search
ptPortuguês
banner
Lar / Notícias / Interações microbianas cooperativas impulsionam a segregação espacial em ambientes porosos
Notícias
pageSearch
Últimas notícias

Interações microbianas cooperativas impulsionam a segregação espacial em ambientes porosos

Jul 11, 2023Jul 11, 2023

Nature Communications volume 14, número do artigo: 4226 (2023) Citar este artigo

4363 Acessos

17 Altmétrico

Detalhes das métricas

O papel das interações microbianas e os mecanismos subjacentes que moldam comunidades complexas de biofilmes são pouco compreendidos. Aqui empregamos um chip microfluídico para representar ambientes subterrâneos porosos e mostramos que as interações microbianas cooperativas entre bactérias de vida livre e formadoras de biofilme desencadeiam a segregação espacial ativa para promover sua respectiva dominância em microhabitats segregados. Durante a colonização inicial, micróbios de vida livre e formadores de biofilme são segregados do inóculo planctônico misto para ocupar o fluido ambiente e a superfície dos grãos. Ao contrário da exclusão espacial através da competição, a segregação espacial activa é induzida por interacções cooperativas que melhoram a aptidão tanto do biofilme como das populações planctónicas. Mostramos ainda que o Arthrobacter de vida livre induz a colonização da superfície eliminando o inibidor de biofilme, D-aminoácidos, e recebe benefícios dos bens públicos secretados pelas cepas formadoras de biofilme. Coletivamente, nossos resultados revelam como as interações microbianas cooperativas podem contribuir para a coexistência microbiana em microhabitats segregados e impulsionar a sucessão da comunidade de biofilme subterrâneo.

A subsuperfície terrestre e oceânica hospeda mais de 80% dos microrganismos da Terra e é, portanto, o principal habitat microbiano do nosso planeta1,2. Ao contrário dos ambientes aquosos (por exemplo, oceano aberto), onde os micróbios vivem maioritariamente em liberdade (planctónicos), a subsuperfície proporciona uma área de superfície imensamente grande para a fixação microbiana. Os micróbios ligados à superfície sequestram nutrientes da água dos poros e crescem em densos conjuntos multiespécies, chamados biofilmes . A proximidade de diversas espécies em biofilmes facilita diversas interações entre elas, como detecção de quorum e metabolismo sinérgico, que determinam as características e funções da comunidade .

Nas últimas décadas, pesquisas teóricas e experimentais foram realizadas para dissecar as intrincadas interações que ditam a estrutura da comunidade do biofilme subterrâneo. Descobriu-se que microrganismos cooperativos, como parceiros de alimentação cruzada, coagregam-se em comunidades de biofilme para permitir benefícios recíprocos8,9,10. Por outro lado, os microrganismos mutuamente antagônicos tendem a excluir-se de nichos locais e a segregar espacialmente7,11. Além das consequências funcionais diretas, a estrutura física dos ambientes subterrâneos pode determinar a estabilidade ecológica e as atividades funcionais, modulando a distribuição espacial de genótipos cooperativos e competitivos. Em comparação com ambientes bem misturados, a segregação espacial sob condições estruturadas equilibra as interacções competitivas e cooperativas para estabilizar a comunidade12. Por exemplo, a separação física em meios porosos permite a coexistência de espécies de crescimento lento com competidores de crescimento rápido, uma vez que a rápida formação de biofilme bloqueia o fluxo de fluidos e redireciona nutrientes para os seus competidores . Um experimento recente também demonstrou que a segregação espacial de consórcios de biofilme governa a alimentação cruzada de metabólitos e o crescimento microbiano através do ajuste da fidelidade da transmissão do sinal de detecção de quorum . A compreensão atual das comunidades de biofilmes subterrâneos derivadas da interação, entretanto, baseia-se em grande parte em comunidades de duas espécies. Como as interações microbianas moldam diversas comunidades de biofilmes em ambientes espacialmente estruturados ainda é pouco compreendido.

Aqui, investigamos o processo de colonização do biofilme em um meio poroso onde as bactérias do solo se auto-montam em comunidades microbianas estruturadas. Usando microfluídica, sequenciamento de amplicon do gene 16S rRNA e hibridização fluorescente in situ (FISH), observamos que durante o desenvolvimento inicial do biofilme, espécies deficientes em biofilme prepararam ativamente o ambiente em microescala para que micróbios formadores de biofilme colonizassem superfícies. Realizamos ainda exometabolômica, transcriptômica, análises de interação entre pares e manipulação genética para descobrir os mecanismos de interações interespecíficas. Descobrimos que a interação entre espécies deficientes em biofilme e espécies formadoras de biofilme impulsiona a sucessão da comunidade microbiana através da segregação espacial ativa no ambiente subterrâneo.

