepedését. Míg a gátló extracelluláris szerek széles skáláját állítják elő, a Pseudoalteromonas Fajok közelében élő más tengeri élőlények túlélését elősegítő vegyületeket is találtak.

1 Bevezetés

a tengervízből könnyen izolált baktériumok heterotróf Gram-negatív, ostoros baktériumok, amelyek a szénhidrátok erjedési képességétől függően két alcsoportra oszthatók. A nem fermentatív csoporton belül, az Alteromonas kijelölt nemzetséget a Gauthier et al. 1995-ben. Felülvizsgálatuk azt javasolta, hogy az Alteromonas nemzetséget két nemzetségre kell osztani, az Alteromonas-ra (amely jelenleg csak egy fajt tartalmaz) és egy új nemzetségre, a Pseudoalteromonas-ra (ábra. Az 1. ábra a Pseudoalteromonas nemzetséghez jelenleg hozzárendelt különböző fajok filogenetikai fáját mutatja). Ez az újonnan létrehozott nemzetség két okból is jelentős érdeklődést váltott ki. Először is, a pseudoalteromonas fajokat gyakran eukarióta gazdaszervezetekkel együtt találják meg a tengeri környezetben, és az ilyen asszociációk tanulmányozása tisztázza a mikrobák és gazdaszervezetek kölcsönhatásában fontos mechanizmusokat. Másodszor, sok faj biológiailag aktív metabolitokat termel, amelyek számos organizmust céloznak meg. A Pseudoalteromonas fajok különböző extracelluláris biológiai aktivitását az 1. táblázat sorolja fel. A felülvizsgálat célja, hogy összefoglalja a pseudoalteromonas nemzetségre vonatkozó néhány új információt, és kiemelje a biológiailag aktív vegyületek ökológiai relevanciáját és körét, amelyeket számos tagfaj kifejez.

2 Pseudoalteromonas Fajok izolálása

a baktériumok osztályozásában a tengeri és nem tengeri állatok és növények közötti egyértelmű különbségtétel nem alkalmazható . Jelenleg a legtöbb tenyészthető baktériumnemzetség képviselői elkülöníthetők mind a szárazföldi, mind a tengeri környezetből. Most azonban megállapítást nyert, hogy a Pseudoalteromonas nemzetség olyan fajokat tartalmaz, amelyek kizárólag tengeri vizekből származnak, és amelyek tagjait a világ tengeri helyeiről izolálták . Érdekes módon úgy tűnik, hogy a Pseudoalteromonas fajok többsége eukarióta gazdákkal áll kapcsolatban. A fajokat különböző állatokból, például kagylókból , gömbhalakból , zsákállatokból és szivacsokból , valamint számos tengeri növényből izolálták . A különböző élőhelyeken való létezésük és világméretű elterjedésük arra enged következtetni, hogy a Pseudoalteromonas fajok által kifejtett adaptív és túlélési stratégiák változatosak, hatékonyak és nagy érdeklődésre tartanak számot mind az alap -, mind az alkalmazott kutatás szempontjából.

3 A Pseudoalteromonas és az Alteromonas fajok által kifejezett biológiai aktivitás

az utóbbi években jelentős új információk születtek a pseudoalteromonas nemzetség tagjai által termelt biológiailag aktív metabolitokról, valamint e baktériumok különböző gazdaszervezetekkel való kölcsönhatásáról. Különösen sok Pseudoalteromonas Fajok kimutatták, hogy antibakteriális termékeket állítanak elő, amelyek úgy tűnik, hogy segítik őket a felületek kolonizációjában, beleértve a gazdaszervezeteiket is. Az agarázok, toxinok, bakteriolitikus anyagok és más enzimek termelése számos Pseudoalteromonas faj által segítheti a baktériumsejteket a tápanyagokért és a térért folytatott versenyben, valamint a felszínen legelésző ragadozók elleni védelemben. A baktériumok ökológiája szilárd felületeken összetett, és a másodlagos metabolitok és más szekretált termékek előállításán kívül számos további tényező befolyásolja a bakteriális válaszokat. Például Ivanova et al. kimutatták, hogy a szubsztrátum hidrofóbitásának mértéke befolyásolja az antibakteriális metabolitok termelését. A legnagyobb antimikrobiális aktivitást hidrofil felületeken tapasztalták, annak ellenére, hogy a csatolt Pseudoalteromonas sejtek bőségesebbek voltak a hidrofób felületeken . Ez a megállapítás arra utalhat, hogy az antimikrobiális aktivitás kifejeződése be-és kikapcsolható a sejt közvetlen környezetében lévő ingadozásoktól és ingerektől függően.

