Em formação

6. 11: Crescimento microbiano em comunidades - Biologia


6. 11: Crescimento microbiano nas comunidades

Rumo ao entendimento quantitativo sobre a estrutura e funcionamento da comunidade microbiana: uma abordagem centrada em modelagem usando a degradação de derramamentos de óleo marinho como exemplo

As abordagens da ecologia molecular estão avançando rapidamente em nossos conhecimentos sobre os microrganismos envolvidos na degradação de derramamentos de óleo marinho e seus potenciais metabólicos. Ainda assim, muitas questões permanecem abertas: como as comunidades microbianas que degradam o óleo se reúnem em termos de diversidade funcional, abundância e organização de espécies e quais são os motivadores? Como as propriedades funcionais dos microrganismos se adaptam aos processos no nível do ecossistema? Como a massa flui entre as espécies e quais fatores e espécies controlam e regulam fluxos, estabilidade e outras funções do ecossistema? Podem ser derivadas regras genéricas sobre a degradação do óleo, e quais motivadores estão por trás dessas regras? Como podemos projetar comunidades microbianas que degradam o óleo de modo que os hidrocarbonetos aromáticos policíclicos tóxicos sejam degradados mais rapidamente? Esses tipos de perguntas se aplicam ao campo da ecologia microbiana em geral. Descrevemos como os avanços recentes na biologia de sistemas de uma única espécie podem ser estendidos para ajudar a responder a essas perguntas. Argumentamos que a modelagem mecanística de baixo para cima permite decifrar os respectivos papéis e interações entre os microrganismos. Em particular, a análise de equilíbrio de fluxo em escala de comunidade derivada de metagenoma baseada em restrições parece adequada para este objetivo, pois permite o cálculo de fluxos relacionados à degradação com base em restrições fisiológicas e estratégias de crescimento, sem a necessidade de informações cinéticas detalhadas. Posteriormente, discutimos o que é necessário para tornar essas abordagens bem-sucedidas e identificamos a necessidade de compreender melhor a fisiologia microbiana para avançar a ecologia microbiana. Defendemos o desenvolvimento de bancos de dados contendo dados fisiológicos microbianos. Responder às questões colocadas está longe de ser trivial. Comunidades degradadoras de petróleo são, no entanto, um ambiente atraente para começar a testar modelos e hipóteses derivados da biologia de sistemas, pois são relativamente simples em diversidade e atividades-chave, com vários participantes-chave sendo isolados e uma alta disponibilidade de dados experimentais e abordagens.

Palavras-chave: modelagem de baixo para cima análise de balanço de fluxo de derramamentos de óleo marinho metagenômica comunidades microbianas biologia de sistemas.


Adaptação das comunidades microbianas do solo à temperatura: comparação de fungos e bactérias em um experimento de laboratório

A temperatura não só tem efeitos diretos na atividade microbiana, mas também pode afetar a atividade indiretamente, alterando a dependência da comunidade com a temperatura. Isso resultaria em um melhor desempenho das comunidades ao longo do tempo em resposta ao aumento das temperaturas. Pela primeira vez, estudamos o efeito da temperatura do solo (5–50 ° C) na adaptação da comunidade de crescimento bacteriano (incorporação de leucina) e fúngico (incorporação de acetato em ergosterol). O crescimento em diferentes temperaturas foi estimado após cerca de um mês usando um ensaio de curto prazo para evitar confundir os efeitos da temperatura na disponibilidade de substrato. Antes do início do experimento, o crescimento fúngico e bacteriano era ótimo em torno de 30 ° C. O aumento da temperatura do solo acima disso resultou em um aumento no ótimo para crescimento bacteriano, correlacionado à temperatura do solo, com deslocamentos paralelos na curva de resposta total. Abaixo do ótimo, a temperatura do solo teve apenas efeitos menores, embora temperaturas mais baixas tenham sido selecionadas para comunidades que crescem melhor na temperatura mais baixa. Os fungos foram afetados da mesma forma que as bactérias, com grandes mudanças na tolerância à temperatura do solo acima do ideal para o crescimento. Uma técnica simplificada, comparando apenas o crescimento em duas temperaturas contrastantes, deu resultados semelhantes ao uso de uma curva de temperatura completa, permitindo medições em larga escala também em situações de campo com pequenas diferenças de temperatura.


Resultados

Comunidades microbianas residentes suprimiram o crescimento de um foco E. coli cepa

Nós cultivamos nosso foco E. coli cepa em microcosmos anaeróbicos na presença e ausência de um antibiótico e três amostras diferentes de microbiomas gastrointestinais, cada um de um doador humano diferente, por 7 d (Fig S1). Em média, o tratamento com antibióticos (ampicilina) diminuiu a abundância da cepa focal (efeito do antibiótico em um modelo linear generalizado misto com inflação zero, glmmadmb, χ 2 = 33,53, df = 1, P & lt 0,001 Fig 1). Por exemplo, após 24 h, a abundância da cepa focal foi reduzida em comparação com os tratamentos sem ampicilina em 69% (SD = 6,02) no tratamento de meio basal, 78% -90% (dependendo do doador humano) nos tratamentos de lama esterilizada, e 84% -99,9% (dependendo do doador humano) nos tratamentos de lama 'viva' (Fig 1 Tabela S1). A inclusão da comunidade microbiana residente de amostras fecais humanas também reduziu a abundância de cepas focais em média, o que inferimos comparando os tratamentos da comunidade (lamas fecais 'vivas', incluindo a comunidade microbiana residente) com os tratamentos livres da comunidade (versões esterilizadas de o mesmo efeito de lama fecal da comunidade em glmmadmb, χ 2 = 6,65, df = 1, P = 0,01 Fig 1).

