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. Producerea unei game de compuși care sunt activi împotriva unei varietăți de organisme țintă pare a fi o caracteristică unică pentru acest gen și poate beneficia foarte mult celulele Pseudoalteromonas în competiția lor pentru nutrienți și colonizarea suprafețelor. Speciile de Pseudoalteromonas se găsesc în general în asociere cu eucariotele marine și prezintă activități antibacteriene, bacteriolitice, agarolitice și algicide. Mai mult, mai multe izolate Pseudoalteromonas împiedică în mod specific așezarea organismelor comune de murdărire. În timp ce se produce o gamă largă de agenți extracelulari inhibitori, au fost găsiți și compuși care promovează supraviețuirea altor organisme marine care trăiesc în vecinătatea speciilor Pseudoalteromonas.

1 Introducere

bacteriile ușor izolate din apele marine sunt bacterii Gram-negative heterotrofe, flagelate și pot fi împărțite în două subgrupe în funcție de capacitatea lor de a fermenta carbohidrații. În cadrul grupului non-fermentativ, genul Alteromonas desemnat a fost revizuit pe baza comparațiilor filogenetice efectuate de Gauthier și colab. în 1995. Revizuirea lor a sugerat că genul Alteromonas ar trebui împărțit în două genuri, Alteromonas (care include acum o singură specie) și un nou gen, Pseudoalteromonas (Fig. 1 prezintă un arbore filogenetic al diferitelor specii atribuite în prezent genului Pseudoalteromonas). Acest gen nou creat a atras un interes semnificativ din două motive. În primul rând, speciile de Pseudoalteromonas se găsesc frecvent în asociere cu gazdele eucariote din mediul marin, iar studiile unor astfel de asociații vor elucida mecanismele importante în interacțiunile microb-gazdă. În al doilea rând, multe dintre specii produc metaboliți biologic activi care vizează o serie de organisme. Diferitele activități biologice extracelulare prezentate de speciile de Pseudoalteromonas sunt enumerate în tabelul 1. Obiectivele acestei revizuiri sunt de a rezuma unele dintre informațiile emergente referitoare la genul Pseudoalteromonas și de a evidenția relevanța ecologică și gama de compuși biologic activi care sunt exprimați de multe dintre speciile sale membre.

2 izolarea speciilor de Pseudoalteromonas

în clasificarea bacteriilor, distincția clară care există între animalele și plantele marine și non-marine nu este aplicabilă . În prezent, reprezentanții majorității genurilor bacteriene culturabile pot fi izolați atât din mediul terestru, cât și din cel marin. Cu toate acestea, se stabilește acum că genul Pseudoalteromonas conține specii care derivă exclusiv din apele marine și că membrii au fost izolați de locațiile marine din întreaga lume . Interesant este că majoritatea speciilor Pseudoalteromonas par a fi asociate cu gazdele eucariote. Speciile au fost izolate de la diverse animale , cum ar fi midii , pufferfish , tunicate și bureți, precum și dintr-o serie de plante marine . Existența lor într-o varietate de habitate și răspândirea lor la nivel mondial sugerează că strategiile adaptive și de supraviețuire exprimate de speciile Pseudoalteromonas sunt diverse, eficiente și de mare interes atât pentru cercetarea de bază, cât și pentru cea aplicată.

3 activități biologice exprimate de speciile Pseudoalteromonas și Alteromonas

ultimii ani au fost martorii generării de informații noi considerabile privind producerea de metaboliți biologic activi de către membrii genului Pseudoalteromonas și interacțiunile acestor bacterii cu diferite organisme gazdă. În special, s-a demonstrat că multe specii de Pseudoalteromonas produc produse antibacteriene care par să le ajute în colonizarea suprafețelor, inclusiv a celor ale gazdelor lor. Producerea de agaraze, toxine, substanțe bacteriolitice și alte enzime de către multe specii de Pseudoalteromonas poate ajuta celulele bacteriene în competiția lor pentru nutrienți și spațiu, precum și în protecția lor împotriva prădătorilor care pășunează pe suprafețe. Ecologia bacteriană la suprafețele solide este complexă și mulți factori suplimentari, pe lângă producerea de metaboliți secundari și alte produse secretate, afectează răspunsurile bacteriene. De exemplu, Ivanova și colab. a demonstrat că gradul de hidrofobicitate al substratului influențează producerea de metaboliți antibacterieni. Cea mai mare activitate antimicrobiană a fost găsită pe suprafețele hidrofile, în ciuda faptului că celulele pseudoalteromonas atașate au fost mai abundente pe suprafețele hidrofobe . Această constatare poate sugera că expresia activității antimicrobiene poate fi pornită și oprită în funcție de fluctuațiile și stimulii prezenți în mediul imediat al celulei.

