Letna konferenca Katedre za Biotehnologijo POMEN BIOTEHNOLOGIJE IN MIKROBIOLOGIJE ZA PRIHODNOST: VODA 18-19.1.2007 Komunikacije med mikroorganizmi v vodnih okoljih Število objav na tem področju eksponentno narašča Katedra za mikrobiologijo, Oddelek za živilstvo, Biotehniška fakulteta ines.mandic@bf.uni-lj.si
Zakaj BAKTERIJE komunicirajo? Zaznavanje celične gostote zaznavanje kvoruma Zaznavanje medsebojne oddaljenosti: 5-70-140 μm Gantner et al., FEMS Microbiol. Ecol. 2006 Koordinacija adaptivnih odzivov 2
Biofilmi Simbioza Diferenciacija Sinteza antibiotikov encimov Koordinacija adaptivnih odzivov Polzenje Prenos DNA Virulenca Bioluminiscenca 3
Jezik mikrobnih komunikacij N-acetil homoserin laktoni Furanozil(borat)- ester Signal Pseudomonas clororaphis N-heksanoil-homoserin lakton Sprememba transkripcije genov Vibrio fisheri N-3-heksanoil homoserin lakton Pseudomonas aeruginosa N-3-oksodekanoil-homoserin lakton Sprememba obnašanja populacije Modificirani peptidi Staphylococcus aureus Butirolaktoni Salmonela typhirum Vibrio harveyi Streptomyces griseus 4
Komunikacijski mehanizmi Znotraj populacije G- bakterije G+ bakterije HSL Kratki peptidi P Histidin kinaza LuxI LuxR P Odzivni regulator propeptid Tarčni gen Tarčni gen 5
Komuniciranje z furanozil borat estri Med različnimi populacijami bakterij AI-2 Razgradnja S adenozil-metionina Številne bakterijske vrste imajo gen LuxS Globalna regulacija: E. coli 04 Pomen kontrolira biotehnologije izražanje in 5% genoma z AI-26 Miller in Bassler, 2001
Komunikacija med kraljestvi AHL vstopijo v evkariontsko celico in se vežejo na receptorje Vplivajo na izražanje genov Inhibicija proliferacije limfocitov, TNFα, IL-12. Aktivacija apoptoze, IL-8. Modulacija produkcije protiteles. Vazorelaksacija. 7 E.K. Shiner, 2005
Aplikativni aspekti raziskav bakterijskih komunikacij Novi terapevtiki Antagonisti razvoja biofilmov Manipulacija strukture mikrobne združbe 8
Zatiranje infekcij v akvakulturah Hitro rastoča panoga (gojene ribe, školjke, raki) v 30 letih 9.2% porast (FAO 2002). Izbruhi bakterijskih infekcij pogosti: Vibrio Aeromonas Yersinia Klasični antibiotiki - omejen uspeh, odpornost na antibiotike. Antagonisti indukcije virulence ( akvakultura) 9
Biofilmi v vodnih okoljih problem biološkega obraščanja Obraščanje ladij Vodovodne napaljeva Hladilni sistemi Filtri čiščenje onesnaženih voda z reverzno osmozo Shranjevanje pitne vode Elektronski mikrograf: biofilm bakterije Escherichia coli. Last B. Arbeille, Laboratoire de Biologie Cellulaire et Microscopie Mandič Mulec Electronique, Ines UFR Médecine, 04 Pomen Tours, biotehnologije France. in 10
Strategije manipuliranja komunikacije med bakterijami Utiševalci in pospeševalci A. Inhibicija biosinteze signalnih molekul z aplikacijo substratnih analogov B. Blokada prenosa signala z antagonisti zaznavanja kvoruma C. Kemična inaktivacija in biorazgradnja signalnih molekul D. Aplikacija agonistov komuniciranja pri nizki celični gostoti bakterij 11
Utiševalci komuniciranja inhibirajo razvoj biofilmov A B Delisea pulchra producira kemične spojine, ki motijo medcelično signaliziranje in s tem kolonizacijo površin producenta. Posnetek z elektronskim mikroskopom kaže bakterije na površini: A. Sargassum sp. - rjava alga, ki ne producira antagonistov medceličnega komuniciranja: B. Delisea pulchra - rdeča alga - producira Strukturna podobnost med AHL in furanonom 12 Povzeto po: http://www.hermonslade.org.au/projects/hsf_05_9/hsf_05_9.htm Defroidt, 2004
Utišnaje z biorazgradnjo signala Bakterije, glive alge Človeški serum Rastline: česen, začimbe... 13
Bacillus subtilis Komuniciranje s peptidi ComX ComQ pre-comx ComP HK domain ATP H D DNA P ComA 180 genov, 35 operonov Kompetenca EPS polzenje Antibiotik... comqxpa locus comq comx comp coma Enakost 30-60% > 82% Visoka varibailnost naravnih izolatov 4 komunikacijski razredi 14 Tortosa et al., J. Bacteriol, 2001
Biokemične značilnosti ComX signalnih molekul Perotip Sev Zaporedje Δ Mase 1 2 3 4 168 (A)DPITRQWGD 206 RO-C-2 TREWDG 206 RO-E-2 GIFWEQ 136 RS-B-1 (M)MDWHY 120 RO-H-1 (M)LDWKY 120 RO-B-2 (Y)TNGNWVPS 136 Δ Mass = obtained mass - calculated mass Ansaldi in sod. 2002; Okada in sod. 2007 15
Sociomikrobiologija na milimetrski skali Puščava - ZDA Pobrežje reke Save - Slovenija Plot 1: RO strains Plot 2: RS Strains 6m 5 km 0.5 cm 3 Sevi B. subtilis 16
Visoka stopnja polimorfizma gena comx na mm skali 100 IM-A-224 IM-D-215 40 50 97 57 80 DV3-D-2 RO-E-2 RO-PP-2 RO-A-4 DV3-A-1 100 56 isolate 2/3 isolate 2/5 NAF4 RO-F-3 4 5 naravnih izolatov iste vrste iz grudice tal v 3 komunikacijskih razredih. 3 98 RS-D-2 77 RS-A-2 95 99 58 RO-B-2 RO-OO-2 97 isolate 3-5 RO-DD-2 2 Komunikacija znotraj razreda med razredi včasih inhibicija RS-B-1 99 isolate 2-4 42 RO-H-1 0,1 98 99 RO-C-2 168 98 isolate 1-6 DV3-E-3 1 100 04 Pomen RO-FF-1 biotehnologije in ZAKAJ??? 17
Zaključek Komuniciranje v mikrobnem svetu dejstvo! Koncentracije signalnih molekul v naravi??? Biotehnološki potencial! Mlečno morje 18