Cada painel mostra abundância do foco E. coli cepa (em cfu por ml) ao longo de 7 d para meio basal (linha superior) ou com pasta fecal de um dos três doadores humanos, na ausência (painéis esquerdos) ou presença (painéis direitos) de ampicilina, que foi aplicada no pontos de amostragem após 2 he depois disso em cada transferência diária. Os símbolos vazios mostram tratamentos livres da comunidade. Os símbolos preenchidos mostram tratamentos com a comunidade microbiana residente. Os símbolos vermelhos mostram microcosmos nos quais detectamos colônias isoladas resistentes à ampicilina da cepa focal. As três linhas, cada uma com símbolos diferentes, em cada tratamento mostram três microcosmos replicados. Microcosmos nos quais não detectamos colônias de cepas focais são mostrados em 10 0. Os dados são depositados no repositório Dryad: https://doi.org/10.5061/dryad.t1g1jwszq [40]. cfu, unidades formadoras de colônias.

O efeito supressor das comunidades microbianas residentes dependia de qual amostra de doador humano foi usada para preparar os microcosmos (doador × interação da comunidade em glmmadmb, χ 2 = 10,23, df = 2, P = 0,006) e a presença de ampicilina (antibiótico × interação da comunidade em glmmadmb, χ 2 = 5,2, df = 1, P = 0,02), sendo mais forte para as populações expostas à microbiota residente e ao antibiótico (Fig. 1). Isso resultou na extinção da cepa focal (abaixo do nosso limite de detecção) em populações expostas à ampicilina e nas comunidades microbianas residentes de doadores humanos 1 e 3. Ou seja, nesses tratamentos, a cepa focal não conseguiu colonizar a comunidade. Para a comunidade residente do doador humano 2, a cepa focal foi conduzida para abundância muito baixa na presença da comunidade e ampicilina juntas, mas não desapareceu completamente (Fig. 1). Na ausência de ampicilina, as comunidades residentes ainda suprimiram a cepa focal em média (efeito da comunidade em glmmadmb apenas para tratamentos sem ampicilina, χ 2 = 10,04, df = 1, P = 0,002). Como na presença de ampicilina, a força desse efeito variou dependendo do doador humano, sendo mais forte para a comunidade microbiana residente do doador humano 1 (efeito da comunidade para este doador na ausência de ampicilina: glmmadmb, χ 2 = 11,28, df = 1, P = 0,0002 Fig. 1 e Tabela S1), resultando na exclusão da deformação focal. A comunidade residente do doador humano 3 suprimiu o crescimento médio da cepa focal em aproximadamente 54% em todo o experimento (efeito da comunidade para o doador humano 3 na ausência de ampicilina: glmmadmb, χ 2 = 4,77, df = 1, P = 0,03 Fig. 1 e Tabela S1). Para a comunidade residente do doador humano 2, a abundância de cepa focal média foi menor na presença da comunidade (redução média de 24% em comparação com microcosmos livres da comunidade Fig. 1 e Tabela S1), embora isso não fosse estatisticamente significativo (efeito de comunidade para doador humano 2 na ausência de ampicilina: glmmadmb, χ 2 = 0,66, df = 1, P = 0,41). Não encontramos evidências de que os fatores abióticos na pasta fecal estéril foram supressores para a cepa focal: não houve variação significativa na abundância média da cepa focal entre os tratamentos livres da comunidade e o tratamento de controle contendo apenas o meio de crescimento basal que foi usado para preparar pastas fecais (modelo linear de efeitos mistos, glmer: χ 2 = 0,41, df = 3, P = 0,94). Em resumo, as comunidades microbianas residentes amostradas de três doadores humanos, cada uma suprimiu o crescimento de um foco E. coli cepa em fermentadores anaeróbicos cheios de pasta fecal, mas em vários graus, e esse efeito foi amplificado pela adição de ampicilina.

Abundância bacteriana total estável, mas composição da comunidade variável ao longo do tempo

Usamos a citometria de fluxo para estimar a abundância bacteriana total em microcosmos contendo comunidades microbianas residentes. Em microcosmos sem antibióticos, a abundância bacteriana total foi aproximadamente estável ao longo do tempo (& gt10 9 células / ml Fig. 2) e foi maior em média do que em microcosmos expostos à ampicilina (efeito do antibiótico em um modelo linear de efeitos mistos, lmm: χ 2 = 10,37, df = 1, P = 0,001). No entanto, o efeito supressor do antibiótico variou ao longo do tempo (interação antibiótico × tempo em lmm: χ 2 = 101,81, df = 7, P & lt 0,001), sendo mais forte no início do experimento. O efeito do antibiótico também variou entre as comunidades de diferentes doadores humanos (interação antibiótico × doador em lmm: χ 2 = 79,30, df = 2, P & lt 0,001), com aqueles de doadores humanos 1 e 2 mostrando uma recuperação mais forte após a primeira aplicação de ampicilina (que resultou em uma queda na abundância após 24 h) do que a comunidade de doadores humanos 3. Esses resultados mostram que nossa configuração experimental foi mantida alta número de microrganismos nos tratamentos da comunidade ao longo do tempo, tanto na presença quanto na ausência de ampicilina.