3.1 activitatea antibacteriană

speciile de Pseudoalteromonas prezintă o gamă largă de efecte antibiotice. S-a demonstrat că trei specii, P. aurantia, P. luteoviolacea și P. rubra, produc compuși antibacterieni cu masă moleculară mare . Activitatea antibacteriană afișată de diferitele tulpini de P. luteoviolacea este deosebit de interesantă și s-a sugerat că se datorează a două clase de compuși. În primul rând, macromoleculele polianionice legate de celule, care sunt parțial difuzibile în mediile de cultură, au fost considerate a fi polizaharide acide. Un studiu ulterior realizat de McCarthy și colab. a demonstrat că acești compuși moleculari mari sunt asociați cu proteine . Al doilea grup de antibiotice produse de P. luteoviolaceus conține compuși bromurați mici care sunt legați de celule și nu sunt difuzibili în mediu. Se știe că acești compuși bromurați au un puternic efect bactericid . În producerea diferitelor antibiotice, a fost demonstrată eterogenitatea între diferite tulpini de P. luteoviolaceus. S-a constatat că diferite tulpini sintetizează fie molecula polizaharidică, fie metaboliții bromurați mici, sau ambele. Aceste variații în producția de agenți antibacterieni pot sugera că tulpinile P. luteoviolaceus au selectat inițial diferite organisme gazdă sau habitate și cu timpul au evoluat separat pentru a produce compuși Divergenți. Auto-inhibiția a fost observată și la pacienții cu P. celulele luteoviolaceus și se sugerează a fi mediate de compusul antibiotic macromolecular . Acești carbohidrați polianionici s-au dovedit , de asemenea, importanți în atașarea bacteriilor la suprafețe solide, permițând bacteriilor să fie extrem de competitive în colonizarea organismelor gazdă . Deși se observă auto-inhibiție pentru speciile Pseudoalteromonas, am demonstrat că nu este un fenomen care apare pe scară largă în alte bacterii marine . Importanța acestei activități în ecosistemul marin a fost pusă la îndoială, având în vedere că diluarea compușilor în faza apoasă menține probabil concentrația compușilor extracelulari scăzută în vecinătatea celulelor . Cu toate acestea, este posibil ca producția de compuși auto-inhibitori într-o populație bacteriană să fie importantă pentru menținerea diversității microbiene într-un microhabitat . Având în vedere descoperirile recente că compușii autoinductori extracelulari sunt importanți în multe populații bacteriene , poate fi prevăzut și un rol pentru moleculele auto-inhibitoare.

activitatea antibiotică mediată de o moleculă de antibiotic polianionic a fost demonstrată și pentru specia P. citrea. S-a constatat că acești anioni polivalenți, care mediază și activitatea antibiotică a P. rubra și P. luteoviolacea, inhibă respirația bacteriană . Interesant, sa demonstrat că producția de astfel de compuși în mai multe specii de Pseudoalteromonas a fost dependentă de media. Celulele nu au exprimat nicio activitate antibacteriană atunci când au fost cultivate pe medii care conțin sânge, iar expresia compușilor activi a fost foarte scăzută atunci când au fost cultivate pe agar nutritiv și agar triptic de soia care conțin sare . Având în vedere că pot fi necesare condiții specifice de nutrienți pentru ca bacteriile să-și exprime compușii biologic activi extracelulari, se sugerează că unele asociații bacterii-gazdă din mediile marine sunt controlate de sursele de hrană disponibile.

