Detecció i caracterització de les AHLs en el sobrenedant de diferents soques

Durant dècades s’havia considerat que els bacteris eren organismes simples basats en dos conceptes erronis, subestimar-los degut a la grandària i a l’aparent absència de sistemes de comunicació. El terme de “comunicació” s’havia associat en gran part al regne animal, capaços de transmetre missatges utilitzant el llenguatge verbal o corporal. No obstant, en l’actualitat és obvi que els bacteris ja havien desenvolupat la capacitat de transferir missatges sense necessitat d’emprar el so o el moviment. Inequívocament, la química es pot considerar el llenguatge cel·lular més universal que opera en tots els organismes vius, incloent els bacteris. Els bacteris poden produir i detectar una gran varietat de missatges que permeten a les cèl·lules de forma individual sentir i reaccionar en un entorn en constant canvi. Els bacteris mitjançant la comunicació cel·lular a través de senyals químics, són capaços de determinar la densitat de població i la diversitat, dos factors ecològics crucials per a la supervivència.

Molts bacteris gram negatius, inclosos els patògens, detecten la població existent i controlen l’expressió d’un elevat nombre de fenotips a partir dels components de QS de la família LuxI/R mitjançant la producció i resposta a la molècula AI del tipus AHL (Boyer & Wisniewski-Dye, 2009). Malgrat l’existència de nombrosos estudis realitzats en aquest camp en altres bacteris patògens amb els quals S. maltophilia coinfecta o són filogenèticament propers, limitats estudis s’han realitzat per tal d’esbrinar l’existència d’un possible mecanisme de comunicació regulat per les AHLs en S. maltophilia sinó que tots els estudis s’han focalitzat en el sistema de QS mediat pel DSF. Probablement degut al fet que es reconeixen fàcilment en el genoma tots els gens d’aquest sistema.

No s’ha informat que S. maltophilia disposi d’un sistema de QS regulat per les molècules senyal del tipus AHLs, degut que el seu genoma no codifica per una proteïna de la família del tipus LuxI o sintasa tot i que sí presenta una proteïna del tipus LuxR amb domini d’unió a AHLs (Crossman, et al., 2008). L’ús de biosensors d’AHLs és una eina molt útil per l’estudi de sistemes de QS regulats per les AHLs en bacteris gram negatius. Estratègies com la PCR o la hibridació del DNA per a detectar sistemes de QS basats en la producció d’AHLs no es poden usar degut a la baixa similitud entre seqüències de nucleòtids entre els gens luxI i luxR homòlegs (Steindler & Venturi, 2007).

152

En el present estudi, hem investigat la presència d’un possible sistema de QS regulat per les molècules senyal del tipus AHL en les soques clíniques S. maltophilia E77 i M30 prèviament caracteritzades en el nostre laboratori per Ferrer-Navarro, et al., (2013) i en la soca clínica de referència K279a amb genoma seqüenciat (Crossman, et al., 2008).

Per tal de detectar si S. maltophilia produeix molècules senyal del tipus AHLs s’han escollit diferents soques biosensores, entre elles la soca ultrasensible d’A. tumefaciens KYC55, i s’han realitzat diferents tipus de bioassaigs que pretenen aportar més informació als pocs treballs realitzats fins a dia d’avui pel que fa a la detecció de molècules del tipus AHLs en aquesta espècie. Els únics treballs realitzats en aquest sentit, només s‘han basat en l’estudi d’extractes crus del sobrenedant a partir de bioassaigs en sembra en forma de “T” els quals no han induït sota les condicions emprades les soques biosensores C. violaceum CV026 i A. tumefaciens NT1 (pZLR4) (Schaefer, et al., 2000, Zhu, et al., 2001, Veselova, et al., 2003). Malgrat que aquestes soques detecten AHLs de cadena curta i llarga respectivament, fins a dia d’avui no s’han realitzar bioassaigs a partir d’extractes de sobrenedant concentrats per a la detecció d’AHLs en