Cada linha de painéis mostra dados de um dos três doadores humanos e os painéis direito / esquerdo mostram tratamentos com / sem ampicilina. As três comunidades replicadas em cada painel são mostradas por três linhas diferentes, cada uma com um símbolo diferente. A abundância bacteriana total foi medida por citometria de fluxo (consulte Material e métodos). Os dados são depositados no repositório Dryad: https://doi.org/10.5061/dryad.t1g1jwszq [40].

Para investigar a composição da comunidade nesses microcosmos, usamos o sequenciamento de amplicons das regiões variáveis ​​3 e 4 do gene 16S rRNA. Isso revelou níveis semelhantes de diversidade dentro da amostra (diversidade alfa de Shannon Fig. 3A) em amostras de microbioma dos três doadores humanos no início do experimento. A diversidade dentro da amostra então diminuiu ligeiramente ao longo das primeiras 24 h do experimento e significativamente entre 24 h e 168 h (efeito do tempo em um modelo linear de efeitos mistos incluindo dados de 24 h e 168 h, lme: F 1, 14 = 481.43, P & lt 0,001). Isso se aplica aos três doadores humanos (efeito do doador humano, lme: F 2, 15 = 2.07, P = 0,16), que também mostrou mudanças semelhantes na composição taxonômica ao longo do tempo (Fig. 3B). Comunidades em 0 h foram dominadas pelas famílias Lachnospiraceae e Ruminococcaceae, além de Prevotellaceae para doador humano 3. Com o tempo, esses grupos se tornaram menos abundantes em relação a Enterobacteriaceae e Bacteroidaceae. A análise das leituras atribuídas a Enterobacteriaceae indicou E. coli sempre foi o membro mais abundante deste grupo (ver Material e métodos), sendo responsável por aproximadamente 99% das leituras do amplicon 16S rRNA atribuídas a Enterobacteriaceae em todas as amostras (Tabela S2), com o restante aproximadamente 1% compreendendo outras espécies (por exemplo, Enterobacter sp., Citrobacter sp., e Klebsiella sp.). Em comparação com as mudanças ao longo do tempo, a ampicilina teve um efeito fraco na diversidade dentro da amostra (efeito do antibiótico: F1,14 = 11.37, P = 0,006). Esta interpretação foi apoiada por uma análise alternativa (análise de coordenadas principais [PCoA] S2 Fig) com base nas dissimilaridades de Bray-Curtis. Assim, apesar da abundância total aproximadamente estável, vimos mudanças na composição da comunidade ao longo do tempo que foram mais pronunciadas do que as diferenças entre as comunidades de diferentes doadores humanos ou tratamentos com antibióticos. Apesar dessas mudanças na abundância relativa de taxa diferentes, as identidades das principais 5-6 famílias foram estáveis ​​ao longo do tempo e entre doadores humanos (Fig. 3B).

(A) A diversidade é estimada aqui usando o índice de diversidade de Shannon para amostras de três pontos no tempo (0 h, 24 h e 168 h, mostrado no topo) e três doadores humanos (ver legenda), na presença e ausência de ampicilina (' Amp ', eixo x). Cada caixa mostra dados de três microcosmos replicados por grupo de tratamento e ponto de tempo (exceto em 0 h, que mostra a única amostra inicial de cada doador humano). (B) Abundância relativa das 15 famílias bacterianas mais prevalentes em cada microcosmo em três pontos de tempo (0 h, 24 h e 168 h, mostrado no topo) para cada doador humano (fileiras de painéis, rotulados à direita) na presença e ausência de ampicilina (três repetições de cada tratamento no eixo x). O sobrescrito 'a' na legenda indica famílias obrigatoriamente anaeróbicas. Os dados são depositados no Arquivo Europeu de Nucleotídeos com o número de acesso ao estudo PRJEB33429.

Usamos PCR quantitativo (qPCR) para entender melhor a contribuição do residente E. coli e a tensão focal para a abundância total de E. coli (consulte Métodos S1). Consistente com os dados de sequenciamento do amplicon, isso revelou o aumento da abundância total de E. coli sequências ao longo do tempo na presença e ausência de ampicilina (S3 Fig). O número de cópias de sequências de cepas focais em relação ao total E. coli indicou que a deformação focal era rara em relação a outras E. coli após 24 h (S3 Fig e Tabela S2). No final do experimento, consistente com nossas estimativas de plaqueamento seletivo e PCR de colônia, a cepa focal estava abaixo do limite de detecção em tratamentos contendo a comunidade do doador humano 1, com e sem ampicilina, e a comunidade do doador humano 3 com ampicilina nos outros tratamentos, as sequências de cepas focais eram raras em comparação com o total E. coli (Tabela S2).