3.2 enzime extracelulare și toxine

Agar este o polizaharidă prezentă în pereții celulari ai unor alge roșii. Se pare că degradarea bacteriană a agarului are loc prin două mecanisme bazate pe specificitatea enzimelor-agarază și agarază-agarază. Scindarea lanțurilor polizaharidice determină înmuierea agarului, astfel încât activitatea agarazei exprimată de bacteriile care trăiesc în asociere cu algele roșii poate ajuta bacteriile să dobândească cu ușurință nutrienți din alge, așa cum este cazul degradării bacteriene a frunzelor de alge verzi și brune . Vera și colab. a identificat un izolat agarolitic, tulpina P. antarctica N-1, și a caracterizat agaraza sa produsă extracelular ca fiind o endo-agarază i. Alte tulpini de descompunere a agarazei din genul Pseudoalteromonas sunt P. agarolyticus, P. sp. tulpina C-1, P. carrageenovora, P. atlantica și P. citrea. S-a constatat că majoritatea tulpinilor de Pseudoalteromonas agarolitice raportate produc agaraze extracelulare, în timp ce s – a raportat că tulpina de P. agarolyticus produce atât o agarază -, cât și o agarază-de-la-La-La-La-La.

alte bacterii care exprimă activitatea biologică împotriva plantelor marine includ P. bacteriolytica tulpini care au fost izolate din alge maro Laminaria japonica și sunt considerate a fi agentul cauzal al bolii la fața locului roșu în L. japonica. Aceste izolate bacteriene s-au dovedit, de asemenea, a avea activitate bacteriolitică împotriva bacteriilor Gram-pozitive și Gram-negative . Având în vedere avantajele pe care activitatea bacteriolitică le oferă tulpinilor producătoare prin eliberarea compușilor nutritivi, aceasta este cel mai probabil o trăsătură semnificativă pentru bacteriile care trăiesc în medii oligotrofe. Activitatea bacteriolitică poate, de asemenea, să aducă beneficii tulpinii producătoare în competiția pentru spațiu în mediul marin.

au fost propuse avantaje Competitive pentru tulpinile bacteriene Pseudoalteromonas și Alteromonas în achiziția și colonizarea nutritrient pentru activitățile lor algicide împotriva fitoplanctonului . În acest caz, relevanța ecologică a activității algicide poate fi, de asemenea, controlul succesiunii fitoplanctonului în mediul marin, așa cum s-a arătat pentru Pseudoalteromonas sp. tulpina Y împotriva florilor de micro alge dăunătoare . S-a demonstrat că această bacterie provoacă liza celulară rapidă și moartea speciilor din genurile Chatonella, Gymnodinium și Heterosigma. O bacterie Pseudoalteromonas sp. A28 a fost, de asemenea, demonstrat că lizează algele marine . Componentele active au fost proteazele și s-a sugerat că expresia proteazei este reglementată de sistemul de reglare a lactonei homoserine acilate .

s-a demonstrat că mai multe alte specii de Pseudoalteromonas produc toxine extracelulare (vezi Tabelul 1). Acestea includ P. tetraodonis, care produce neurotoxina, tetradotoxina, agentul cauzal al otrăvirii pufferfish și P. piscicidia, care eliberează o toxină sugerată să provoace mortalitatea peștilor . Mai mult, s-a demonstrat că celulele Pseudoalteromonas tunicata sunt toxice împotriva larvelor nevertebrate și a sporilor de alge, iar P. denitrificans produce substanțe autotoxice care ucid celulele bacteriene și inhibă creșterea ulterioară în cultura densă . Producția de compuși toxici poate permite bacteriilor să controleze procesele la scară largă, spre deosebire de modificarea mai restrânsă a microhabitatelor lor cauzată de agenți extracelulari netoxici specifici.

3.3 polizaharide extracelulare

gama de activități biologice discutate mai sus sugerează că expresia compușilor extracelulari bacterieni permite producătorului să concureze cu succes cu alte organisme. Cu toate acestea, bacteriile pot produce și compuși care ajută la supraviețuirea altor organisme marine. De exemplu, producția de exopolizaharide (EPS) a fost demonstrată pentru a spori șansele ca alte organisme să supraviețuiască în habitate marine specifice. În ciuda acestui fapt, efectele EPS au fost examinate în detaliu doar în câteva cazuri.

EPS care produc tulpini bacteriene sunt comune în genurile Pseudoalteromonas și Alteromonas. Interesant, Alteromonas sp. tulpina HYD-1545, izolată de viermii tubulari, produce un EPS care conține zaharuri acide care s-au dovedit a avea proprietăți de legare a metalelor grele. Se sugerează că bacteria este importantă pentru supraviețuirea organismului gazdă care trăiește într-un mediu în care expunerea la substanțe chimice (de exemplu, sulfuri metalice) este ridicată .