3, 1 antibakteriális aktivitás

a Pseudoalteromonas fajok az antibiotikus hatások széles skáláját mutatják. Három fajról, a P. aurantia-ról, a P. luteoviolacea-ról és a P. rubra-ról kimutatták, hogy nagy molekulatömegű antibakteriális vegyületeket termelnek . A P különböző törzsei által megjelenített antibakteriális aktivitás. a luteoviolacea különösen érdekes, és azt javasolták, hogy két vegyületcsoportnak köszönhető. Először a sejthez kötött polianionos makromolekulákat, amelyek részben diffúzálhatók a táptalajban, savas poliszacharidoknak gondolták. Egy későbbi tanulmány McCarthy et al. kimutatták, hogy ezek a nagy molekulatömegű vegyületek fehérjékhez kapcsolódnak . A P. luteoviolaceus által termelt antibiotikumok második csoportja kis brómozott vegyületeket tartalmaz, amelyek sejthez kötődnek, és nem diffúziósak a közegbe. Ezekről a brómozott vegyületekről ismert, hogy erős baktericid hatásúak . A különböző antibiotikumok előállítása során heterogenitást mutattak ki a különböző P. luteoviolaceus törzsek között. Különböző törzsekről kiderült, hogy szintetizálják a poliszacharid molekulát vagy a kis brómozott metabolitokat, vagy mindkettőt. Az antibakteriális szerek termelésének ezen eltérései arra utalhatnak, hogy a P. luteoviolaceus törzsek eredetileg különböző gazdaszervezeteket vagy élőhelyeket választottak ki, és idővel külön fejlődtek, hogy eltérő vegyületeket hozzanak létre. A P-ben öngátlást is megfigyeltek. luteoviolaceus sejteket, és feltételezhetően a makromolekuláris antibiotikum vegyület közvetíti őket . Ezek a polianionos szénhidrátok szintén fontosnak bizonyultak a baktériumok szilárd felületekhez való kötődésében, lehetővé téve a baktériumok számára, hogy rendkívül versenyképesek legyenek a gazdaszervezetek kolonizációjában . Bár a Pseudoalteromonas fajok esetében auto-gátlás figyelhető meg, bebizonyítottuk, hogy ez nem széles körben előforduló jelenség más tengeri baktériumokban . Megkérdőjelezték ennek a tevékenységnek a fontosságát a tengeri ökoszisztémában, mivel a vegyületek vizes fázisban történő hígítása valószínűleg alacsonyan tartja az extracelluláris vegyületek koncentrációját a sejtek közelében . Mégis lehetséges, hogy az auto-gátló vegyületek előállítása baktériumpopulációban fontos a mikrobiális sokféleség fenntartásához egy mikrohabitaton belül . Tekintettel a közelmúltbeli megállapításokra, miszerint az extracelluláris auto-induktor vegyületek sok baktériumpopulációban fontosak, az auto-gátló molekulák szerepe is elképzelhető.