A resistência aos antibióticos evoluiu apenas na ausência de comunidades microbianas residentes

Rastreamos o surgimento de variantes resistentes a antibióticos da cepa focal (que adquiriu resistência à ampicilina) após cada ciclo de crescimento, plaqueando cada população em placas seletivas de antibiótico (8 μg / ml de ampicilina aproximando-se da concentração inibitória mínima [MIC] de a tensão focal). Nunca observamos variantes resistentes da cepa focal em qualquer um dos tratamentos da comunidade (populações expostas às comunidades microbianas residentes a partir de amostras do microbioma humano). Em contraste, em tratamentos livres da comunidade (meio de crescimento basal e lamas fecais humanas esterilizadas), as variantes resistentes apareceram no final do experimento em 120 h (lama de doador humano 1) e 144 h (meio de crescimento basal e lama de doador humano 3), embora não em amostras esterilizadas de doador humano 2 (Fig. 1). Assim, a comunidade microbiana residente das amostras do microbioma humano suprimiu a evolução da resistência aos antibióticos em nossa cepa focal.

Para investigar os mecanismos genéticos associados à evolução da resistência e adaptação geral às nossas condições experimentais, realizamos o sequenciamento do genoma completo para dois conjuntos de isolados de cepas focais a partir do ponto de tempo final: oito isolados de colônia resistentes à ampicilina de placas de ampicilina (um de cada as oito populações nas quais observamos o surgimento de resistência a antibióticos durante o experimento) e 33 colônias isoladas selecionadas aleatoriamente de placas livres de ampicilina (cada uma de uma população diferente e em todos os tratamentos). Nos isolados resistentes a antibióticos, todos os SNPs e a deleção que encontramos (Tabela 1) estavam em genes relacionados a membranas (ompR, ftsI, opgB), respostas de estresse (relA), ou transcrição (rpoC, rpoD) Dois genes foram mutados independentemente em múltiplas colônias isoladas: rpoC e rpoD. Também detectamos um movimento de sequência de inserção (IS) entre perR e insN em duas colônias isoladas. Dos genes nos quais detectamos mutações em uma única colônia isolada, ftsI [41], relA [42], e ompR [43] foram previamente anotados como estando envolvidos na resistência aos antibióticos beta-lactâmicos. ompR também sofreu mutação em três colônias isoladas selecionadas aleatoriamente, todas de populações que haviam sido expostas à ampicilina durante o experimento (Tabela S3). Encontramos seis outros genes mutados em paralelo entre duas e cinco colônias isoladas selecionadas aleatoriamente (Tabela S3). Cinco deles foram mutados em isolados de tratamentos com antibióticos e sem antibióticos. Isto incluiu insN e gtrS, ambos mutados em cinco isolados. Entre os dois conjuntos de isolados de colônias (selecionados aleatoriamente e resistentes a antibióticos), três outros loci foram mutados em ambos os conjuntos. Estes foram rpoD (apenas em isolados que foram expostos a antibióticos), opgB, e yaiO (ambos em isolados de tratamentos com antibióticos e sem antibióticos). Em resumo, encontramos algumas alterações genéticas paralelas específicas para tratamentos com antibióticos e consistentes com mecanismos de resistência conhecidos, além de outras alterações genéticas que ocorreram em tratamentos com antibióticos e sem antibióticos e, portanto, estão mais provavelmente envolvidas na adaptação geral.

Os dados são depositados no Arquivo Europeu de Nucleotídeos com o número de acesso ao estudo PRJEB36309.

A aquisição de plasmídeo foi restringida pela falta de transferência, e não pela falta de benefícios de aptidão

Em seguida, procuramos explicar por que nunca observamos a evolução da resistência a antibióticos da cepa focal na presença de comunidades microbianas residentes, que esperávamos abrigar genes de resistência benéficos [26,27,44-46]. Nossa hipótese pode ter sido devido à falta de genes de resistência transferíveis horizontalmente nas comunidades microbianas residentes. No entanto, detectamos resistência à ampicilina E. coli nas comunidades microbianas residentes de doadores humanos 1 e 3 (por plaqueamento seletivo), e após o sequenciamento de seus genomas, identificamos vários genes de resistência a antibióticos que foram associados a genes de plasmídeo (Fig. 4 e Tabela S4). Na montagem híbrida (usando MinION e Illumina lê) de um isolado representativo do doador humano 1, identificamos dois plasmídeos. O plasmídeo maior tinha quatro genes de resistência conhecidos (Fig 4A), incluindo um que confere resistência a antibióticos beta-lactâmicos. Também identificamos três replicons IncF neste plasmídeo e um conjunto completo de tra genes, que estão envolvidos na transferência de plasmídeo conjugativo. O segundo plasmídeo carregava um replicon conhecido (ColRNAI) e genes de mobilização (mbeA e mbeC), além de um operon colicina E1 completo (cnl, im, cea) Para um isolado representativo do doador humano 3, encontramos o replicon do plasmídeo e os genes de resistência integrados no cromossomo (Fig. 4B). Este suposto plasmídeo integrado do doador humano 3 também carregava vários genes de resistência, incluindo uma beta-lactamase e um replicon IncQ, que faz parte do repA gene [47], mas não detectamos tra genes. Os outros cinco conjuntos de genoma (Illumina lê para outros isolados do mesmo doador humano) continham os mesmos genes de resistência e replicons em vários contigs menores (Tabela S4). O mapeamento das leituras de sequenciamento correspondentes de todos os isolados sequenciados por Illumina para o contig único de dados de longa leitura encontrados nos isolados sequenciados na plataforma MinION revelou mapeamento idêntico em todos os 10 casos, consistente com esses genomas tendo a mesma estrutura em cada um dos isolados ( Tabela S4).

