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 produção de uma variedade de compostos que são ativos contra uma variedade de organismos alvo parece ser uma característica única para este gênero e pode beneficiar muito as células Pseudoalteromonas em sua competição por nutrientes e colonização de superfícies. Espécies de Pseudoalteromonas são geralmente encontradas em associação com eucariotos marinhos e exibem atividades antibacterianas, bacteriolíticas, agarolíticas e algicidas. Além disso, vários isolados de Pseudoalteromonas impedem especificamente o assentamento de organismos comuns incrustantes. Enquanto uma ampla gama de agentes extracelulares inibitórios são produzidos, compostos que promovem a sobrevivência de outros organismos marinhos que vivem nas proximidades de espécies de Pseudoalteromonas também foram encontrados.

1. Introdução

Bactérias prontamente isolado de águas marinhas são heterotróficos Gram-negativos, flagellated de bactérias e pode ser dividido em dois subgrupos, dependendo de sua capacidade de fermentar carboidratos. Dentro do grupo não fermentativo, o gênero Alteromonas designado foi revisado com base em comparações filogenéticas realizadas por Gauthier et al. em 1995. Sua revisão sugeriu que o gênero Alteromonas deveria ser dividido em dois gêneros, Alteromonas (que agora inclui apenas uma espécie) e um novo gênero, Pseudoalteromonas (Fig. 1 mostra uma árvore filogenética das diferentes espécies atualmente atribuídas ao gênero Pseudoalteromonas). Este gênero recém-criado atraiu interesse significativo por duas razões. Primeiro, as espécies de Pseudoalteromonas são freqüentemente encontradas em associação com hospedeiros eucarióticos no ambiente marinho e estudos de tais associações elucidarão os mecanismos importantes nas interações micróbio-hospedeiro. Em segundo lugar, muitas das espécies produzem metabólitos biologicamente ativos que visam uma variedade de organismos. As diferentes atividades biológicas extracelulares exibidas pelas espécies de Pseudoalteromonas estão listadas na Tabela 1. Os objetivos desta revisão são resumir algumas das informações emergentes pertencentes ao gênero Pseudoalteromonas e destacar a relevância ecológica e a variedade de compostos biologicamente ativos que são expressos por muitas de suas espécies membros.

2 Isolamento de Pseudoalteromonas espécies

Na classificação de bactérias, a clara distinção que existe entre a marinha e não-animais e plantas marinhos não é aplicável . Atualmente, representantes da maioria dos gêneros bacterianos culturáveis podem ser isolados tanto de ambientes terrestres quanto marinhos. No entanto, agora está estabelecido que o gênero Pseudoalteromonas contém espécies que derivam exclusivamente de águas marinhas e que os membros foram isolados de locais marinhos em todo o mundo . Curiosamente, a maioria das espécies de Pseudoalteromonas parece estar associada a hospedeiros eucarióticos. As espécies foram isoladas de vários animais , como mexilhões , baiacu , tunicados e esponjas, bem como de uma variedade de plantas marinhas . Sua existência em uma variedade de habitats e sua disseminação mundial sugerem que as estratégias adaptativas e de sobrevivência expressas pelas espécies de Pseudoalteromonas são diversas, eficientes e de grande interesse para pesquisas básicas e aplicadas.

3 atividades Biológicas expressa por Pseudoalteromonas e Alteromonas espécies

nos Últimos anos assistiu-se a geração de considerável romance informações sobre a produção de metabólitos biologicamente ativos por membros do gênero Pseudoalteromonas e as interações destas bactérias com diferentes host organismos. Em particular, muitas espécies de Pseudoalteromonas demonstraram produzir produtos antibacterianos que parecem ajudá-los na colonização de superfícies, incluindo as de seus hospedeiros. A produção de agarases, toxinas, bacteriolíticos substâncias e outras enzimas por muitos Pseudoalteromonas espécies pode ajudar as células bacterianas em sua competição por nutrientes e espaço, bem como para a sua proteção contra predadores pastoreio em superfícies. A ecologia bacteriana em superfícies sólidas é complexa e muitos fatores adicionais, além da produção de metabólitos secundários e outros produtos secretados, afetam as respostas bacterianas. Por exemplo, Ivanova et al. demonstrou que o grau de hidrofobicidade do substrato influencia a produção de metabólitos antibacterianos. Verificou-se que a maior atividade antimicrobiana ocorreu em superfícies hidrofílicas, apesar do fato de que as células pseudoalteromonas anexadas eram mais abundantes em superfícies hidrofóbicas . Este achado pode sugerir que a expressão da atividade antimicrobiana pode ser ligada e desligada dependendo das flutuações e estímulos presentes no ambiente imediato da célula.

