Deciphering the evolutionary trajectory of Burkholderia multivorans during chronic respiratory infections in cystic fibrosis patients and unraveling the mechanisms of multicellular aggregates formation

21/05/2024

A bactéria oportunista Burkholderia multivorans sofre um processo de adaptação para prosperar nos pulmões de doentes de fibrose quística (FQ). Neste processo, forças genéticas ao nível populacional, conduzem a extensas mudanças fenotípicas e genotípicas ainda pouco caracterizadas. Como tal, este estudo incide na dinâmica adaptativa de B. multivorans em vários doentes com FQ, tendo revelado paralelismos e convergências a nível genómico e fenotípico, e ainda padrões evolutivos associados a este ambiente específico. Além disso, identificaram-se vários genes possivelmente correlacionados com cada transição fenotípica, juntamente com mutações bacterianas associadas à diminuição da função pulmonar destes doentes. O estudo destas correlações genéticas, juntamente com a falta de ferramentas de edição de genomas, motivou a otimização de uma ferramenta baseada na tecnologia CRISPR/Cas9 para a manipulação genética de B. multivorans. Esta ferramenta acelerou a investigação sobre a característica adaptativa mais complexa aqui identificada – a formação de biofilmes. Apesar dos biofilmes serem ubíquos, os biofilmes-não-aderentes a superfícies (agregados multicelulares) encontram-se em infeções respiratórias crónicas em pacientes com FQ, desemprenhando um papel crucial na interação com o hospedeiro. Utilizando um sistema de crescimento planctónico, confirmou-se a persistência da formação de agregados nos isolados clínicos de B. multivorans ao longo da infeção. A disponibilidade de nutrientes e outras condições de stress que mimetizam os pulmões destes doentes estimularam a agregação, sendo o polissacárido Bep o principal componente da matriz extracelular. Apesar de alguns genes importantes para agregação serem conhecidos, os intervenientes na agregação em B. multivorans continuam pouco estudados. Assim, utilizando diferentes estratégias, identificaram-se novos intervenientes, enfatizando a participação de processos regulatórios e do metabolismo central, e ainda novas vias, como o possível envolvimento de solutos compatíveis, na formação de agregados. Estes resultados permitem compreender melhor o mecanismo de adaptação de B. multivorans nos doentes de FQ, possibilitando novos avanços no combate a estas infeções bacterianas. Burkholderia multivorans undergo critical adaptations to thrive in challenging environments, especially the lungs of cystic fibrosis (CF) patients. This pathogen undergoes a process of pathoadaptation, where population genetic forces drive both phenotypic and genomic changes. This study on the adaptation dynamics of B. multivorans strains across different CF patients revealed parallelisms and convergences at genomic and phenotypic levels, shedding light on the bacterial evolution patterns associated with this specific environment. In addition, successful identification of candidate genes correlated with each phenotype transition, along with bacterial mutational events linked to the decrease in lung function in these patients, was achieved. The need for additional research into the genetic correlations previously established, together with the limited genetic tools available, prompted the adaptation of a CRISPR/Cas9-based system for the genetic manipulation of B. multivorans. This tool has contributed significantly to accelerating research into the most complex pathoadaptive trait identified before – biofilm formation. While biofilms are ubiquitous, non-surface-attached biofilms (aggregates) have been found in CF chronic respiratory infections, playing a role in interactions with the host. Using a planktonic growth system, it was confirmed the persistence of aggregate formation by B. multivorans clinical isolates throughout infection. Availability of nutrients and stressful conditions mimicking CF lungs stimulated aggregate formation, and the Bep polysaccharide was the major contributor to aggregation. Despite some contributing genes already identified, the players involved in multicellular aggregate formation in B. multivorans remain poorly understood. Thus, employing different strategies, it increased the number of identified players potentially involved in aggregation, emphasizing the critical involvement of core metabolic and regulatory processes, and identifying new pathways, such as the involvement of osmoprotectants. The valuable insights here gained contribute to the understanding of B. multivorans adaptation within CF patients, paving the way for future advancements in combating these bacterial infections.

Autores da comunidade :

• 

  M

  Mirela Rodrigues Ferreira

  ist187842

Orientadores desta instituição:

• 

  L

  Leonilde de Fátima Morais Moreira

  ist14082

• 

  A

  Arsénio do Carmo Sales Mendes Fialho

  ist12833

101784244

Doutoramento em Biotecnologia e Biociências

biological-sciences - Ciências Biológicas

Palavras-chave

• Burkholderia multivorans
• Polissacárido Bep
• Adaptação
• Agregados celulares
• CRISPR/Cas9
• Bep polysaccharide
• Pathoadaptation
• Cellular aggregates

eng - Inglês

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