Mapas esquemáticos de plasmídeos e cromossomos para residentes representativos E. coli isolados de (A) doador humano 1 e (B) doador humano 3. As sequências são anotadas com sequências de replicon de plasmídeo conhecidas (IncFIA, IncFIB, IncFIC no plasmídeo 1 e ColRNAI no plasmídeo 2 em [A] IncQ no cromossomo em [B]), genes envolvidos na transferência horizontal (tra e trb), genes de resistência conhecidos (blaTEM, sul2, aph (3), aph (6), mdf), genes envolvidos nos sistemas de secreção do tipo VI (tss, vgrG), e genes envolvidos na produção de colicina e imunidade (cea, cnl, im) e mobilização (mbeA e mbeC) O genoma do isolado do doador humano 3 (B) não está fechado, conforme indicado com uma lacuna. As cores indicam regiões codificantes (preto) e não codificantes (verde), observe que a escala varia entre os cromossomos e plasmídeos.

Nossa hipótese é que a falta de evolução da resistência impulsionada por plasmídeo em nossa cepa focal pode ter sido causada por restrições na transferência conjugativa que tornou esses plasmídeos inacessíveis. Usando um ensaio de acasalamento conjugativo em ágar, nunca encontramos transconjugantes de nossa cepa focal quando ela foi misturada com um isolado do doador humano 3 (identificado acima como portador de um plasmídeo integrado putativo). Isso é consistente com a falta de tra genes neste plasmídeo e sugere que não poderia ser transferido para nossa cepa focal por conjugação na ausência de outros drivers de transferência horizontal de genes (por exemplo, fagos ou outros plasmídeos). Isso também é consistente com o trabalho anterior, sugerindo que os plasmídeos IncQ são mobilizáveis ​​em vez de conjugativos [48,49] e que não detectamos quaisquer outros replicons de plasmídeo nos mesmos isolados. No entanto, para o plasmídeo do doador humano 1, encontramos transconjugantes de nossa cepa focal no final do ensaio de acasalamento, que confirmamos por PCR de colônia (Fig S4). Isso sugere que este plasmídeo era conjugativo e poderia ser transferido para nossa cepa focal, consistente com a presença de tra genes neste plasmídeo (Fig 4A).

Dado que o plasmídeo de resistência do doador humano 1 era transferível para nossa cepa focal, por que ele não se espalhou no experimento principal acima? Nossa hipótese poderia resultar da resistência transmitida por plasmídeo sendo menos benéfica do que a resistência adquirida por mutação cromossômica (como observamos em tratamentos sem comunidade no experimento principal). Esperaríamos que um benefício líquido de resistência resultasse em aumento do crescimento populacional na concentração de antibiótico aplicada durante o experimento (7,2 μg / ml). Descobrimos que a aquisição do plasmídeo conferiu um aumento muito maior no crescimento populacional em todas as concentrações de antibióticos diferentes de zero do que o observado para isolados de colônias evoluídas que adquiriram resistência por meio de mutação cromossômica durante o experimento principal (Fig. 5A e Tabela S5). Além disso, em experimentos de competição em pares, o transconjugante carregando este plasmídeo tinha uma forte vantagem competitiva em relação ao tipo selvagem na presença da comunidade microbiana residente do doador humano 1 (S5A Fig). Esta vantagem de aptidão foi aumentada pela adição de ampicilina na concentração que usamos no experimento principal e ainda mais pela adição de ampicilina em três vezes o IC90 (concentração necessária para reduzir o crescimento em 90%) da cepa focal ancestral (comunidade × interação de ampicilina por permutação teste P = 0,029 S5B Fig). Isso mostra que teria sido altamente benéfico para a cepa focal adquirir o plasmídeo em nosso experimento, particularmente na presença de ampicilina.

(A) Suscetibilidade aos antibióticos da cepa focal ancestral, a versão da cepa focal usada para isolar transconjugantes (ver Material e métodos), a cepa focal com o plasmídeo (transconjugante), o residente E. coli isolado usado como o doador de plasmídeo, e oito isolados de colônia de cepa focal evoluída que isolamos em placas de ampicilina (‘amp’) e que tinham mutações cromossômicas (Tabela S2). Os valores médios de DO ± SE são mostrados após crescimento de 24 horas para cada concentração de ampicilina. (B) Frequência transconjugante (como uma porcentagem da população total de recipientes) após experimentos de acasalamento em várias condições. A cepa receptora era uma versão marcada da cepa focal ancestral e o doador de plasmídeo era um residente E. coli isolado de doador humano 1. Para o tratamento de lama fecal, usamos lama fecal esterilizada de doador humano 1. Os dados são depositados no repositório Dryad: https://doi.org/10.5061/dryad.t1g1jwszq [40]. LB, caldo de lisogenia OD, densidade óptica rep, população replicada.