72 h) and the communities approached a steady state. ASV1 Pseudomonas and ASV2 Arthrobacter were the two most abundant Amplicon Sequence Variants (ASVs) across the entire incubation period, accounting for 76.4% of total reads (Fig. 2b). The relative abundance of these two ASVs increased concurrently in the early stage (<48 h) but varied after mature biofilm formation (Fig. 2b)./p> 1.96 interpreted as heterogenous selection. The taxonomic dissimilarity metric RC is applied for the pairwise comparisons with |βNRI| ≤ 1.96. RC values >0.95 or <−0.95 represent homogenizing dispersal or dispersal limitation, while |RC| ≤ 0.95 is interpreted as drift. The relative importance of individual processes is weighted by the relative abundance of each taxonomic groups and summed to estimate their relative importance in controlling community succession. The result reveals that the microbial community succession was driven by homogeneous selection, the relative importance of which increased from 39.5% to above 90.0% with biofilm development (Fig. 2c). At the genus level, Pseudomonas made the most prominent contribution to community succession, followed by Arthrobacter contributing more than 15% during the early stage (≤48 h) (Fig. 2d). These results demonstrate that after a temporary stochastic period (≤12 h), the microbial communities were driven by homogeneous abiotic and biotic environmental conditions and Pseudomonas and Arthrobacter were the key taxa shaping community structure./p> Ysum)./p> Ysum), strong negative (Yco < Ymin) or weak negative (Ysum ≥ Yco ≥ Ymin). b Key differentially expressed biofilm-formation related genes of ASV1 P. fluorescens in co-culture with ASV2 A. ramosus. Numbers in brackets represent the number of differentially expressed genes with the same functions. Source data are provided as a Source Data file. The interaction in ISEM conditioned by planktonic Arthrobacter (c) and biofilm-forming isolates (d). Based on the biofilm or planktonic growth in conditioned medium (Yc) and unconditioned medium (Yu), the interaction can be classified as positive (Yc ≥ Yu), weak negative (1 > Yc/Yu ≥ 0.5) or strong negative (Yc/Yu < 0.5). Source data for Fig. 3a, c are provided as a Source Data file. The measured OD600 for Fig. 3d was plotted in Supplementary Fig. 10a./p> 0.05), which suggested that Arthrobacter and biofilm-forming species didn’t exclude each other in co-culture./p>0.1% across total microbial communities in microfluidic chips) and amino acids. Only those with Spearman’s rank correlation coefficients (|r| ≥ 0.5, ***p ≤ 0.001, **p ≤ 0.01, *p ≤ 0.05) are shown. ACC, 1-Aminocyclopropane 1-carboxylic acid; Ect, Ectoine; 2-Akbt, 2-amino-3-oxobutanoic acid. c The accumulation of total amino acids in the supernatant (n = 3 chips). d The dynamics of DAA during biofilm development exhibit a V pattern (n = 3 chips). The shaded areas represent the standard deviation of three biological replicates. Source data are provided as a Source Data file./p>0.5 were considered as “released” and those with a coefficient less than −0.5 were considered as “consumed”62. The remaining metabolites were categorized as “others”./p> Ysum). The relationship was considered as negative if the co-culture biofilm was less than or equal to the sum of the monocultures (Ysum ≥ Yco). The co-culture interaction was strong negative when Yco was less than Ymin, while a weak negative relationship was determined when Ysum ≥ Yco ≥ Ymin. To assess the effect of extracellular metabolites in social interaction, the biofilm or planktonic growth in conditioned medium (Yc) was compared with that in unconditioned medium (Yu)25. A higher biofilm or planktonic growth in conditioned medium (Yc ≥ Yu) indicated a positive interaction. The interaction was classified as weak negative when 1 > Yc/Yu ≥ 0.5. A substantial reduction in biofilm or planktonic growth (Yc/Yu < 0.5) was an indication of strong negative./p>

Anterior: 37 soluções de armazenamento tão geniais que você as adicionará ao carrinho imediatamente Próximo: Casas Beach & Bay Cottage Tour para 2023
Enviar consulta
Enviar