Publicação
Insights on contact-dependent communication in bacteria
| datacite.subject.fos | Departamento de Biologia Vegetal | pt_PT |
| dc.contributor.advisor | Dionísio, Francisco, 1971- | |
| dc.contributor.advisor | Zilhão, Rita, 1959- | |
| dc.contributor.author | Carvalho, André Filipe Paulino | |
| dc.date.accessioned | 2016-02-11T15:39:19Z | |
| dc.date.available | 2018-12-29T01:30:10Z | |
| dc.date.issued | 2015 | |
| dc.date.submitted | 2015 | |
| dc.description | Tese de mestrado, Biologia Molecular e Genética, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015 | pt_PT |
| dc.description.abstract | Competition is a ubiquitous process in evolution. In the bacterial world many examples exist of mechanisms used by bacteria to outcompete other bacteria. Some of these mechanisms are triggered by complex intercellular communication. Quorum sensing signaling is the most well-known example of such communication. However, while quorum sensing is based on production, dissemination and detection of diffusible molecules, other communication mechanisms rely on direct cellular contact such as the contact-dependent growth inhibition mechanism in Escherichia coli. Here we characterize a new high density-dependent growth advantage signaling: when sensing other cells at high densities, bacteria increase their growth rate. Moreover we show that this new communication mechanism also occurs between different species of Enterobacteriaceae such as Escherichia coli and Salmonella enterica but seems to be lacking in the firmicute Staphylococcus aureus. After testing the supernatant of high-density grown cultures for any diffusible signal molecules that could be responsible for such communication, we concluded that the phenomenon of high density-dependent growth advantage only occurred when the focal cells were in contact with the high density competitor cells. For depending on cellular contact we call this new bacterial growth promotion mechanism, the contact-dependent growth advantage. After analyzing the growth of 56 E. coli mutants for genes encoding outer membrane proteins we found a mutant for the bacterial cellulose synthesis gene, bcsC that did not display such advantage. Although the successful complementation of bcsC, there was no contact-dependent growth advantage phenotype rescue. However, pqqL, a gene playing a putative role in iron uptake, is a good candidate to understand this mechanism, indicating a putative link between iron uptake and the contact-dependent communication system here described. In fact, further investigation on this topic would be important in the clinical context since the molecular regulation of such mechanism could be the key to modulate some bacterial infection processes. | pt_PT |
| dc.description.abstract | Durante muito tempo as bactérias foram estudadas sob a premissa de responder aos estímulos externos de forma individual. Aspectos como virulência e resistência a antibióticos, tão importantes no contexto clínico, foram muitos anos investigados sem ter em conta qualquer tipo de comunicação mais complexa que pudesse existir no mundo microbiano. Contudo, descobriu-se mais tarde que as bactérias comunicam através de uma “linguagem própria”, à qual foi dada o nome de quorum sensing. Esta comunicação, baseada na produção e difusão de moléculas sinalizadoras, permite que as células bacterianas infiram a densidade celular no meio que as rodeia. Com essa informação são capazes de alterar a sua expressão génica dando origem a comportamentos ao nível de grupo, só assim sendo possível dar uma resposta adequada a certos estímulos ambientais. Existem, contudo, outros mecanismos responsáveis pela comunicação entre bactérias que dependem do contacto directo entre células. Um dos casos mais conhecidos é o da espécie bacteriana Gram negativa Myxococcus xanthus que, através do contacto directo célula a célula, dá início a um processo complexo de desenvolvimento que leva à agregação celular e subsequente estrutura multicelular. Deste modo M. xanthus é capaz de dar resposta a estímulos como escassez de nutrientes e simultaneamente eliminar competição directa, sendo capaz de predar outras bactérias. Recentemente um novo tipo de mecanismo envolvendo contacto celular foi descrito em Bacillus subtilis. Este novo mecanismo é baseado na existência de nanotubos que permitem a troca intercelular de metabolitos, ácidos nucleicos e outras substâncias importantes para a célula. Por sua vez em 2005 Aoki et al. descobriram um novo tipo de competição entre bactérias mediado pelo contacto: através da interacção entre proteínas da membrana externa, E. coli é capaz de produzir e transferir uma toxina para o citoplasma das células competidoras. Essas toxinas vão então interromper a produção de ATP, o que leva à inibição do crescimento das células alvo. Com a existência destes exemplos de comunicação e interacção celular por contacto directo o paradigma da comunicação bacteriana começa a ser visto com mais interesse científico. Num estudo anterior, Nunes (2012) verificou a existência de um mecanismo desconhecido, dependente de alta densidade celular, que confere a E. coli uma maior vantagem adaptativa (fitness) em fases iniciais do crescimento. Nesse estudo foi também sugerido que esse mecanismo dependia do contacto célula a célula sem, no entanto, identificar os genes envolvidos neste tipo