a polianionos antibiotikum molekula által közvetített antibiotikum aktivitást a P. citrea faj esetében is kimutatták. Ezek a polivalens anionok, amelyek a P. rubra és a P. luteoviolacea antibiotikus aktivitását is közvetítik, gátolják a bakteriális légzést . Érdekes módon bebizonyosodott, hogy az ilyen vegyületek előállítása több Pseudoalteromonas fajban médiumfüggő volt. A sejtek nem fejeztek ki antibakteriális aktivitást, amikor vért tartalmazó táptalajon termesztették őket, és a hatóanyagok expressziója nagyon alacsony volt, amikor tápanyag-agar és triptikus szója-agar táptalajon, sót tartalmazó táptalajon termesztették őket . Tekintettel arra, hogy specifikus tápanyagfeltételekre lehet szükség ahhoz, hogy a baktériumok kifejezzék extracelluláris biológiailag aktív vegyületeiket, javasolt, hogy a tengeri környezetben néhány baktérium-gazdaszervezetet a rendelkezésre álló élelmiszerforrások szabályozzanak.

3.2 extracelluláris enzimek és toxinok

az Agar egy poliszacharid, amely egyes vörös algák sejtfalában található. Úgy tűnik, hogy az agar bakteriális lebomlása két mechanizmuson keresztül történik, amelyek az agaráz és a agaráz enzimek specifikusságán alapulnak. A poliszacharid láncok hasítása az agar lágyulását okozza, így a vörös algákkal együtt élő baktériumok által kifejezett agaráz aktivitás elősegítheti a baktériumok számára, hogy könnyen megszerezzék a tápanyagokat az algákból, mint a zöld és barna algák leveleinek bakteriális lebomlása esetén . Vera et al. azonosított egy agarolitikus izolátumot, a P. Antarktisz N-1 törzsét, és az extracellulárisan előállított agarázát endo-agaráz I-nek jellemezte . A pseudoalteromonas nemzetségbe tartozó egyéb agarázbontó törzsek a P. agarolyticus, P. sp. C-1 törzs, P. carrageenovora, P. atlantica és P. citrea. A jelentett agarolitikus Pseudoalteromonas törzsek többségéről kiderült, hogy extracelluláris agarázokat termelnek, míg a P. agarolyticus törzsről beszámoltak arról, hogy mind az AN-t, mind a A – t előállítja.

a tengeri növények elleni biológiai aktivitást kifejező egyéb baktériumok közé tartozik a P. bacteriolytica törzsek, amelyeket a Laminaria japonica barna algából izoláltak, és amelyekről úgy gondolják, hogy a vörös folt betegség kórokozói az L. japonica-ban. Megállapították, hogy ezek a baktériumizolátumok bakteriolitikus aktivitással rendelkeznek mind a Gram-pozitív, mind a Gram-negatív baktériumok ellen . Figyelembe véve azokat az előnyöket, amelyeket a bakteriolitikus aktivitás a termelő törzsek számára a tápláló vegyületek felszabadításával biztosít, ez valószínűleg jelentős tulajdonság az oligotróf környezetben élő baktériumok számára. A bakteriolitikus aktivitás szintén előnyös lehet A termelő törzs számára a tengeri környezetben való űrért folytatott versenyben.

versenyelőnyöket javasoltak a pseudoalteromonas és az Alteromonas baktériumtörzsek számára a nutritrient akvizícióban és kolonizációban a fitoplankton elleni algicid hatásuk miatt . Ebben az esetben az algicid aktivitás ökológiai relevanciája a fitoplankton utódlásának szabályozása is lehet a tengeri környezetben, amint azt a Pseudoalteromonas sp. y törzs a káros mikroalgák virágzása ellen . Kimutatták, hogy ez a baktérium a Chatonella, a Gymnodinium és a Heterosigma nemzetségek fajainak gyors sejtlízisét és pusztulását okozza. Egy baktérium Pseudoalteromonas sp. Kimutatták, hogy az A28 tengeri algákat is lizál . Az aktív komponensek proteázok voltak, és azt javasolták, hogy a proteáz expresszióját az acilezett homoserine lakton szabályozó rendszer szabályozza .