S. maltophilia.

Els experts subratllen que amb un resultat negatiu en el bioassaig no es pot concloure rigorosament que la soca problema no sigui productora d’AHLs, degut que hi ha diversos motius a tenir en compte davant d’un resultat negatiu. Una de les raons podria ser que la soca a provar produeixi AHLs amb una nova estructura no detectada pel ventall de soques biosensores existents. Podria ser també que la soca produís baixes concentracions d’AHLs, les quals estiguessin per sota del llindar de detecció de les soques biosensores. És molt important remarcar que el sistema de QS s’activa en diferents condicions ambientals que potser no es poden reproduir al laboratori, per tant, és probable que succeeixin falsos negatius quan s’utilitzen bacteris biosensors en segons quines condicions s’estudiï la producció d’AHLs. Altres factors importants a tenir en compte a l’hora de preservar la integritat de la molècula, és per exemple controlar el pH del cultiu, degut que les AHLs s’hidrolitzen en condicions bàsiques com ja hem comentat anteriorment. Un altre aspecte important és la difusió de les AHLs en funció de la permeabilitat de la membrana, la qual cosa pot afectar en la purificació i detecció d’aquestes (Steindler & Venturi, 2007).

En aquest treball hem detectat les AHLs produïdes en S. maltophilia E77 mitjançant els assaigs realitzats amb la soca biosensora d’ A. tumefaciens KYC55 mentre que la soca

153 proteïna LuxR de V. fischeri no han servit per a detectar les AHLs presents en el sobrenedant de diferents soques clíniques de S. maltophilia. Així doncs, basant-nos amb els resultats obtinguts amb les tres soques biosensores i en la bibliografia, els resultats en aquest treball ens suggereixen que probablement S. maltophilia produeix AHLs només de cadena llarga i a baixa concentració en les condicions estudiades en el laboratori, degut que només amb la soca biosensora ultrasensible A. tumefaciens KYC55 hem pogut caracteritzar les AHLs a partir de sobrenedants concentrats. En tot cas, la producció d’AHLs sembla ser estesa entre les soques de S. maltophilia ja que s’han detectat AHLs en diferents soques clíniques de diferents procedències.

Inicialment, les primeres proves realitzades en medi sòlid amb la soca biosensora

A. tumefaciens KYC55, van suggerir la presència d’AHLs ens els sobrenedants crus de S. maltophilia. Tal i com s’ha descrit, la metodologia que suposa la concentració del

sobrenedant és necessària per a una detecció més acurada de totes les AHLs produïdes per l’espècie a estudiar i posterior anàlisi per HPLC, CCP i MS. Els estudis realitzats mitjançant les cromatografies en HPLC i CCF en combinació amb els bioassaigs, han mostrat diferents fraccions positives amb diferents valors Rf que han permès predir la possible presència d’AHLs

diferents en el sobrenedant de les soques de S. maltophilia M30 i E77. Finalment s’ha usat l’espectrometria de masses, la qual és una tècnica indispensable en tots els treballs que pretenen caracteritzar i corroborar la presència de les molècules d’AHLs en els sobrenedants de les soques d’estudi. Malgrat que també s’han detectat les AHLs en les soques clíniques de S.

maltophilia M30 i K279a, la caracterització per MS només s’ha realitzat amb les fraccions

corresponents de la soca E77 degut que ha estat la soca clínica on s’ha detectat major senyal d’AHLs en les condicions estudiades. Aquest fet és repeteix a la bibliografia i es coneix que diferents soques d’una mateixa espècie, a vegades amb diferències entre soques clíniques o ambientals, produeixen diferents concentracions d’AHLs sota les mateixes condicions de cultiu (Lewenza, et al., 1999).