de comunicação bacteriana. Como tal, o objectivo desta tese passa por melhor caracterizar este novo tipo de comunicação intercelular, confirmando a necessidade de contacto celular e explorando o mecanismo molecular envolvido. Usando E. coli como organismo modelo, os nossos resultados mostram que uma população constituída por um número muito baixo de bactérias cresce mais depressa quando em competição com outra população em alta densidade. Adicionalmente também mostramos que este tipo de comunicação não só ocorre entre células de E. coli, mas também entre S. enterica e E. coli. Contudo o mesmo não acontece entre S. aureus e E. coli nem entre S. aureus e S. aureus. Posteriormente, confirmámos que a vantagem no crescimento não só depende de alta densidade celular, como também da dependência do contacto celular uma vez que não há influência do autoindutor responsável pelo quorum sensing entre diferentes espécies de Gram-negativas, isto é, o AI-2. Excluímos também a hipótese de existirem outros metabolitos ou moléculas sinalizadoras excretados pela população em alta densidade que pudessem ter efeito na vantagem no crescimento. Para estudar o mecanismo de sinalização subjacente à necessidade do contacto celular recorremos a uma lista de 56 mutantes de genes codificantes de proteínas da membrana externa de E.coli e testámos para cada mutante o comportamento relativamente à vantagem no crescimento que aqui reportamos. Para tal, avaliámos o crescimento, em simultâneo, de cada mutante com uma estirpe selvagem, em baixa e alta densidade com o objectivo de identificar os mutantes que apresentavam um menor fitness relativa em alta densidade. De entre os 56 mutantes testados, os mutantes para os genes bcsC, pqqL e yncD são os que apresentam essa característica. De facto, os mutantes ΔbcsC e ΔpqqL não apresentam qualquer vantagem significativa no crescimento quando em contacto com uma população em alta densidade celular. O mesmo não se passou com o mutante ΔyncD que se comportou da mesma maneira que a estirpe selvagem. O gene bcsC codifica uma proteína da membrana externa envolvida na exportação de celulose, um polissacárido envolvido na formação de biofilmes. Como tal, estando a produção de celulose associada a um maior número de contactos celulares, o produto do gene bcsC poderia ser responsável pela sinalização envolvida no fenómeno da vantagem no crescimento dependente do contacto. No entanto, de acordo com a literatura, a estirpe laboratorial E.coli K12 não sintetiza celulose o que nos levou a colocar a hipótese de que a proteína BcsC pudesse ter uma outra função. Contudo após termos procedido à complementação do gene bcsC na estirpe mutante, o fenótipo de vantagem no crescimento dependente do contacto não foi resgatado. Adicionalmente, a delecção do mesmo gene num background diferente da E.coli K12 também não teve influência nesse fenótipo. Por sua vez o gene pqqL codifica uma peptidase com função desconhecida. Alguns estudos mostram no entanto que este gene poderá fazer parte de um novo mecanismo envolvido na captação de ferro sendo um dos genes cuja expressão é aumentada em condições limitantes deste metal, necessário para o crescimento bacteriano. De facto, a captação de ferro é um dos mecanismos mais activados durante a fase lag bacteriana o que pode explicar o fenómeno de vantagem no crescimento aqui descrito: quando em baixa densidade as bactérias teriam uma expressão basal de genes envolvidos na captação de ferro tendo por isso uma determinada fase lag. No entanto, em alta densidade, devido ao contacto entre células, um mecanismo de sinalização seria accionado de modo a aumentar a expressão génica de genes envolvidos na regulação do ferro, o que poderia dar origem a uma fase lag mais curta. Deste modo, uma população em baixa densidade atingiria mais cedo o crescimento exponencial numa situação onde a competição por nutrientes é alta o que lhe conferiria uma grande vantagem evolutiva. Até à data de conclusão desta dissertação, não foi possível testar a hipótese supramencionada. Em estudos posteriores pretendemos comprovar o papel do gene pqqL neste novo tipo de comunicação em E. coli dependente do contacto através do restauro do gene no respectivo mutante e subsequente resgate do fenótipo. Ensaios com outros genes envolvidos na captação do ferro e a análise da variação da expressão génica desses genes em função de diferentes densidades celulares, seriam também importantes para conhecer melhor este novo mecanismo de comunicação. Tal conhecimento poderá vir a tornar-se relevante no contexto clínico trazendo novas alternativas à modulação de diversos processos de infecção bacteriana por parte de estirpes patogénicas. | pt_PT |
| dc.identifier.tid | 201386666 | pt_PT |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10451/22651 | |
| dc.language.iso | eng | pt_PT |
| dc.subject | Competição | pt_PT |
| dc.subject | Comunicação | pt_PT |
| dc.subject | Vantagem adaptativa | pt_PT |
| dc.subject | Crescimento bacteriano | pt_PT |
| dc.subject | Teses de mestrado - 2015 | pt_PT |
| dc.title | Insights on contact-dependent communication in bacteria | pt_PT |
| dc.type | master thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| rcaap.rights | openAccess | pt_PT |
| rcaap.type | masterThesis | pt_PT |
| thesis.degree.name | Tese de mestrado em Biologia Molecular e Genética | pt_PT |