számos más Pseudoalteromonas fajról is kimutatták, hogy extracelluláris toxinokat termelnek (lásd 1.táblázat). Ezek közé tartozik a P. tetraodonis, amely a neurotoxint termeli, tetradotoxin, a pufferfish mérgezés kórokozója, és P. piscicidia, amely egy toxint szabadít fel, amely állítólag halpusztulást okoz . Továbbá a Pseudoalteromonas tunicata sejtekről kimutatták, hogy mérgezőek a gerinctelen lárvák és az algaspórák ellen, és a P. denitrificans autotoxikus anyagokat termel, amelyek elpusztítják a baktériumsejteket és gátolják a további növekedést sűrű tenyészetben . A mérgező vegyületek előállítása lehetővé teheti a baktériumok számára, hogy nagy léptékű folyamatokat irányítsanak, ellentétben a mikrohabitációik korlátozottabb módosításával, amelyet specifikus nem toxikus extracelluláris szerek okoznak.

3.3 extracelluláris poliszacharidok

a fent tárgyalt biológiai tevékenységek köre arra utal, hogy a bakteriális extracelluláris vegyületek expressziója lehetővé teszi a termelő számára, hogy sikeresen versenyezzen más szervezetekkel. A baktériumok azonban olyan vegyületeket is előállíthatnak, amelyek elősegítik más tengeri élőlények túlélését. Például az exopoliszacharidok (EPS) termelése bizonyítottan növeli más szervezetek túlélési esélyeit bizonyos tengeri élőhelyeken. Ennek ellenére az EPS hatásait csak néhány esetben vizsgálták részletesen.

az EPS-t termelő baktériumtörzsek gyakoriak a Pseudoalteromonas és Alteromonas nemzetségekben. Érdekes módon, Alteromonas sp. a csőférgekből izolált HYD-1545 törzs savas cukrokat tartalmazó EPS-t termel, amelyekről kimutatták, hogy nehézfémkötő tulajdonságokkal rendelkeznek. A baktériumról azt feltételezik, hogy fontos a gazdaszervezet túlélése szempontjából, amely olyan környezetben él, ahol magas a vegyi anyagoknak (pl. fém-szulfidoknak) való kitettség .

a baktériumok EPS-termelésének további jótékony hatásait bizonyították a gerinctelen lárvák telepítésére . Például a Pseudoalteromonas sp. az S9 törzs EPS-t termel mind folyékony tenyészetben, mind felületeken a növekedés álló fázisában . A vad típusú és a transzpozon által generált, az EPS felszabadulásában hiányos mutánst a tunikát lárvák ülepedésével szemben vizsgálták, és kimutatták, hogy a vad típus magasabb fokú lárva ülepedést és későbbi metamorfózist és fejlődést eredményezett a mutáns törzshez képest.

a szerepe EPS termelés Pseudoalteromonas sp. az S9 törzset a baktériumsejtek kötődési folyamatában részletesen tanulmányoztuk . Wrangstadh et al. kimutatták, hogy az EPS termelésének növekedése éhezési körülmények között Korrelált mind a sejtfelszíni hidrofóbitás, mind a sejtek élettelen felületekhez való tapadásának csökkenésével. Az EPS mennyiségének növekedése a baktériumsejt felszínén tovább korrelált a sejtek leválásának növekedésével . Ezeket a reakciókat az éhezés váltotta ki, és azt feltételezték, hogy segítenek a sejteknek a tápanyaghiányos környezetből való menekülésben. A leválást követően a szabadon élő baktériumsejtek más felületeket kereshetnek a kolonizációhoz, amelyek megfelelőbb feltételeket biztosíthatnak szaporodásukhoz.

