Unraveling the role of H-NS-like proteins and environmental stressors on the pathoadaptive evolution of Burkholderia multivorans to the cystic fibrosis lung

January 31, 2025

Após infetar o pulmão de fibrose quística (FQ), a bactéria Burkholderia multivorans atravessa um processo adaptativo que lhe permite persistir neste ambiente. Este processo envolve alterações genómicas e fenotípicas que são impulsionadas pelas condições ambientais envolventes. O presente estudo foca-se nos mecanismos de adaptação de B. multivorans ao pulmão de FQ, tendo demonstrado que existe um paralelismo entre populações evoluídas in vitro e isolados clínicos. Conseguiu-se identificar novas vias reguladoras, uma vez que se descobriu que, as proteínas estruturantes do nucleoide H-NS são capazes de regular a síntese de polissacárido e de outros mecanismos de virulência. Esta regulação poderá ocorrer devido à cooperação entre as H-NS codificadas por B. multivorans, mostrando a complexidade desta regulação. Foram realizadas experiências de evolução in vitro e in vivo com o objetivo de identificar novos intervenientes da resposta adaptativa de B. multivorans. Embora coculturas com Staphylococcus aureus tenham sido bem-sucedidas, a presença de Pseudomonas aeruginosa levou à inibição do crescimento de B. multivorans. A sua evolução com tobramicina levou à identificação de mutações nos genes fusA ettgR/mexZ, embora genes associados a estruturas membranares como a produção de lipopolissacárido e fosfolípidos, possam também estar envolvidos na resistência a antibióticos, especialmente em biofilmes. A evolução de B. multivorans no modelo animal Galleria mellonella produziu populações mais virulentas. Observou-se que mutações em genes associados à produção de flagelo e pili são selecionadas pelo sistema imunitário deste hospedeiro. Isto, associado com o facto de populações evoluídas sob a seleção do sistema imunitário serem menos fagocitadas por macrófagos, demostra que a evasão é, provavelmente, uma via de persistência no hospedeiro. No geral, o trabalho aqui descrito contribui para a compreensão de respostas desenvolvidas por B. multivorans às condições do pulmão de FQ, originando novas abordagens e avanços futuros associados à persistência bacteriana e ao controlo de infeções. Upon infection of the cystic fibrosis (CF) lung, Burkholderia multivorans undergo a process of pathoadaptation that directs the transition from an environmental opportunist to a persistence pathogen. This process involves genomic and phenotypic changes triggered by the challenging CF-lung environment. The present work delves into the intricate adaptation mechanisms employed by B. multivorans within the CF-lung, revealing a parallelism between in vitro experimentally evolved populations and CFlongitudinal series of clinical isolates. The identification of novel regulatory circuits was successfully achieved with the discovery of H-NS-like nucleoid structuring proteins as regulators of polysaccharide biosynthesis, as well as of other virulence traits. Furthermore, such regulation might be achieved by a functional cooperation between some of the conserved H-NS-like proteins encoded by B. multivorans, showing the complexity of this network. With the aim of identifying new players of the pathoadaptive response of B. multivorans, in vitro and in vivo experimental evolution was employed. Cocultures with Staphylococcus aureus were successful, but Pseudomonas aeruginosa completely inhibited the growth of B. multivorans. Evolution of B. multivorans in the presence of the aminoglycoside tobramycin identified mutations in fusA and ttgR/mexZ genes, although genes implicated in cell surface modifications such as lipopolysaccharide and phospholipid biosynthesis might also contribute to resistance, especially in biofilms. Evolution of B. multivorans in Galleria mellonella insect model resulted in evolved populations with increased virulence. Mutation in genes associated with flagella and pili biosynthesis are strongly selected by the immune system of this host. This, together with the fact that populations evolved under the immune system selection were less phagocytosed by macrophages, demonstrates that evasion is likely an important route to persistence in the host. Overall, the work here described contributes to the understanding of B. multivorans' responses to diKerent CF-lung stressors, creating new insights for future advancements in bacterial persistence and infections management.

Authors in the community:

• 

  S

  Sara Caracol Gomes

  ist188117

Supervisors of this institution:

• 

  L

  Leonilde de Fátima Morais Moreira

  ist14082

101626665

Doutoramento em Biotecnologia e Biociências

biological-sciences - Biological sciences

Keywords

• Burkholderia multivorans
• H-NS-like proteins
• Experimental evolution
• Antibiotic resistance
• Immune evasion
• Proteínas do tipo H-NS
• Experiências de evolução
• Resistência a antibióticos
• evasão ao sistema imunitário

eng - English

Instituto Superior Técnico

Financing entity

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Title of the project, award or grant: Evolution of Burkholderia multivorans traits required for persistent infections of the cystic fibrosis lung

Funding Stream: PhD grant

Identifier for the funding entity: https://doi.org/10.13039/501100001871

Type of identifier of the funding entity: Crossref Funder

Number for the project, award or grant: SFRH/BD/144198/2019