alte efecte benefice ale producției de EPS de către bacterii asupra organismelor au fost demonstrate pentru așezarea larvelor nevertebrate . De exemplu, Pseudoalteromonas sp. tulpina S9 produce un EPS atât în cultura lichidă, cât și pe suprafețe în timpul fazei staționare de creștere . Tipul sălbatic și un mutant generat de transpozon deficitar în eliberarea EPS au fost testate împotriva așezării larvelor tunicate și s-a demonstrat că tipul sălbatic a dus la un grad mai mare de așezare larvară și metamorfoză și dezvoltare ulterioară în comparație cu tulpina mutantă.

rolul producției EPS de către Pseudoalteromonas sp. tulpina S9 în procesul de atașare a celulelor bacteriene a fost studiată în detaliu . Wrangstadh și colab. a demonstrat că o creștere a producției de EPS în timpul condițiilor de înfometare s-a corelat cu o scădere atât a hidrofobicității suprafeței celulare, cât și a aderenței celulelor la suprafețe neînsuflețite. Creșterea cantității de EPS la suprafața celulei bacteriene s-a corelat în continuare cu o creștere a detașării celulare . Aceste răspunsuri au fost declanșate de foame și au fost postulate pentru a ajuta celulele să scape de mediile epuizate de nutrienți. După detașare, celulele bacteriene cu viață liberă pot ‘căuta’ alte suprafețe de colonizat care pot oferi condiții mai potrivite pentru proliferarea lor.

se pare că EPSS bacterian poate servi ca componente antibacteriene , poate controla atașamentul bacterian și poate beneficia de supraviețuirea atât a gazdei, cât și a altor organisme care trăiesc în vecinătatea tulpinii producătoare . În plus, EPSs poate acționa ca bariere de protecție împotriva antibioticelor , împotriva prădării de către protozoare, funcționează ca stimulatori pentru absorbția nutrienților și reduce difuzia unor substanțe către și din celule . Multe specii de Pseudoalteromonas folosesc producția de EPS și este probabil ca această caracteristică să ofere o serie de strategii de supraviețuire pentru celule.

3.4 activități biologice exprimate de P. tunicata

o bacterie bine studiată din genul Pseudoalteromonas este P. tunicata (denumită anterior D2). Această tulpină a fost izolată în apele de coastă ale Suediei de la suprafața unui tunicat adult colectat la o adâncime de 10 m . Studiile ulterioare au demonstrat că tulpinile asemănătoare P. tunicata există pe alga verde Ulva lactuca în apele australiene . P. tunicata este o bacterie pigmentată de culoare verde închis și s-a constatat că produce cel puțin cinci compuși extracelulari care inhibă alte organisme să se stabilească într-o comunitate de biofouling (Fig. 2). Compușii inhibă așezarea larvelor nevertebrate și a sporilor de alge, creșterea bacteriilor și ciupercilor și colonizarea suprafeței prin diatome . Componenta Anti-larvară este o moleculă polară stabilă la căldură cu o dimensiune mai mică de 500 Da . Molecula antibacteriană este o nouă proteină mare (190 kDa) care constă din cel puțin două subunități (80 și 60 kDa în dimensiune). Proteina inhibă creșterea majorității bacteriilor Gram-negative și Gram-pozitive izolate atât din mediul marin, cât și din cel terestru . Celulele P. tunicata exprimă, de asemenea, auto-inhibiție, iar celulele din faza exponențială de creștere sunt sensibile la această proteină. Cu toate acestea, pe măsură ce celulele ajung la faza staționară, care este starea fiziologică în care este produsă proteina, ele devin rezistente. Rolul ecologic al acestei proteine antibacteriene în colonizarea suprafețelor P. tunicata este în prezent studiat folosind tulpini mutate în genele subunității. Componenta anti-spori este o peptidă de aproximativ 3 kDa în dimensiune . Studii recente indică faptul că molecula anti-fungică poate fi un derivat de acid gras cu lanț lung legat de celule (date nepublicate). Compusul anti-diatom nu a fost încă caracterizat.

caracteristicile unice ale P. tunicata se referă la diversitatea compușilor antivegetativi și inhibitori care sunt produși și la faptul că s-a demonstrat că fiecare metabolit vizează grupuri specifice de organisme (Fig. 2). Acest fenomen nu a fost raportat pentru alte bacterii și poate sugera că bacteriile care prezintă astfel de caracteristici nu sunt comune în mediul marin, deși P. tulpinile tunicata au fost izolate de pe suprafețele organismelor superioare din ambele ape ale coastei de Vest suedeze și din jurul Sydney. Cu toate acestea, numărul redus de rapoarte privind astfel de bacterii și caracteristici poate reflecta faptul că, în general, laboratoarele nu au acces la bioteste cu gamă largă.