úgy tűnik, hogy a bakteriális EPSs antibakteriális komponensként szolgálhat, szabályozhatja a baktériumok kötődését, és elősegítheti mind a gazda, mind a termelő törzs közelében élő egyéb szervezetek túlélését . Ezenkívül az EPSs védőgátként működhet az antibiotikumokkal szemben, a protozoonok általi ragadozás ellen, fokozhatja a tápanyagfelvételt, és csökkentheti egyes anyagok sejtekbe és sejtekből történő diffúzióját . Sok Pseudoalteromonas faj alkalmaz EPS termelést, és valószínű, hogy ez a tulajdonság egy sor túlélési stratégiát biztosít a sejtek számára.

3,4 a P. tunicata által kifejezett biológiai aktivitás

a Pseudoalteromonas nemzetségbe tartozó, jól tanulmányozott baktérium a P. tunicata (korábban D2). Ezt a törzset Svédország part menti vizeiben izolálták egy 10 m mélységben összegyűjtött felnőtt tunikát felszínéről . A későbbi vizsgálatok kimutatták, hogy P. tunicata-szerű törzsek léteznek a zöld algán Ulva lactuca Ausztrál vizeken . A P. tunicata egy sötétzöld pigmentált baktérium, amely legalább öt extracelluláris vegyületet termel, amelyek gátolják más organizmusok biofouling közösségben való letelepedését (ábra. 2). A vegyületek gátolják a gerinctelen lárvák és algaspórák letelepedését, a baktériumok és gombák szaporodását és a kovamoszatok felszíni kolonizációját . Az anti-lárva komponens egy 500 Da-nál kisebb hőstabil poláris molekula . Az antibakteriális molekula egy újszerű nagy fehérje (190 kDa), amely legalább két alegységből áll (80 és 60 kDa méretű). A fehérje gátolja a legtöbb Gram-negatív és Gram-pozitív baktérium szaporodását mind a tengeri, mind a szárazföldi környezetből . A P. tunicata sejtek auto-gátlást is expresszálnak, és a növekedés exponenciális fázisában lévő sejtek érzékenyek erre a fehérjére. Amint azonban a sejtek elérik az állófázist, amely a fehérje előállításának fiziológiai állapota, rezisztenssé válnak. Ennek az antibakteriális fehérjének ökológiai szerepét a felületek P. tunicata kolonizációjában jelenleg az alegység génjeiben mutált törzsek felhasználásával vizsgálják. Az anti-spóra komponens körülbelül 3 kDa méretű peptid . A legújabb tanulmányok azt mutatják, hogy a gombaellenes molekula sejthez Kötött hosszú láncú zsírsavszármazék lehet (nem publikált adatok). Az anti-diatom vegyületet még nem jellemezték.

a P. tunicata egyedi jellemzői A keletkező lerakódásgátló és gátló vegyületek sokféleségére vonatkoznak, valamint arra a tényre, hogy minden metabolit bizonyítottan meghatározott organizmuscsoportokat céloz meg (ábra. 2). Ezt a jelenséget más baktériumok esetében nem jelentették, és arra utalhat, hogy az ilyen tulajdonságokat mutató baktériumok nem gyakoriak a tengeri környezetben, bár P. a tunicata törzseket a svéd nyugati part mindkét vizében és Sydney környékén magasabb rendű szervezetek felszínéről izolálták. Az ilyen baktériumokról és jellemzőkről szóló jelentések szűkössége azonban azt tükrözheti, hogy a laboratóriumok általában nem férnek hozzá széles körű biológiai vizsgálatokhoz.