3.1 atividade antibacteriana

as espécies de Pseudoalteromonas apresentam uma ampla gama de efeitos antibióticos. Três espécies, P. aurantia, P. luteoviolacea e P. rubra, demonstraram produzir compostos antibacterianos de alta massa molecular . A atividade antibacteriana exibida pelas diferentes cepas de P. luteoviolacea é particularmente interessante e foi sugerido ser devido a duas classes de compostos. Primeiro, macromoléculas polianiônicas ligadas a células, que são parcialmente difusíveis em meios de cultura, foram consideradas polissacarídeos ácidos. Um estudo posterior de McCarthy et al. demonstrou que esses compostos de alto peso molecular estão associados a proteínas . O segundo grupo de antibióticos produzidos por P. luteoviolaceus contém pequenos compostos bromados que são ligados às células e não são difusíveis na mídia. Sabe-se que esses compostos bromados têm um forte efeito bactericida . Na produção dos diferentes antibióticos, foi demonstrada heterogeneidade entre diferentes cepas de P. luteoviolaceus. Diferentes cepas foram encontradas para sintetizar a molécula de polissacarídeo ou os pequenos metabólitos bromados, ou ambos. Essas variações na produção de agentes antibacterianos podem sugerir que as cepas de P. luteoviolaceus originalmente selecionaram diferentes organismos hospedeiros ou habitats e, com o tempo, evoluíram separadamente para produzir compostos divergentes. A auto-inibição também foi observada em P. células luteoviolaceus e é sugerido para ser mediado pelo composto antibiótico macromolecular . Esses carboidratos polianiônicos também demonstraram ser importantes na ligação de bactérias a superfícies sólidas , permitindo que as bactérias sejam altamente competitivas na colonização de organismos hospedeiros . Embora a auto-inibição seja observada para espécies de Pseudoalteromonas, demonstramos que não é um fenômeno amplamente ocorrendo em outras bactérias marinhas . A importância dessa atividade no ecossistema marinho tem sido questionada, uma vez que a diluição de compostos na fase aquosa provavelmente mantém baixa a concentração de compostos extracelulares nas proximidades das células . No entanto, é possível que a produção de compostos auto-inibitórios em uma população bacteriana seja importante para manter a diversidade microbiana dentro de um microhabitat . Dadas as descobertas recentes de que os compostos auto-indutores extracelulares são importantes em muitas populações bacterianas , um papel para moléculas auto-inibitórias também pode ser previsto.

a atividade antibiótica mediada por uma molécula antibiótica polianiônica também foi demonstrada para a espécie P. citrea. Esses Ânions polivalentes, que também medeiam a atividade antibiótica de P. rubra e P. luteoviolacea, inibem a respiração bacteriana . Curiosamente, foi demonstrado que a produção de tais compostos em várias espécies de Pseudoalteromonas era dependente da mídia. As células não expressaram nenhuma atividade antibacteriana quando cultivadas em meios contendo sangue e a expressão dos compostos ativos foi muito baixa quando cultivadas em meio de ágar nutriente e ágar de soja triptic contendo sal . Dado que condições nutricionais específicas podem ser necessárias para que as bactérias expressem seus compostos biologicamente ativos extracelulares, sugere-se que algumas associações bactérias-hospedeiras nos ambientes marinhos sejam controladas por fontes alimentares disponíveis.

