La señalización bacteriana a través del biofilm afectado por la estructura de la superficie, muestra un estudio

De manera similar a cómo las células dentro de los tejidos humanos se comunican y funcionan juntas como un todo, las bacterias también pueden comunicarse entre sí a través de señales químicas, un comportamiento conocido como señalización de quórum (QS). Estas señales químicas se propagan a través de una biopelícula que forman las colonias de bacterias después de alcanzar una cierta densidad, y se utilizan para ayudar a las colonias a recolectar alimentos, así como a defenderse de amenazas, como los antibióticos.

«QS les ayuda a construir infraestructura a su alrededor, como una ciudad», describió Dharmesh Parmar, investigador postdoctoral en el laboratorio de Jonathan Sweedler (CABBI/BSD/MMG), presidente de James R. Eiszner Family Endowed en el departamento de química. «Las biopelículas tienen canales que permiten el paso de nutrientes e información en forma de señales químicas. También permiten la comunicación cruzada entre colonias si hay una amenaza o estrés en el medio ambiente».

La formación de biopelículas y la subsiguiente resistencia a los antibióticos pueden ser especialmente peligrosas para las personas con inmunidad debilitada o con enfermedades como la fibrosis quística (FQ), que conduce a una superficie de moco estancada dentro de los pulmones a la que las bacterias pueden adherirse más fácilmente. Para comprender mejor qué factores de superficie influyen o inhiben potencialmente la formación de biopelículas en presencia de antibióticos, investigadores del laboratorio Sweedler de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, junto con colaboradores de la Universidad de Notre Dame, midieron la tasa de formación de biopelículas a través de QS en una bacteria comúnmente adquirida en infecciones hospitalarias, Pseudomonas aeruginosa.

P. aeruginosa forma biopelículas rápidamente en una variedad de superficies, lo que acelera cuando las colonias comienzan a comunicarse mediante QS y dificulta el tratamiento con antibióticos. Además, P. aeruginosa puede variar en el grosor de la biopelícula que produce. La cepa «mucoide» produce una biopelícula más gruesa que la cepa no mucoide y, a menudo, está relacionada con infecciones en pacientes con FQ, una condición genética que aumenta la viscosidad y la acumulación de moco en los pulmones.

En el estudio, ambas cepas se cultivaron en superficies fabricadas que variaban en estructura, siendo una uniforme o «sin patrón» y la otra con «patrón» con bloques estriados. Luego, los investigadores midieron qué tan rápido las colonias podían comenzar a comunicarse con QS mientras crecían en presencia de antibióticos o no. QS se detectó mediante espectrometría de masas e imágenes Raman, que midieron la presencia de moléculas de señalización asociadas con el comportamiento.

Lo primero que notaron los investigadores fue que los antibióticos ralentizaron el crecimiento de una biopelícula y la producción de moléculas QS tanto en las cepas como en los tipos de estructuras. A continuación, los investigadores descubrieron que el tipo de superficie tenía un gran efecto en la cepa no mucoide, ya que la estructura modelada se asociaba con latencias más prolongadas antes de que la expresión de las moléculas QS alcanzara su punto máximo. Este no fue el caso de la cepa mucoide más espesa.

«Si bien el impacto del antibiótico que ralentiza el crecimiento de la biopelícula no nos sorprendió, el impacto grande y diferencial en la estructura de la superficie fue sorprendente», dijo Sweedler.

«En la cepa no mucoide, el patrón de la superficie tuvo un gran impacto en las propiedades de la señal QS», añadió Parmar. «En el caso de mucoide, la estructura de la superficie tuvo un impacto mínimo en sus firmas metabólicas».

Los investigadores también exploraron cómo la distribución de las moléculas de señalización de QS difería en diferentes partes de la biopelícula cuando se cultivaban en una superficie plana y se exponían a antibióticos. Se tomaron muestras del «biofilm estático», donde el biofilm se adhiere a la superficie, el «sobrenadante» o medio líquido del cultivo, y el «biofilm de película», que se forma sobre el medio líquido e interactúa con el aire. .

Los investigadores encontraron que el líquido sobrenadante y las biopelículas de la película contenían moléculas de señalización asociadas con una respuesta al estrés, mientras que la biopelícula estática no contenía estas moléculas. Los investigadores creen que esto se debe a que el componente líquido de la biopelícula es lo que permite que las bacterias floten y comiencen nuevas colonias en otros lugares, pero en el proceso las bacterias también están expuestas a situaciones amenazantes, como la presencia de antibióticos.

Al comparar el comportamiento de QS durante el crecimiento de la biopelícula en estos diferentes tratamientos, los investigadores pueden comprender mejor cómo y qué tipo de moléculas usa esta especie de bacteria y obtener nuevos conocimientos sobre el crecimiento bacteriano.

«La biopelícula de P. aeruginosa es bastante difícil de erradicar con los antibióticos actualmente disponibles, por lo que nuestro objetivo con este estudio fue comprender cuáles son los factores que gobiernan el crecimiento y la estabilidad de estas biopelículas, y cómo las bacterias escapan de estas estructuras de biopelículas para colonizar nuevas ubicaciones. ”, explicó Parmar.

«Los enfoques ricos en información química y las técnicas analíticas que utilizamos nos permitieron investigar estos eventos moleculares complejos relacionados con la formación de biopelículas en el espacio y el tiempo», explicó Sweedler.

El equipo dice que el siguiente paso es usar estas técnicas analíticas optimizadas para medir las señales QS en cortes de pulmón de ratas, en lugar de estructuras fabricadas como las que se usan en el estudio actual. Debido a que la P. aeruginosa a menudo se asocia con infecciones en los pulmones de los pacientes con FQ, comprender cómo forma biopelículas en los pulmones puede ayudar a los científicos a diseñar métodos para retrasar o prevenir el crecimiento de bacterias en estos pacientes.

Parmar describió que una posible aplicación futura podría ser diseñar superficies de dispositivos médicos para impedir la adhesión bacteriana y la formación de biopelículas. Estos hallazgos también podrían usarse para ayudar a prevenir la bioincrustación, que es cuando las bacterias estropean o degradan los productos y las superficies biológicas.

El artículo está publicado en ACS Enfermedades Infecciosas.