Estructura y Fisiología de Biofilms Microbianos
Resumen
Nuestro grupo estudia biofilms bacterianos de relevancia clínica. Los biofilms son comunidades que las bacterias forman sobre superficies a partir de una matriz extracelular (MEC) que ellas mismas producen. En biofilms, ciertas subpoblaciones de bacterias toleran y sobreviven a los tratamientos antibióticos, lo cual compromete seriamente las posibilidades de curación.
Empleando E. coli como organismo modelo y técnicas de microbiología, genética, biología molecular y microscopía, nuestro grupo se propone comprender cómo distintas subpoblaciones celulares se diferencian fisiológicamente dentro de los biofilms y cómo esto influye en la generación de patrones diferenciales de tolerancia antibiótica. La comprensión de estos aspectos es crucial para el diseño de tratamientos que eliminen a todas las subpoblaciones celulares que coexisten en los biofilms. En consonancia con esto, nuestro grupo también está abocado al descubrimiento de compuestos que inhiban la formación de biofilms de E. coli y caracterizar sus mecanismos moleculares de acción.
Líneas de Investigación
1.
Debido a su complejidad estructural, los biofilms exhiben microambientes internos muy heterogéneos definidos por gradientes de nutrientes y productos metabólicos. Allí, las bacterias adaptan su fisiología a las condiciones de su entorno, lo que conlleva a la estratificación de los biofilms en regiones con características fisiológicas muy distintas. Nuestros 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 matriz, sino que también dotaría a las subpoblaciones de diferentes capacidades para afrontar situaciones de estrés, como 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 las posibilidades de sobrevida de las bacterias a los antibióticos en función de su ubicación dentro de los biofilms. En particular, nos proponemos esclarecer cómo la heterogeneidad en la producción de componentes de matriz (amiloide curli y fEtN-celulosa), en las respuestas celulares al estrés y en el metabolismo entre subpoblaciones bacterianas influye en la tolerancia antibiótica en biofilms de E. coli. El conocimiento de estos aspectos es crucial para el diseño de terapias que puedan eliminar a todas las subpoblaciones celulares que coexisten en estas comunidades, independientemente de su estado fisiológico y localización espacial.
2.
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 de las fibras amiloides de curli y de fEtN-celulosa, los componentes de matriz mayoritarios y determinantes del desarrollo estructural de los 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 directamente de 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
- Bacterial multicellularity: the biology of Escherichia coli building large-scale biofilm communities. Review. Annu. Rev. Microbiol. 75:269-290. Serra D.O. and Hengge R. (2021). doi.org/10.1146/annurev-micro-031921-055801.
- 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. Serra D.O. and Hengge R. (2019). doi: 10.1016/j.jmb.2019.04.001
- Spatial organisation of different sigma factor activities and c-di-GMP signalling within the 3D landscape of a bacterial biofilm. Open Biology. 8: 180066. Klauck G., Serra D.O., Possling A. and Hengge R. (2018). doi.org/10.1098/rsob.180066
- Phosphoethanolamine cellulose: a naturally produced chemically modified cellulose. Science. 359, 334-338. Thongsomboon W., Serra D.O., Possling A., Hadjineophytou C., Hengge R. and Cegelski L. (2018). doi: 10.1126/science.aao4096
Article 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)
- 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. Serra D.O., Mika F., Richter A. and Hengge R. (2016). 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
- Vertical stratification of matrix production is essential for physical integrity and architecture of macrocolony biofilms of Escherichia coli. Environ Microbiol. 17(12):5073-88. Serra D.O.*, Klauck G.* and Hengge R. (2015). doi: 10.1111/1462-2920.12991
* both authors contributed equally to this work
- Stress responses go 3D – the spatial order of physiological differentiation in bacterial macrocolony biofilms. Environ. Microbiol. 16(6):1455-71. Review. Serra D.O. and Hengge R. (2014). doi: 10.1111/1462-2920.12483.
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
- Cellulose as an architectural element in spatially structured Escherichia coli biofilms. J. Bacteriol. 195(24):5540-54. Serra D.O.*, Richter A.M.* and Hengge R. (2013). 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
- 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. Serra D.O., Richter A.M., Klauck G., Mika F. and Hengge R. (2013). 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
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