Comunicación intercelular bacteriana y su inhibición en ambientes salinos

Resumen

Las enfermedades infecciosas bacterianas que afectan a la acuicultura constituyen un serio problema en todo el mundo y causan enormes pérdidas económicas en el sector. Para su prevención se han usado durante muchos años los antibióticos, lo que ha provocado la aparición de muchas resistencias y con ello, que los tratamientos no sean efectivos (Cabello et al., 2013; FAO, 2016). Se ha demostrado que un gran número de especies patógenas bacterianas poseen sistemas de comunicación intercelular de tipo quorum sensing (QS) mediados por moléculas señal, con las que regulan distintas funciones celulares, entre las que se encuentran la producción de factores de virulencia (González y Keshavan, 2006). Debido a ello, hoy en día la alternativa más novedosa para tratar las enfermedades infecciosas en la acuicultura es la interrupción de los mecanismos QS de las bacterias patógenas. Entre las distintas estrategias que existen para interferir los sistemas QS se encuentra la degradación de las moléculas señal, lo que se conoce como quorum quenching (QQ) (Zhang, 2003; Uroz et al., 2009). En este estudio presentamos la selección y caracterización de cepas con actividad QQ a partir de dos colecciones de 146 y 450 aislados marinos procedentes de criaderos peces y moluscos de Lugo y de Granada. Se han seleccionado en total 22 cepas con una elevada capacidad degradadora de AHLs tanto sintéticas como producidas por especies patógenas de Vibrio. Las AHLs de tres de los patógenos ensayados han sido descritas por primera vez y de forma paralela en este trabajo. Además, se han identificado taxonómicamente las cepas seleccionadas, perteneciendo la mayoría a las familias Alteromonadaceae y Pseudoalteromonadaceae, y se ha analizado el tipo de enzimas QQ que poseen. Seguidamente, tres de estas cepas se han utilizado en ensayos in vivo en la almeja babosa Venerupis corrugata y en el coral escleractinio Oculina patagonica, donde han disminuido la mortalidad frente a infecciones por especies patógenas de Vibrio, por lo que estas cepas podrían utlizarse como herramientas futuras para el tratamiento de enfermedades en el sector de la acuicultura. En esta tesis también se ha abordado la búsqueda de nuevas enzimas de QQ en suelos salinos utilizando técnicas de ecología molecular. La construcción de una librería metagenómica a partir de un suelo salino de Rambla Salada (Murcia) y el análisis de 250.000 clones han permitido la identificación de un único clon con capacidad de degradar moléculas señal, demostrando así que la presencia de genes QQ en los ambientes terrestres es menos frecuente que en los acuáticos. La caracterización genética y química de este clon ha permitido la identificación de una nueva clase de enzima QQ no relacionada con otros tipos de enzimas descritos previamente. Esta enzima ha sido probada in vivo frente a bacterias patógenas tanto del sector de la acuicultura como de la agricultura, y se han obtenido resultados muy prometedores. Se reivindica así la interferencia de la comunicación intercelular bacteriana como una estrategia eficaz para combatir las enfermedades infecciosas reguladas por QS. Bacterial infectious diseases affecting aquaculture are a serious problem worldwide and cause enormous economic losses in the sector. For their prevention, antibiotics have been used for many years, which has led to the appearance of many resistances thus causing the treatments to become in effective (Cabello et al., 2013; FAO 2016). It has been demonstrated that a large number of bacterial pathogenic species have quorum sensing intercellular communication systems (QS) mediated by signal molecules, with which they regulate different cellular functions, among which are the production of virulence factors (González and Keshavan, 2006). Due to this, currently the most novel alternative to treat infectious diseases in aquaculture is the interruption of the QS mechanisms of pathogenic bacteria. Amongst the various strategies that exist to interfere with QS systems is the degradation of signal molecules, which is known as quorum quenching (QQ) (Zhang, 2003; Uroz et al., 2009). In this study, we present the selection and characterization of strains with QQ activity from two collections of 146 and 450 marine isolates from fish and mollusc hatcheries from Lugo and Granada. A total of 22 strains have been selected due to their high ability to degrade both synthetic AHLs and those produced by pathogenic Vibrio species. AHLs from three of these pathogens have been described for the first time in this study. In addition, the selected strains have been taxonomically identified, the majority belonging to the families Alteromonadaceae and Pseudoalteromonadaceae, and the type of their QQ enzymes have been analyzed. Three of these strains have been used in vivo in the pullet carpet shell Venerupis corrugata and in the scleractinian coral Oculina patagonica, where mortality has been reduced in relation to infections by pathogenic Vibrio species, so that these strains could be used in the future as tools for the treatment of diseases in the aquaculture sector. This thesis has also addressed the search for new QQ enzymes in saline soils using molecular ecology techniques. The construction of a metagenomic library from a saline soil from Rambla Salada (Murcia) and the screening of 250,000 clones has allowed the identification of a single clone with the capacity to degrade signal molecules, thus demonstrating that the presence of QQ genes in terrestrial environments is less frequent than in aquatic organisms. The genetic and chemical characterization of this clone has allowed the identification of a new class of QQ enzyme unrelated to other types of enzymes previously described. This enzyme has been tested in vivo against pathogenic bacteria both from the aquaculture and agriculture sectors, and very promising results have been obtained. The interference of bacterial intercellular communication is thus advocated as an effective strategy to combat infectious diseases regulated by QS. - Cabello, F.C., Godfrey, H.P., Tomova, A., Ivanova, L., Dölz, H., Millanao, A., and Buschmann, A.H. (2013) Antimicrobial use in aquaculture re-examined: Its relevance to antimicrobial resistance and to animal and human health. Environ. Microbiol. 15: 1917–1942. - FAO. (2016) El Estado mudial de la pesca y la acuicultura. - González, J.E. and Keshavan, N.D. (2006) Messing with bacterial quorum sensing. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 70: 859–875. - Uroz, S., Dessaux, Y., and Oger, P. (2009) Quorum sensing and quorum quenching: the Yin and Yang of bacterial communication. ChemBioChem 10: 205–216. - Zhang, L. (2003) Quorum quenching and proactive host defense. Trends Plant Sci. 8: 238–244.