Estructura y Fisiología de Biofilms Microbianos

Resumen

Nuestras investigaciones abordan un tema de gran relevancia para el ámbito de Salud Pública, particularmente en lo concerniente a enfermedades infecciosas, como es la formación de biofilms por bacterias patógenas. Los biofilms son comunidades multicelulares estructuralmente complejas que las bacterias forman de manera ubicua sobre superficies a partir de una matriz extracelular (MEC) que ellas mismas producen. Muy frecuentemente, ciertas subpoblaciones de bacterias que residen en los biofilms son capaces de tolerar y sobrevivir a los tratamientos antibióticos, lo cual permite el posterior resurgimiento de la comunidad bacteriana. Como consecuencia, la formación de biofilms promueve la persistencia de muchas infecciones bacterianas, comprometiendo seriamente las posibilidades de curación.

Empleando la bacteria Gram negativa Escherichia coli como organismo modelo, nuestro grupo se propone comprender cómo distintas subpoblaciones celulares se diferencian fisiológicamente dentro de la compleja estructura de los biofilms y cómo esta heterogeneidad fisiológica influye en la generación patrones diferenciales de tolerancia antibiótica. La comprensión de estos aspectos es crucial para el diseño de estrategias terapéuticas más eficaces, capaces de eliminar a todas las subpoblaciones celulares que coexisten dentro de los biofilms. En consonancia con esto, nuestro grupo también está interesado en descubrir compuestos que inhiban la formación de biofilms de E. coli, incluyendo cepas patogénica, y en caracterizar los mecanismos moleculares que subyacen su acción.

Nuestros estudios involucran la aplicación de enfoques que combinan técnicas de microbiología, genética, biología molecular y, fundamentalmente, técnicas de microscopía. En especial, pretendemos aprovechar avances recientes respecto al uso combinado de técnicas de crioseccionamiento de biofilms con microscopía de fluorescencia y electrónica para examinar los biofilms en super alta resolución.

Líneas de Investigación

Los biofilms bacterianos comúnmente adoptan formas estructurales muy complejas, cuya formación depende esencialmente de la producción una matriz extracelular (MEC), la cual promueve la cohesión entre las células y forma el “esqueleto” macromolecular que da sostén y estabilidad a las estructuras. En biofilms de E. coli, nuestro organismo modelo, esta función arquitectónica es desempeñada fundamentalmente por dos componentes de MEC mayoritarios: el amiloide curli y el exopolisacárido fosfoetanolamina (fEtN)-celulosa. Ambos componentes constituyen fibras, aunque sus propiedades estructurales y mecánicas son diferentes y complementarias entre sí.

 

Una consecuencia intrínseca de la complejidad estructural de los biofilms es la generación de entornos internos muy heterogéneos definidos por gradientes de nutrientes, productos metabólicos y compuestos de señalización. Aquí, las células bacterianas adaptan su fisiología a las condiciones de su encorno, lo que conlleva a la estratificación de los biofilms en regiones con características fisiológicas muy distintas. Nosotros trabajos sugieren que esta estratificación fisiológica no sólo representaría una “división de tareas” dónde subpoblaciones celulares se especializan localmente en la realización de tareas específicas, como, por ejemplo, la producción de MEC, sino que también dotaría a las subpoblaciones celulares de diferentes capacidades para afrontar situaciones de estrés, como son los tratamientos antibióticos. Nuestro grupo está interesado en caracterizar esta estratificación fisiológica en biofilms de cepas comensales y patógenas de E. coli y en comprender cómo esta heterogeneidad fisiológica influye en la posibilidades de sobrevida de las bacterias a los tratamientos antibióticos en función de su ubicación dentro de los biofilms. En particular, nos proponemos esclarecer cómo la heterogeneidad en la producción de componentes de MEC (amiloide curli y fEtN-celulosa), en las respuestas celulares contra estrés y en el metabolismo entre subpoblaciones bacterianas influye en la tolerancia antibiótico en biofilms de E. coli. El conocimiento de estos aspectos es crucial para el diseño de terapias que puede eliminar a todas las subpoblaciones celulares que coexisten en estas comunidades, independientemente de su estado fisiológico y de su localización espacial.

 

Atentos a la necesidad de alternativas terapéuticas para procesos infecciosos que involucran la formación de biofilms, estamos también interesados en descubrir compuestos anti-biofilms y caracterizar los mecanismos moleculares que subyacen su acción. En particular, buscamos compuestos que puedan interferir en la producción del amiloide curli y de fEtN-celulosa, los elementos estructurales mayoritarios en biofilms de E. coli. Como plataforma experimental para la búsqueda de inhibidores nos concentramos en explorar interacciones microbianas en biofilms. Mientras que las interacciones antagónicas entre microorganismos han sido intensamente explotadas en la búsqueda de antibióticos, es decir, compuestos capaces de directamente matar o inhibir el crecimiento bacteriano, el potencial de estas interacciones como fuentes de compuestos capaces de modular o interferir otros comportamientos bacterianos, como es la formación de biofilms, ha permanecido prácticamente inexplorado. El uso de compuestos anti-biofilms para el tratamiento de infecciones asociadas a biofilms es crucial, ya que los mismos pueden aumentar considerablemente la eficacia de los antibióticos en terapias combinadas o facilitar la erradicación de la infección por el propio sistema inmunológico del hospedador.