Ao contrário dos transconjugantes que transportam o plasmídeo do residente E. coli, dois isolados de colônia evoluída da cepa focal portadora de mutações de resistência cromossômica tiveram uma vantagem de aptidão em relação ao tipo selvagem apenas na ausência da comunidade na presença da comunidade microbiana residente, eles tiveram uma desvantagem de aptidão (efeito da comunidade por teste de permutação : P & lt 0,001 para isolados de dadores humanos 1 e 3 S5B Fig). Isso sugere que as alterações genéticas associadas ao aumento da resistência nesses isolados na ausência de microbiota residente não teriam sido benéficas nos tratamentos de Comunidade + Ampicilina do experimento principal, ao contrário do plasmídeo que isolamos do residente E. coli. Esta conclusão foi apoiada pela comparação de transconjugantes que transportam o plasmídeo de resistência e isolados de colônia evoluída de doadores humanos 1 e 3 (Fig S6). Outros experimentos de competição mostraram a vantagem competitiva do residente E. coli de dadores humanos 1 e 3 portadores de genes de resistência também estava presente na ausência de outra microbiota residente (Fig S7).

Outra possível explicação para a falta de transferência do plasmídeo de resistência do doador humano 1 no experimento principal é que a transferência conjugativa pode ser específica para condições ambientais particulares. Isso foi observado para outros plasmídeos em várias condições experimentais [50,51]. Testamos isso por meio de ensaios de acasalamento como acima, mas em uma variedade de diferentes condições experimentais. Detectamos transconjugantes que adquiriram o plasmídeo em uma frequência final de aproximadamente 0,2% (como uma fração da população total do receptor) após misturar o isolado portador do plasmídeo do doador humano 1 e a cepa focal em uma superfície de ágar, mas não encontramos transconjugantes após fazer o mesmo experimento em três tipos diferentes de meio de crescimento líquido (caldo de lisogenia [LB], LB anaeróbico e pasta fecal livre de comunidade anaeróbia Fig 5B). Isso mostra que a transferência do plasmídeo conjugativo que isolamos do doador humano 1 requer condições abióticas particulares, o que pode explicar por que nossa cepa focal falhou em desenvolver resistência por meio de transferência horizontal de genes na presença de comunidades microbianas residentes. Isso foi apoiado por simulações de um plasmídeo hipotético com propriedades semelhantes, mas que é transferível em nosso sistema de microcosmo intestinal (modelo S1). Isso indicou que, se o plasmídeo do doador humano 1 fosse conjugativamente transferível em nosso sistema de microcosmo intestinal, teríamos detectado transconjugantes em nosso experimento principal (embora apenas com taxas de transferência relativamente altas no Modelo S1). O mesmo modelo também mostrou que a supressão do crescimento de linhagens invasoras pela microbiota residente pode reduzir a abundância transconjugante, sugerindo que mesmo quando a aquisição horizontal de genes de resistência benéficos é comum, as interações com a microbiota residente podem impedir sua disseminação.


O genótipo da planta modifica fortemente a estrutura e o crescimento das comunidades microbianas da rizosfera do milho

Nós estudamos as comunidades microbianas no milho (Zea mays) rizosfera para determinar a extensão em que sua estrutura, biomassa, atividade e crescimento foram influenciados pelo genótipo da planta (su1 e sh2 genes) e a adição de doses padrão e altas de diferentes tipos de fertilizantes (inorgânicos, esterco cru e vermicomposto). Para tanto, amostramos a rizosfera de plantas de milho na colheita e analisamos a estrutura da comunidade microbiana (análise de PLFA) e a atividade (respiração basal e taxas de crescimento bacteriano e fúngico). A análise discriminante diferenciou claramente as comunidades microbianas da rizosfera em relação ao genótipo da planta. Embora os microrganismos respondam claramente à dose de fertilização, os três fertilizantes também contribuíram para diferenciar as comunidades microbianas da rizosfera. Além disso, plantas maiores não promoveram biomassa ou taxas de crescimento microbiano mais elevadas, sugerindo interações complexas entre plantas e fertilizantes, provavelmente como resultado do desempenho diferente dos genótipos de plantas nos tratamentos de fertilizantes, ou seja, diferenças na qualidade e / ou composição dos exsudatos radiculares.

Destaques da Pesquisa

► A estrutura das comunidades microbianas do milho da rizosfera dependia do genótipo da planta. ► As comunidades microbianas da rizosfera diferiram sob a fertilização orgânica e inorgânica. ► As interações entre o genótipo da planta e os fertilizantes governam os microrganismos da rizosfera.


Declarações de ética

Interesses competitivos

J.I.G. é cofundador da Matatu, empresa que está caracterizando o papel das interações dieta por microbiota na saúde animal. Após a conclusão de seus estudos de doutorado, M.R.C. ingressou no Matatu como cientista pesquisador. C.B.L e D.A.M. são co-fundadores da Evolve Biosystems, uma empresa que se concentra na manipulação da microbiota intestinal com base na dieta. D.A.R. é membro do conselho consultivo científico da Seres Health. L.V.B e D.B.D. declarar não haver interesses financeiros concorrentes.


Mudanças nas propriedades de carbono e nitrogênio do solo e comunidades microbianas em relação ao crescimento de Pinus radiata e Nothofagus fusca árvores após 6 anos em CO ambiente e atmosférico elevado2

1 Endereço atual: Departamento de Ciências Florestais, Universidade de British Columbia, 2424 Main Mall, Vancouver, BC, Canadá V6T 1Z4.

