Mecanismos de inhibición de quorum sensing: estudio en la microbiota de invertebrados marinos y análisis in silico en el medio ambiente

Abstract

La comunicación bacteriana quorum sensing (QS) controla la producción de factores de virulencia en numerosas especies patógenas, regulando así el desarrollo de distintas enfermedades infecciosas bacterianas. Estos sistemas están caracterizados por la síntesis y detección de moléculas autoinductoras, cuya concentración depende de la densidad celular que, cuando es elevada, desencadena la expresión y/o represión de determinados genes. El interés en el conocimiento de estos sistemas se ha incrementado en los últimos años, en parte, debido al desarrollo de resistencias bacterianas frente a los antibióticos que se suelen utilizar en el tratamiento de las enfermedades. Por ello, la interferencia con los sistemas QS supone una alternativa novedosa y respetuosa con el medio ambiente en la lucha frente a dichas infecciones. La interrupción de estos sistemas implicaría la inhibición o atenuación de la virulencia de los patógenos sin afectar a su crecimiento, y en consecuencia, una menor incidencia de resistencias. En este trabajo se han estudiado los mecanismos de interferencia de los sistemas QS en bacterias aisladas de la microbiota de invertebrados marinos. Estos animales son una fuente muy importante, e inexplorada hasta la fecha, de compuestos con dicha actividad biológica. Entre ellas se seleccionaron 23 bacterias pertenecientes al género Vibrio que interfieren con los sistemas QS siguiendo un mecanismo no enzimático, lo que se conoce como quorum sensing inhibition (QSI). Una de ellas destacó por la producción de tiramina y N-acetiltiramina, responsables de la actividad QSI. Por otro lado, se seleccionaron 21 bacterias productoras de enzimas que degradan las moléculas autoinductoras N-acil homoserina lactonas (AHL), denominadas enzimas quorum quenching (QQ). Se caracterizaron los mecanismos de degradación enzimática, destacando la abundancia de enzimas tipo acilasa, así como su potencial uso en la reducción de la virulencia de patógenos mediante ensayos in vitro e in vivo. Dada la importancia de los mecanismos de degradación de tipo QQ, también se han empleado técnicas bioinformáticas y metagenómicas para determinar la abundancia de las enzimas QQ en numerosos ambientes de orígenes muy diversos, utilizando metagenomas de libre acceso. Se demuestra la abundancia de las enzimas QQ en los mismos, confirmando además que las lactonasas suelen ser más abundantes que las acilasas. Por último, utilizando como modelo la enzima HqiA con lactividad lactonasa, encontrada en nuestro grupo de investigación en un trabajo anterior, se caracterizó el centro activo responsable de dicha actividad y se identificó otra enzima QQ del mismo grupo en una bacteria en la que no se había descrito anteriormente. En resumen, esta tesis doctoral abarca el estudio de los mecanismos de interferencia de los sistemas QS desde distintos ángulos, demostrando la importancia de los mismos y su potencial aplicación biotecnológica.

Quorum sensing (QS) bacterial communication controls the production of virulence factors in numerous pathogenic species, thus regulating the development of different bacterial infectious diseases. These systems are characterized by the production and detection of autoinducers, which is cell-density dependent. Once a threshold concentration is reached, autoinducers regulate target gene expression in many microorganisms. Interest in understanding QS systems has been increasing in the last few years, due in part of the development of bacterial resistances to antibiotics that are used in the tratement of bacterial infections. Therefore, QS inhibition is a novel and eco-friendly alternative in the fight against such infections. QS interruption would imply the inhibition or attenuation of the pathogens virulence without affecting their growth, thus provoking less resistances. In this work, QS disruption mechanisms in the microbiota of marine invertebrates have been studied. Marine invertebrate symbiotic microorganisms are considered to be an underexplored source of new bioactive molecules. Among them, 23 strains belonging to the genus Vibrio were selected for their ability to interfere with QS following a nonenzymatic mechanism (QSI). One of them stood out for the production of tyramine and N-acetyltyramine, the compounds responsible of its QSI activity. Secondly, 21 strains were selected for their ability of producing N-acylhomserin lactone (AHL)-degrading enzymes, called Quorum Quenching (QQ) enzymes. The inhibition mechanisms were characterized, highlighting the abundance of acylase-like enzymes. Moreover, the potential use of QQ enzymes in the reduction of the virulence of pathogens through in vitro and in vivo assays was evaluated. Given the increasing importance of QQ inhibition mechanisms, bioinformatics and metagenomics have also been used to determine the QQ enzyme abundance in numerous environments from very diverse origins, using free access metagenomes The abundance of QQ systems in different environments has veen demonstrated, confirming that lactonases are usually more abundant than acylases. Lastly, the active site responsible of the QQ activity was found in the HqiA isochorismatase with lactonase activity, a new enzyme found by our research group in a previous work. This information has been used to identify for the first time the QQ activity in a group of isochorismatases in other bacteria. To sum up, this Doctoral Thesis covers the study of QS inhibition systems from different points of view, demonstrating the importance of them and its potential biotechnological application.