Interferentie met competitie in multispecies biofilmen als antimicrobiële strategie

Bacteriën zijn sociale wezens die leven in complexe gemeenschappen waarin ze omringd worden door verschillende stammen en soorten. In deze gemeenschappen gaan de verschillende stammen in competitie voor een beperkte hoeveelheid nutriënten en ruimte. Er is echter weinig geweten over moleculaire mechanisme die competitief gedrag reguleren aangezien moleculaire microbiologie tot nu toe voornamelijk aparte stammen in isolatie bestudeerde. Daarom is het eerste doel van dit werk om de moleculaire respons op competitie te karakteriseren en de geassocieerde regulatoren te identificeren. Daarnaast zijn deze diverse gemeenschappen vaak ook meer virulent en tolerant dan de verschillende stammen apart. Aangezien de interacties in deze gemeenschappen voornamelijk competitief zijn, stellen wij de hypothese dat competitie aan de basis ligt van de verhoogde virulentie van gemeenschappen. Daarom zullen we ook nagaan of competitieve interacties leiden tot een verhoogde virulentie. Indien dit bevestigd wordt, zullen we ook het potentieel evalueren van alternatieve antimicrobiële strategieën die de virulentie van pathogenen verzwakken door het inhiberen van de competitieve respons.

Hiervoor hebben we een eenvoudige maar relevante modelgemeenschap ontworpen rond de enteropathogeen Salmonella die gekarakteriseerd wordt door competitieve interacties. Vervolgens hebben we via differentiële fluorescentie inductie (DFI) genen geïdentificeerd die door de centrale Salmonella stam verhoogd tot expressie gebracht worden in aanwezigheid van competiterende stammen. Deze screening toonde aan dat competitie leidt tot een verhoogde expressie van genen geassocieerd met biofilmvorming (csgD), invasie (SPI1) en antibiotica tolerantie (TolC, AadA) en de inductie van de geassocieerde fenotypen. Deze competitieve respons wordt gereguleerd door drie stressresponssystemen, RpoS, PhoPQ en SoxRS, aangezien het uitschakelen van ieder van deze stressresponsen de competitieve respons teniet doet. Onze resultaten onderbouwen hiermee de ‘competition sensing’ hypothese die stelt dat bacteriële stressresponssystemen ideale kandidaten zijn voor het waarnemen van competitie door het detecteren van nutriëntlimitatie en cellulaire schade ten gevolge van competitie. Het uitschakelen van het Type VI secretie systeem (T6SS) van een competiterende stam verhinderde ook de inductie van de competitieve respons. Dit wijst erop dat schade aangericht door dit T6SS de stressresponsen activeert.

Aangezien onze resultaten de hypothese over de verhoogde virulentie en tolerantie van gemeenschappen verder ondersteunt, hebben we geëvalueerd of het inhiberen van de competitieve respons kan gebruikt worden als een alternatieve antimicrobiële therapie. Hiervoor hebben we eerst de genericiteit van de geïdentificeerde respons bepaald door het effect van verschillende probiotica op csgD expressie te analyseren. Enkel een beperkt aantal lactobacillen induceerde echter een biofilm respons. Deze resultaten suggereren daarom dat de competitieve respons geen algemene respons is maar eerder een specifieke respons geassocieerd met bepaalde competitieve triggers. Daarnaast hebben we ook getest of we de competitieve respons in onze modelgemeenschap kunnen inhiberen door de competitieve interacties te verzwakken. Aangezien de sterkte van interacties afhankelijk is van de bacteriële densiteit, hebben we de densiteit verlaagd door middel van de zelfontwikkelde biofilm- en motiliteitsinhibitor agarzuur. We bevestigden dat agarzuur de competitie in ons modelsysteem reduceert. Ten gevolge werd het stressresponssysteem RpoS niet langer geactiveerd en de competitieve respons geïnhibeerd.

We kunnen besluiten dat Salmonella zijn virulentie en tolerantie verhoogt in aanwezigheid van competiterende stammen na activatie van verschillende stressresponssystemen. Deze competitieve respons zou een nieuw doelwit kunnen zijn voor alternatieve antimicrobiële strategieën die de virulentie van pathogenen verzwakken.