Landcare Research, PO Box 40, Lincoln 7640, Nova Zelândia

Landcare Research, Private Bag 11052, Palmerston North, Nova Zelândia,

Macaulay Institute, Craigiebuckler, Aberdeen AB15 8QH, UK,

1 Endereço atual: Departamento de Ciências Florestais, Universidade de British Columbia, 2424 Main Mall, Vancouver, BC, Canadá V6T 1Z4.

Landcare Research, PO Box 40, Lincoln 7640, Nova Zelândia

Resumo

Aumento do CO atmosférico2 a concentração pode influenciar o crescimento e a composição química de muitas espécies de plantas e, assim, afetar os reservatórios de matéria orgânica do solo e os fluxos de nutrientes. Aqui, examinamos os efeitos do CO ambiente (inicialmente 362 μL L −1) e elevado (654 μL L −1)2 em câmaras de topo aberto no crescimento após 6 anos de duas espécies de floresta perene temperada: uma exótica, Pinus radiata D. Don, e um nativo, Nothofagus fusca (Hook. F.) Oerst. (faia vermelha). Também examinamos os efeitos associados em propriedades selecionadas de carbono (C) e nitrogênio (N) em serapilheira e solo mineral, e em propriedades microbianas em solo de rizosfera e hifosfera. O solo era uma areia fracamente desenvolvida que tinha uma baixa concentração inicial de C de cerca de 1,0 g kg −1 nas profundidades de 0-100 e 100-300 mm no N. fusca sistema, foi inicialmente sobreposto com cerca de 50 mm de serapilheira (predominantemente material FH) retirado de um Nothofagus floresta. Um fertilizante de liberação lenta foi adicionado durante os estágios iniciais do crescimento da planta, as análises de folhagem subsequentes indicaram que o N não era limitante. Após 6 anos, os diâmetros do caule, as concentrações de N na folhagem e as razões C / N de ambas as espécies eram indistinguíveis (P& gt0.10) nos dois CO2 tratamentos. Embora o conteúdo total de C no solo mineral a 0-100 mm de profundidade tenha aumentado significativamente (P& lt0.001) após 6 anos de crescimento de P. radiata, com média de 80 ± 0,20 g m −2 ano −1, eles não foram significativamente influenciados pelo elevado CO2. No entanto, CO2-C produção na cama, e CO2Produção de C, C microbiano e relações C / N microbianas em solo mineral (0-100 mm de profundidade) sob P. radiata foram significativamente maiores sob elevado do que o ambiente de CO2. CO2Produção de -C, C microbiano e número de bactérias (mas não de fungos) também foram significativamente maiores sob CO elevado2 no solo da hifosfera, mas não no solo da rizosfera. Debaixo N. fusca, alguma incorporação da serapilheira sobreposta no solo mineral provavelmente ocorreu, exceto para CO2-C production and microbial C in hyphosphere soil, none of the biochemical properties or microbial counts increased significantly under elevated CO2. Net mineral-N production, and generally the potential utilization of different substrates by microbial communities, were not significantly influenced by elevated CO2 under either tree species. Physiological profiles of the microbial communities did, however, differ significantly between rhizosphere and hyphosphere samples and between samples under P. radiata e N. fusca. Overall, results support the concept that a major effect on soil properties after prolonged exposure of trees to elevated CO2 is an increase in the amounts, and mineralization rate, of labile organic components.


Synthetic microbial communities ☆

Microbial interactions and system function are two ways to study communities.

Natural microbial communities are difficult to define and to study.

Synthetic microbial communities are comprehensible systems of reduced complexity.

Synthetic communities keep key features of natural ones and are amenable to modelling.

Synthetic microbial communities are gaining importance in biotechnology.

While natural microbial communities are composed of a mix of microbes with often unknown functions, the construction of synthetic microbial communities allows for the generation of defined systems with reduced complexity. Used in a top-down approach, synthetic communities serve as model systems to ask questions about the performance and stability of microbial communities. In a second, bottom-up approach, synthetic microbial communities are used to study which conditions are necessary to generate interaction patterns like symbiosis or competition, and how higher order community structure can emerge from these. Besides their obvious value as model systems to understand the structure, function and evolution of microbial communities as complex dynamical systems, synthetic communities can also open up new avenues for biotechnological applications.

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Conclusão

A number of pure-culture studies have shown a correlation between growth rate and rRNA concentration. This relationship makes intuitive and biological sense, since rRNA is a critical component of ribosomes, and ribosomes are necessary to synthesize protein. However, the correlation between real-time activity and rRNA in environmental samples is inconsistent due to differences in life histories, life strategies and non-growth activities. Using rRNA analysis as a general indicator of currently active microbes in environmental samples is not valid under many circumstances, and may actually hinder progress connecting microbial activities to ecosystem functions. Considering rRNA measurements as indicators of protein synthesis potential provides microbial ecologists with a robust framework, facilitating a more prudent yet comprehensive understanding of the complex dynamics at play in microbial communities.