3.2 enzimas extracelulares e toxinas

o ágar é um polissacarídeo presente nas paredes celulares de algumas algas vermelhas. Parece que a degradação bacteriana do ágar ocorre por dois mecanismos baseados na especificidade das enzimas β-agarase e α-agarase. A clivagem das cadeias polissacarídicas causa o amolecimento do ágar, de modo que a atividade da agarase expressa por bactérias que vivem em associação com algas vermelhas pode ajudar as bactérias a adquirir facilmente nutrientes das algas, como é o caso da degradação bacteriana das folhas de algas verdes e marrons . Vera et al. identificou um isolado agarolítico, P. antarctica strain N-1, e caracterizou sua agarase produzida extracelular como sendo uma endo β-agarase I. Outras cepas decompositoras de agarase dentro do gênero Pseudoalteromonas são P. agarolyticus, P. sp. estirpe C-1, p. carragenovora, P. atlantica e P. citrea. Verificou-se que a maioria das cepas de pseudoalteromonas agarolíticas relatadas produz β – agarases extracelulares, enquanto a cepa de P. agarolyticus produz uma α-e uma β-agarase.

outras bactérias que expressam atividade biológica contra plantas marinhas incluem P. cepas de bacteriolytica que foram isoladas da alga Laminaria japonica marrom e acredita-se ser o agente causador da doença da mancha vermelha em L. japonica. Esses isolados bacterianos também têm atividade bacteriolítica contra bactérias Gram-positivas e Gram-negativas . Dadas as vantagens que a atividade bacteriolítica proporciona às cepas produtoras pela liberação de compostos nutritivos, esse é provavelmente um traço significativo para as bactérias que vivem em ambientes oligotróficos. A atividade bacteriolítica também pode beneficiar a cepa produtora na competição pelo espaço no ambiente marinho.

vantagens competitivas para cepas bacterianas Pseudoalteromonas e Alteromonas em aquisição nutritriente e colonização têm sido propostas por suas atividades algicidas contra o fitoplâncton . Nesse caso, a relevância ecológica da atividade algicida também pode ser controlar a sucessão do fitoplâncton no ambiente marinho, como foi mostrado para Pseudoalteromonas sp. tensão Y contra flores de microalgas nocivas . Esta bactéria demonstrou causar rápida lise celular e morte de espécies dentro dos gêneros Chatonella, Gymnodinium e Heterosigma. Uma bactéria Pseudoalteromonas sp. A28 também foi demonstrado para lyse algas marinhas . Os componentes ativos foram proteases e foi sugerido que a expressão de protease é regulada pelo sistema regulador de homoserina lactona acilada .

várias outras espécies de Pseudoalteromonas também demonstraram produzir toxinas extracelulares (Ver Tabela 1). Estes incluem P. tetraodonis, que produz a neurotoxina, tetradotoxina , o agente causador do envenenamento por baiacu, e P. piscicidia, que libera uma toxina sugerida para causar mortalidade de peixes . Além disso, as células Pseudoalteromonas tunicata demonstraram ser tóxicas contra larvas de invertebrados e esporos de algas e P. denitrificans produz substâncias autotóxicas que matam as células bacterianas e inibem o crescimento adicional em cultura densa . A produção de compostos tóxicos pode permitir que as bactérias controlem processos em larga escala, em contraste com a modificação mais restrita de seus microhabitats causada por agentes extracelulares não tóxicos específicos.

3.3 polissacarídeos Extracelulares

A gama de atividades biológicas discutido acima sugere que a expressão de bactérias extracelulares de compostos permite ao produtor para competir com sucesso com outros organismos. No entanto, as bactérias também podem produzir compostos que ajudam na sobrevivência de outros organismos marinhos. Por exemplo, a produção de exopolissacarídeos (EPS) demonstrou aumentar as chances de outros organismos sobreviverem em habitats marinhos específicos. Apesar desse fato, os efeitos EPS só foram examinados em detalhes em alguns casos.