4 controlul biologic și utilizarea comercială a speciilor Pseudoalteromonas

Biocontrolul se bazează pe interacțiuni antagoniste între microorganisme și între bacterii și organisme superioare. Modul de acțiune poate fi netoxic și specific, așa cum este afișat de bacteriile biofilmelor care resping macroorganismele murdare. Cu toate acestea, mai des, biocontrolul microbian se bazează pe toxicitate, așa cum se întâmplă în general în cazul controlului organismelor cauzatoare de boli microbiene. Având în vedere că speciile de Pseudoalteromonas exprimă o gamă largă de activități biologice, s-a propus ca acest gen să includă tulpini valoroase de biocontrol pentru utilizare în acvacultură, tehnologii antivegetative și controlul florilor toxice de alge. Într-adevăr, aceste propuneri au fost explorate în unele programe de cercetare. Autorii acestui minireview au dezvoltat o metodă de imobilizare a celulelor P. tunicata în geluri de poliacrilamidă și geluri de polivinilalcool . Metoda a fost utilizată pentru a menține celulele prinse și vii într-un strat de suprafață cu matrice de gel, care a permis un flux de componente anti-murdărire. Celulele imobilizate viabile au fost demonstrate după mai mult de 2 luni în apele marine din laborator . Un astfel de concept de vopsea vie poate oferi o nouă alternativă ecologică față de actualii anti-foulanți toxici marini.

metodele utilizate pentru reducerea numărului de microorganisme patogene atunci când se cultivă pești, abalone, stridii și alte organisme includ filtrarea apei, ozonarea, expunerea la lumina ultravioletă și utilizarea alimentelor artificiale care conțin antibiotice. Cu toate acestea, niciuna dintre aceste metode nu s-a dovedit eficientă în controlul bolilor microbiene și există o nevoie evidentă de a introduce metode alternative. Maeda și colab. a investigat utilizarea unei tulpini Pseudoalteromonas undina producătoare de antimicrobiene ca agent de biocontrol și a demonstrat că acest organism reprimă cu succes creșterea bacteriilor și virusurilor dăunătoare și îmbunătățește creșterea peștilor și crustaceelor de crescătorie. Mai mult, capacitatea multor specii de Pseudoalteromonas de a degrada polimerii și de a se atașa de suprafețe a fost aplicată în degradarea frunzelor de Ulva liofilizate pentru o dietă de incubator a larvelor Artemia nauplii . S-a demonstrat că adăugarea de Pseudoalteromonas espejiana la frunze a sporit conversia lor în forme asemănătoare microalgelor. Aceste particule conțineau, de asemenea, dublul cantității de proteine, ca urmare a biofilmului bacterian, în comparație cu particulele care au fost tratate în condiții sterile . Această tehnologie poate fi aplicabilă în alte procese de generare a hranei pentru animale.

5 Controlul murdăririi de către speciile Pseudoalteromonas în mediul marin

ca răspuns la diverși metaboliți sau alți stimuli de mediu, celulele bacteriene pot produce compuși chimici de care tulpina producătoare și/sau organismul gazdă beneficiază în stabilirea lor în habitate marine adecvate. Exemplele includ în cazul în care organismele gazdă pot folosi compuși produși bacterial pentru propria lor Apărare Chimică împotriva organismelor murdăritoare, ca și pentru algele verzi Ulva lactuca și Enteromorpha intestinalis și tunicate ciona intestinalis. Se știe că aceste organisme nu produc metaboliți secundari pentru protecția lor împotriva murdăririi, dar s-a raportat că poartă antivegetative producând specii de Pseudoalteromonas . Presupunem că succesul lor în a rămâne neîntemeiat pe teren se datorează bacteriilor antivegetative asociate.

mulțumiri

cercetarea în laboratorul autorului a fost finanțată de Australian Research Council, o bursă de cercetare post-doctorală a Vice-cancelarului de la Universitatea din New South Wales la C. H. și de Centrul pentru Biofouling marin și Bio-Inovare la UNSW. Dorim să le mulțumim lui Sally James, Suhelen Egan, Ashley Franks, Torsten Thomas și Harriet Baillie pentru asistență și discuții valoroase.