Balance between growth and adaptability shapes microbial success, evolution

Crédito CC0: domínio público

One of the foremost challenges in biology is the quest to uncover the underlying rules that determine how biological organisms behave in different situations. Even seemingly simple questions, such as why bacteria grow at a certain rate and why there is a tremendous variation in growth rate across species in different environments, have remained unclear.

A new study published in Natureza in July by scientists from Harvard Medical School, ETH Zurich and the University of California, San Diego now sheds light on these long-standing mysteries.

Their findings reveal that the success and evolution of microbes in different ecosystems are shaped by a fundamental trade-off between two traits: rate of growth under constant environments and the ability to adapt to changing environments.

The researchers found that bacteria growing exceptionally fast struggled as environmental conditions changed, experiencing lag time in which they were unable to grow for many hours and only eventually adapted. In comparison, when the same bacteria grew slowly, they quickly adapted to changing conditions.

"Bacteria cannot simultaneously excel at growing fast and at switching quickly between conditions when the environment suddenly changes," said study lead author Markus Basan, assistant professor of systems biology in the Blavatnik Institute at HMS.

The results may explain why microbes such as E. coli grow at vastly different rates in different environments, often much more slowly than would be expected, the authors said.

"As an analogy, one can think of a person training to become an elite long-distance runner and also an elite weight lifter at the same time," Basan added. "The weight of the muscle mass required to excel at weightlifting will undoubtedly hamper the ability of energy efficient long-distance running, at least to some degree. This is what constitutes a trade-off."

Strikingly, this effect was not specific to a few isolated conditions. In E. Coli, the team found that this trade-off is conserved across dozens of growth conditions, involving different nutrients and changing environments. They also observed the same trade-off in different microbial species separated by millions of years of evolution, including single-celled eukaryotes, all described by the same mathematical equation.

The team's experiments suggest the observed universality of the trade-off between growth and adaptability is because it emerges directly from metabolic mechanisms that are fundamental to life on earth.

The element carbon is a primary component of much of the material that makes up every living cell, such as proteins. Through diet, animals can acquire preformed building blocks like amino acids that comprise proteins. Bacteria, on the other hand, are able to convert a single source of carbon, such as a sugar, into all carbon-based building blocks using biochemistry.

However, the metabolic reactions that bacteria use to convert different sugars into biomolecules can move in opposing directions. For example, when E. coli breaks down glucose, the bacteria's carbon source of choice, they produce a molecule called acetate, which is its primary fermentation product. Under certain conditions, such as when glucose runs dry, the opposite reaction can occur, and acetate can be used for growth.

Therefore, when a preferred carbon source like glucose is depleted, bacteria must transition from one reaction direction to the opposite direction. This can wreak havoc on its metabolism, especially if the bacteria were growing quickly before the transition.

To support high growth rates, bacteria must contain a large number of enzymes that facilitate reactions in one direction. As a result, if the environment changes suddenly, only a small number of enzymes are present that can facilitate reactions in the new, correct direction. Even worse, the bacteria still contain a large number of enzymes running the reaction in the wrong direction, which actually burns energy.

"This leaves the cell trapped in a terrible situation, where most of its own enzymes are suddenly working in the wrong direction, preventing the enzymes operating in the correct direction from being produced," Basan said. "It resembles the task of Sisyphus, where despite a lot of effort the metabolites are just not getting anywhere."

After uncovering this underlying problem, the researchers were able to formulate a theoretical model that precisely captures the mathematical relationship of the trade-off between the rate of growth and the rate of adaptability. The model also made a number of precise quantitative predictions of genetic changes that affect the trade-off, which were validated experimentally.

The trade-off uncovered in this study potentially explains why microbes grow at different rates in different environments, sometimes much more slowly than expected based on other experimental evidence such as protein composition, Basan said.

Slower-than-expected growth was thought to be due to poor-quality nutrients, but the new findings suggest that it may instead arise because some nutrients signal unstable, highly fluctuating ecological environments to the microbe, where a more careful growth strategy is advantageous.

This is illustrated by a number of simple mutations in the E. coli genome that allow for much faster growth in specific conditions but also cause deficiency in adaptability.

"The study illustrates how hard-wired trade-offs between competing objectives may have shaped microbial evolution and the phenotypes that we see in different bacterial species today," Basan said. "Understanding such trade-offs gives us a rare glimpse into the complex ecological choices made by different bacterial species and helps us model these choices in a quantitative and predictive way."

The trade-off between fast growth and adaptability uncovered in this work, may help to understand the interactions in complex microbial communities like in the microbiota.

"Such trade-offs can give rise to the coexistence of bacteria with different strategies in the same ecological niche," Basan said.

Because central metabolism is highly conserved between species from bacteria to humans, a better understanding of central metabolism and its intrinsic limitations may help to understand complex human diseases.

Mathematical models that can quantitatively predict the behavior of complex biological systems like one developed in this work can also have practical relevance for synthetic biology and bioengineering applications, the authors said.

"Hopefully, quantitative and predictive models can someday transform the process for building things in biology from tedious trial and error to something more like a modern engineering discipline," Basan said. "For example, it's pretty useful for engineers to be able to calculate that something like the Golden Gate Bridge is not going to collapse, without needing build it first to try it out."


Assista o vídeo: Microbiologia Ambiental - Crescimento microbiano e Fungos (Janeiro 2022).