EPS produzindo cepas bacterianas são comuns dentro dos gêneros Pseudoalteromonas e Alteromonas. Curiosamente, Alteromonas sp. a estirpe HYD-1545, isolada de vermes tubulares, produz um EPS contendo açúcares ácidos que demonstraram ter propriedades de ligação de metais pesados. Sugere-se que a bactéria seja importante para a sobrevivência de seu organismo hospedeiro, que vive em um ambiente onde a exposição a produtos químicos (por exemplo, sulfetos metálicos) é alta .

outros efeitos benéficos da produção de EPS por bactérias em organismos foram demonstrados para o assentamento de larvas de invertebrados . Por exemplo, Pseudoalteromonas sp. a estirpe S9 produz um EPS tanto em cultura líquida como em superfícies durante a fase estacionária de crescimento . O tipo selvagem, e um transposon gerado mutantes deficientes na liberação de EPS foram testados contra o acordo de tunicate larvas e foi demonstrado que o tipo selvagem, resultou em um maior grau de larvas de liquidação e posterior metamorfose e desenvolvimento em comparação com a estirpe mutante.

o papel da produção de EPS Por Pseudoalteromonas sp. a cepa S9 no processo de fixação de células bacterianas foi estudada com algum detalhe . E-mail: demonstrou que um aumento na produção de EPS durante condições de inanição correlacionou-se com uma diminuição na hidrofobicidade da superfície celular e adesão de células a superfícies inanimadas. O aumento da quantidade de EPS na superfície celular bacteriana correlacionou-se ainda mais com um aumento no descolamento celular . Essas respostas foram desencadeadas pela fome e foram postuladas para ajudar as células a escapar de ambientes com baixo teor de nutrientes. Após o descolamento, as células bacterianas de vida livre podem “procurar” outras superfícies para colonizar que podem fornecer condições mais adequadas para sua proliferação.Parece que os EPSs bacterianos podem servir como componentes antibacterianos, controlar a fixação bacteriana e beneficiar a sobrevivência do hospedeiro e de outros organismos que vivem nas proximidades da cepa produtora . Além disso, o EPSs pode atuar como barreiras protetoras contra antibióticos, contra a predação por protozoários, funcionar como potenciadores para a absorção de nutrientes e reduzir a difusão de algumas substâncias de e para as células . Muitas espécies de Pseudoalteromonas empregam a produção de EPS e é provável que essa característica forneça uma série de estratégias de sobrevivência para as células.

3.4 atividades biológicas expressas por P. tunicata

uma bactéria bem estudada dentro do gênero Pseudoalteromonas é P. tunicata (anteriormente designado D2). Esta cepa foi isolada nas águas costeiras da Suécia da superfície de um tunicado adulto coletado a uma profundidade de 10 m. Estudos subsequentes demonstraram que cepas semelhantes a P. tunicata existem na alga verde Ulva lactuca em águas australianas . P. tunicata é uma bactéria pigmentada verde-escura e foi encontrada para produzir pelo menos cinco compostos extracelulares que inibem outros organismos de se estabelecerem em uma comunidade biofouling (Fig. 2). Os compostos inibem o assentamento de larvas de invertebrados e esporos de algas, crescimento de bactérias e fungos e colonização superficial por diatomáceas . O componente anti-larval é uma molécula polar estável ao calor com menos de 500 Da de tamanho . A molécula antibacteriana é uma nova proteína grande (190 kDa) que consiste em pelo menos duas subunidades (80 e 60 kDa de tamanho). A proteína inibe o crescimento da maioria das bactérias Gram-negativas e Gram-positivas isoladas de ambientes marinhos e terrestres . As células de P. tunicata também expressam auto-inibição e as células na fase exponencial de crescimento são sensíveis a essa proteína. No entanto, à medida que as células atingem a fase estacionária, que é o estado fisiológico em que a proteína é produzida, elas se tornam resistentes. O papel ecológico desta proteína antibacteriana na colonização de superfícies por P. tunicata está sendo estudado usando cepas mutadas nos genes da subunidade. O componente antiesporo é um peptídeo de cerca de 3 kDa de tamanho . Estudos recentes indicam que a molécula antifúngica pode ser um derivado de ácido graxo de cadeia longa ligado a células (dados não publicados). O composto anti-diatomáceas ainda não foi caracterizado.

as características únicas de P. tunicata referem-se à diversidade de compostos anti-incrustantes e inibitórios produzidos e ao fato de que cada metabólito foi demonstrado como alvo de grupos específicos de organismos (Fig. 2). Este fenômeno não foi relatado para nenhuma outra bactéria e pode sugerir que as bactérias que exibem tais características não são comuns no ambiente marinho, embora P. as cepas de tunicata foram isoladas de superfícies de organismos superiores em ambas as águas da costa oeste sueca e ao redor de Sydney. No entanto, a escassez de relatórios sobre essas bactérias e características pode refletir que os laboratórios geralmente não têm acesso a bioensaios de ampla gama.