Publicaciones Seleccionadas

- Serra D.O. and Hengge R. (2019) A c-di-GMP-based switch controls local heterogeneity of extracellular matrix synthesis which is crucial for integrity and morphogenesis of Escherichia coli macrocolony biofilms. J Mol Biol. 431(23):4775-4793. doi: 10.1016/j.jmb.2019.04.001

- Klauck G., Serra D.O., Possling A. and Hengge R. (2018) Spatial organisation of different sigma factor activities and c-di-GMP signalling within the 3D landscape of a bacterial biofilm. Open Biology. 8: 180066. http://dx.doi.org/10.1098/rsob.180066

- Thongsomboon W., Serra D.O., Possling A., Hadjineophytou C., Hengge R. and Cegelski L. (2018) Phosphoethanolamine cellulose: a naturally produced chemically modified cellulose. Science. 359, 334-338. doi: 10.1126/science.aao4096

This article was highlighted in:

1) Science|Perspectives Vol. 359, Issue 6373, pp. 276-277 doi: 10.1126/science.aar5253

(http://science.sciencemag.org/content/359/6373/276)

2) Nature |Research highlights (https://www.nature.com/articles/d41586-018-00977-8)

3) Nat Rev Microbiol. 2018;16(3):123. doi: 10.1038/nrmicro.2018.22.

(https://www.nature.com/articles/nrmicro.2018.22)

- Serra D.O., Mika F., Richter A. and Hengge R. (2016) The green tea polyphenol EGCG inhibits Escherichia coli biofilm formation by impairing amyloid curli fibre assembly and down-regulating the biofilm regulator CsgD via the σE-dependent sRNA RybB. Mol Microbiol. 101(1):136–151. doi: 10.1111/mmi.13379

Article selected for the cover of issue I (Vol 101, Number 1, Jul 2016) of Mol Microbiol.

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/mmi.13187/full

- Serra D.O.*, Klauck G.* and Hengge R. (2015) Vertical stratification of matrix production is essential for physical integrity and architecture of macrocolony biofilms of Escherichia coli. Environ Microbiol. 17(12):5073-88. doi: 10.1111/1462-2920.12991

* both authors contributed equally to this work

- Serra D.O. and Hengge R. (2014) Stress responses go 3D – the spatial order of physiological differentiation in bacterial macrocolony biofilms. Environ. Microbiol. 16(6):1455-71. Review.

Article selected for the cover of issue 6 (Vol16) of Environ. Microbiol.

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/emi.2014.16.issue-6/issuetoc

- Serra D.O.*, Richter A.M.* and Hengge R. (2013) Cellulose as an architectural element in spatially structured Escherichia coli biofilms. J. Bacteriol. 195(24):5540-54. doi: 10.1128/JB.00946-13

* both authors contributed equally to this work

Article selected for the cover of issue 24 (Vol 195) of J. Bacteriol.

http://jb.asm.org/content/195/24.cover-expansion

- Serra D.O., Richter A.M., Klauck G., Mika F. and Hengge R. (2013) Microanatomy at cellular resolution and spatial order of physiological differentiation in a bacterial biofilm. mBio 4(2):e00103-13. doi:10.1128/mBio.00103-13. doi:10.1128/mBio.00103-13

Article highlighted in Nature Reviews Microbiology (2013) 11, 300–301

http://www.nature.com/nrmicro/journal/v11/n5/full/nrmicro3024.html

Colaboradores

Fernando Soncini (IBR-CONICET, Rosario, ARG)

Natalia Gottig (IBR-CONICET, Rosario, ARG)

Regine Hengge (Humboldt University, Berlin, GER)

Cécile Bidan (Max Planck Institute of Colloids and Interfaces, Golm, GER)

Natalia Tschowri (Humboldt University, Berlin, GER)

Lars Dietrich (Columbia University, New York, US)

Subsidios

Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (ANPCyT)

Alexander von Humboldt Foundation (AvH, GER)

Director

Array ( [37073] => Array ( [width] => 290 [height] => 145 [file] => 2019/07/Foto-DO-Serra.jpg [sizes] => Array ( [thumbnail] => Array ( [file] => Foto-DO-Serra-290x145.jpg [width] => 290 [height] => 145 [mime-type] => image/jpeg ) [medium] => Array ( [file] => Foto-DO-Serra-256x300.jpg [width] => 256 [height] => 300 [mime-type] => image/jpeg ) [medium_large] => Array ( [file] => Foto-DO-Serra-768x901.jpg [width] => 768 [height] => 901 [mime-type] => image/jpeg ) [large] => Array ( [file] => Foto-DO-Serra-873x1024.jpg [width] => 873 [height] => 1024 [mime-type] => image/jpeg ) ) [image_meta] => Array ( [aperture] => 5.6 [credit] => [camera] => NIKON D3100 [caption] => [created_timestamp] => 1417976981 [copyright] => [focal_length] => 55 [iso] => 2200 [shutter_speed] => 0.016666666666667 [title] => [orientation] => 1 [keywords] => Array ( ) ) [ID] => 37073 [name] => Foto-DO-Serra.jpg [path] => /home/ibrconi/public_html/wp-content/uploads/2019/07/Foto-DO-Serra.jpg [url] => http://www.ibr-conicet.gov.ar/wp-content/uploads/2019/07/Foto-DO-Serra-290x145.jpg [full_url] => http://www.ibr-conicet.gov.ar/wp-content/uploads/2019/07/Foto-DO-Serra.jpg [title] => Foto DO Serra [caption] => [description] => [alt] => [srcset] => ) )
http://www.ibr-conicet.gov.ar/wp-content/uploads/2019/07/Foto-DO-Serra.jpg
http://www.ibr-conicet.gov.ar/wp-content/uploads/2019/07/Foto-DO-Serra-150x150.jpg

Serra, Diego
Sede CCT
Email: dserra@ibr-conicet.gov.ar
Tel: +54-341-4237070 int 658
Oficina Int: 28
Laboratorio Int: 6

Becarios Doctorales

Pablo Leiva

Agustina Sambrailo

Imágenes