En les condicions emprades, l’assaig per MS ens ha permès detectar inequívocament les AHLs presents en les fraccions prèviament caracteritzades per bioassaigs, HPLC i CCF de la soca

S. maltophilia E77 a través de la comparativa amb les AHLs sintètiques. Aquesta metodologia

identifica l’estructura de forma inequívoca de les molècules del tipus AHLs gràcies a que aquestes estan compostes d’un anell invariable que no pot ser destruït en el procés de MS i que produeix un fragment de 102 m/z, el qual es correspon amb l’anell lactona. Així doncs, després de la caracterització preliminar de les fraccions del HPLC per CCF i bioassaig, s’ha

154

pogut caracteritzar la presència de tres molècules d’AHLs diferents a partir del fraccionament de l’ió corresponent a la massa/carrega per a cada molècula esperada en cada fracció. La divisió d’aquests ions ha originat el fraccionament de l’anell i de la cadena per cadascuna de les AHLs detectades corresponents a les molècules d’AHLs: C8oxo-HSL, C8-HSL i C10-HSL, senyal definitiu per a afirmar la presència d’AHLs en cada fracció.

Tanmateix no podem excloure la possibilitat que altres molècules d’AHLs siguin sintetitzades amb menor abundància per S. maltophilia o que no hagin estat detectades amb aquesta metodologia.

Malgrat que en les espècies de Xanthomonas sp. no s’ha detectat una sintasa del tipus LuxI en el genoma, en el treball realitzat per Cha, et al., (1998) es va detectar la presència d’AHLs en els sobrenedants concentrats de diferents especies de Xanthomonas sp. (entre elles

X. campestris i X. oryzae). A partir de la caracterització aproximada dels extractes de

sobrenedants totals separats per CCF, es van detectar la presència de com a mínim dos AHLs diferents en el sobrenedant d’aquest gènere, amb temps de retenció similars a les molècules C8oxo-HSL i C8-HSL emprant la soca biosensora A. tumefaciens NT1(pZLR4), la qual no és tan sensible com l’A. tumefaciens KYC55. El sistema de detecció d’AHLs basat en A. tumefaciens (PtraG::lacZ) es considera el més sensitiu i versàtil de tots (Zhai, et al., 2012).

L’ús de sobrenedants provinents de la soca de P. aeruginosa MPAO1, han servit com a control durant la caracterització de les AHLs en S. maltophilia. Els resultats obtinguts confirmen que els bioassaigs realitzats amb les diferents soques biosensores s’han realitzat correctament i que són eines robustes per a aquesta finalitat. Això ho podem confirmar gràcies a que la metodologia utilitzada per a la detecció d’AHLs en S. maltophilia, ha permès detectar en P. aeruginosa MPAO1 sis de les sis AHLs diferents descrites per aquesta espècie.

Degut a la presència d’AHLs en el sobrenedant de S. maltophilia, en aquest treball s’ha fet una cerca in silico en el genoma de S. maltophilia K279a per a buscar la sintasa responsable de la producció d’AHLs en aquesta espècie. La cerca s’ha realitzat a partir de seqüències motlles pertanyents a les tres famílies de sintases ja descrites. S’ha escollit com a sintasa hipotètica productora d’AHLs en S. maltophilia, una proteïna anotada com aciltransferasa codificada per l’ORF smlt4572, la qual ha presentat amb les eines bioinformàtiques emprades en aquest treball, els majors valors d’identitat amb la proteïna HdtS. Tot i que la caracterització a nivell de seqüència, dominis i motius, ens ha dut a delecionar l’ORF smlt4572, els resultats obtinguts no han validat que fos la sintasa responsable de la síntesi d’AHLs en S. maltophilia E77.

155 Propers estudis haurien de centrar-se en localitzar el gen responsable de la síntesi de les molècules d’AHLs en S. maltophilia a partir de la predicció bioinformàtica i posterior validació experimental ampliant la cerca in silico realitzada en aquest treball o mitjançant un procés de cribratge que permeti detectar directament els transformants en E. coli que contenen el gen de la sintasa de S. maltophilia. Actualment, es coneix que ja no tan sols els membres de la família LuxI i AinS/LuxM són els responsables de la síntesi d’AHLs sinó que altres membres de la família de les aciltransferasa ja s’ha demostrat que són capaces també de produir AHLs (Laue, et al., 2000, Rivas, et al., 2007).

5.2. Caracterització de la funcionalitat del domini d’unió a AHLs del