4 Controle Biológico e uso comercial de espécies de Pseudoalteromonas

o biocontrole é baseado em interações antagônicas entre microrganismos e entre bactérias e organismos superiores. O modo de ação pode ser não tóxico e específico, conforme exibido por bactérias biofilme que repelem macroorganismos incrustantes. Mais frequentemente, no entanto, o biocontrole microbiano é baseado na toxicidade, como é geralmente o caso para o controle de organismos causadores de doenças microbianas. Dado que as espécies de Pseudoalteromonas expressam uma ampla gama de atividades biológicas, foi proposto que este gênero inclui valiosas cepas de biocontrol para uso em, Aquicultura, tecnologias anti-incrustantes e o controle de flores de algas tóxicas. De fato, essas propostas foram exploradas em alguns programas de pesquisa. Os autores desta minireview desenvolveram um método para imobilizar as células P. tunicata em géis de poliacrilamida e géis de polivinilalcool . O método foi empregado para manter as células presas e vivas em um revestimento de superfície de matriz de gel que permitiu um fluxo externo de componentes anti-incrustantes. Células imobilizadas viáveis foram demonstradas após mais de 2 meses em águas marinhas em laboratório . Esse conceito de “pintura viva” pode oferecer uma nova alternativa ecológica aos atuais anti-foulants marinhos tóxicos.

os métodos empregados para reduzir o número de microrganismos patogênicos na cultura de peixes, abalone, ostra e outros organismos incluem filtração da água, ozonização, exposição à luz ultravioleta e uso de alimentos artificiais contendo antibióticos. No entanto, nenhum desses métodos se mostrou eficaz no controle de doenças microbianas e há uma necessidade óbvia de introduzir métodos alternativos. Maeda et al. investigou o uso de uma cepa antimicrobiana Produtora de Pseudoalteromonas undina como agente biocontrol e demonstrou que esse organismo reprime com sucesso o crescimento de bactérias e vírus deletérios e melhora o crescimento de peixes e crustáceos de criação. Além disso, a capacidade de muitas espécies de Pseudoalteromonas de degradar polímeros e se prender a superfícies foi aplicada na degradação de folhas de Ulva liofilizadas para uma dieta de incubatório de larvas de Artemia nauplii . Foi demonstrado que a adição de Pseudoalteromonas espejiana às folhas aumentou sua conversão em formas semelhantes a microalgas. Essas partículas também continham o dobro da quantidade de proteína, como resultado do biofilme bacteriano, em comparação com as partículas que foram tratadas em condições estéreis . Esta tecnologia pode ser aplicável em outros processos para a geração de alimentos para animais.

5 Incrustações de controle pelo Pseudoalteromonas espécies no ambiente marinho

Em resposta a vários metabólitos ou outros estímulos do ambiente, de células bacterianas podem produzir compostos químicos, o que beneficia o produtor de tensão e/ou o organismo em seu estabelecimento adequado, habitats marinhos. Os exemplos incluem onde os organismos hospedeiros podem empregar compostos produzidos bacterialmente para sua própria defesa química contra organismos incrustantes, como para as algas verdes Ulva lactuca e Enteromorpha intestinalis e o tunicate Ciona intestinalis. Sabe-se que esses organismos não produzem metabólitos secundários para sua proteção contra incrustações, mas foram relatados como portadores de espécies Pseudoalteromonas produtoras de anti-incrustação . Nós hipotetizamos que seu sucesso em permanecer desenfreado no campo é devido às bactérias anti-incrustantes associadas.

agradecimentos

a pesquisa no laboratório do autor foi financiada pelo Australian Research Council, uma bolsa de pesquisa de pós-doutorado de Vice-Chanceler da Universidade de Nova Gales do Sul para C. H. e pelo Centro de Biofouling marinho e Bio-inovação da UNSW. Gostaríamos de agradecer a Sally James, Suhelen Egan, Ashley Franks, Torsten Thomas e Harriet Baillie pela assistência e discussões valiosas.