4 A Pseudoalteromonas fajok biológiai kontrollja és kereskedelmi felhasználása

a Biokontroll a mikroorganizmusok, valamint a baktériumok és a magasabb rendű szervezetek közötti antagonista kölcsönhatásokon alapul. A hatásmechanizmus lehet nem toxikus és specifikus, amint azt a biofilm baktériumok mutatják, amelyek taszítják a szennyeződést makroorganizmusok. Gyakrabban azonban a mikrobiális Biokontroll a toxicitáson alapul, mint általában a mikrobiális betegségeket okozó organizmusok elleni védekezés esetében. Tekintettel arra, hogy a Pseudoalteromonas fajok biológiai aktivitásuk széles skáláját fejezik ki, azt javasolták, hogy ez a nemzetség értékes Biokontroll törzseket tartalmazzon az akvakultúrában, a lerakódásgátló technológiákban és a mérgező algavirágzás elleni védekezésben. Valójában ezeket a javaslatokat néhány kutatási programban feltárták. A minireview szerzői kifejlesztettek egy módszert a P. tunicata sejtek poliakrilamid gélekké és polivinil-alkohol gélekké történő immobilizálására . A módszert arra alkalmazták, hogy a sejteket befogják és életben tartsák egy gélmátrix felületi bevonatban, amely lehetővé tette a lerakódásgátló komponensek kiáramlását. Az életképes immobilizált sejteket több mint 2 hónap elteltével mutatták ki a tengeri vizekben a laboratóriumban . Egy ilyen élő festék koncepció új, környezetbarát alternatívát kínálhat a jelenlegi mérgező tengeri szennyeződésgátló anyagokkal szemben.

a halak, Abalon, osztriga és más organizmusok tenyésztése során a kórokozó mikroorganizmusok számának csökkentésére alkalmazott módszerek közé tartozik a víz szűrése, az ózonozás, az ultraibolya fénynek való kitettség és az antibiotikumokat tartalmazó mesterséges élelmiszerek használata. Ezen módszerek egyike sem bizonyult hatékonynak a mikrobiális betegségek leküzdésében, és nyilvánvalóan szükség van alternatív módszerek bevezetésére. Maeda et al. megvizsgálták egy antimikrobiális termelő Pseudoalteromonas undinatörzset Biokontroll szerként, és kimutatták, hogy ez a szervezet sikeresen elnyomja a káros baktériumok és vírusok szaporodását, és javítja a tenyésztett halak és rákfélék növekedését. Ezenkívül számos Pseudoalteromonas fajnak a polimerek lebontására és a felületekhez való kötődésére való képességét alkalmazták a fagyasztva szárított Ulva levelek lebomlásakor az Artemia nauplii lárvák keltető étrendjében . Kimutatták, hogy a Pseudoalteromonas espejiana hozzáadása a levelekhez fokozta azok mikroalgaszerű formákká történő átalakulását. Ezek a részecskék a bakteriális biofilm eredményeként kétszer annyi fehérjét tartalmaztak, mint a steril körülmények között kezelt részecskék . Ez a technológia más folyamatokban is alkalmazható állati eredetű élelmiszerek előállítására.

5 A Pseudoalteromonas Fajok Szennyeződésmentesítése a tengeri környezetben

különböző metabolitokra vagy más környezeti ingerekre reagálva a baktériumsejtek olyan kémiai vegyületeket képesek előállítani, amelyek a termelő törzs és/vagy a gazdaszervezet számára előnyösek a megfelelő tengeri élőhelyeken való letelepedésük során. Ilyenek például az Ulva lactuca és Enteromorpha intestinalis zöld algák, valamint a tunicate Ciona intestinalis, ahol a gazdaszervezetek bakteriálisan előállított vegyületeket alkalmazhatnak saját kémiai védekezésük érdekében. Ezek az organizmusok nem termelnek másodlagos metabolitokat a lerakódás elleni védelem érdekében, de beszámoltak arról, hogy anti-lerakódást okozó Pseudoalteromonas fajokat hordoznak . Feltételezzük, hogy sikerük a terepen maradva a kapcsolódó lerakódásgátló baktériumoknak köszönhető.

Köszönetnyilvánítás

a szerző laboratóriumában végzett kutatást az Ausztrál Kutatási Tanács, az Új-Dél-Wales-i Egyetem C. H. posztdoktori kutatási ösztöndíja és az UNSW tengeri Biofouling és Bioinnovációs központja finanszírozta. Szeretnénk megköszönni Sally James, Suhelen Egan, Ashley Franks, Torsten Thomas és Harriet Baillie segítségét és értékes beszélgetések.