Suscetibilidade antimicrobiana de biofilme através de uma lente evolutiva experimental

Oct 13, 2023

npj Biofilms and Microbiomes volume 8, Número do artigo: 82 (2022) Citar este artigo

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Experimentos de evolução experimental em que as populações bacterianas são repetidamente expostas a um tratamento antimicrobiano e o exame do genótipo e fenótipo das bactérias evoluídas resultantes podem ajudar a esclarecer os mecanismos por trás da suscetibilidade reduzida. Nesta revisão, apresentamos uma visão geral de por que é importante incluir biofilmes na evolução experimental, quais abordagens estão disponíveis para estudar a evolução experimental em biofilmes e o que a evolução experimental nos ensinou sobre tolerância e resistência em biofilmes. Finalmente, apresentamos uma visão de consenso emergente sobre a suscetibilidade antimicrobiana do biofilme apoiada por dados obtidos durante estudos de evolução experimental.

A evolução experimental (Caixa 1) é o estudo dos processos evolutivos que ocorrem nas populações em resposta a condições impostas e controladas pelo experimentador1. Enquanto os primeiros estudos de evolução experimental microbiana datam da década de 18802, a evolução experimental foi introduzida na bacteriologia na década de 1950 por Francis J. Ryan3 e tornou-se conhecida devido ao experimento de evolução de longo prazo (LTEE) iniciado por Richard Lenski na década de 1980 e está em funcionamento há mais de 75.000 gerações4,5. O LTEE e muitos outros experimentos de evolução experimental são realizados em ambientes não estruturados, ou seja, em cultura líquida com agitação, com a maioria das bactérias em estado planctônico. No entanto, já em experimentos iniciais de evolução em ambientes estruturados, foram observadas diferenças marcantes em termos de evolução de aptidão (Caixa 1) e variabilidade dentro da população em comparação com o que é tipicamente observado em culturas planctônicas6,7.

Os biofilmes são comunidades microbianas estruturadas que estão ligadas a uma superfície ou ocorrem como agregados suspensos ou incorporados8. Vários gradientes (oxigênio, nutrientes, agentes antimicrobianos, …) estão presentes nos biofilmes, resultando no desenvolvimento de nichos espacialmente estruturados com condições ambientais distintas9 e esses microambientes co-determinam o resultado de infecções relacionadas ao biofilme, pois impactam diretamente no crescimento bacteriano e metabolismo, bem como sobre o efeito do tratamento antimicrobiano10,11,12,13.

A evolução experimental em geral14 e aspectos específicos da evolução experimental em biofilmes15 foram revistos recentemente; indicamos aos leitores essas análises para obter mais detalhes. Um breve resumo de por que as populações de biofilme se tornam mais diversas durante a evolução é apresentado abaixo.

Devido à sua heterogeneidade, os biofilmes contêm múltiplos nichos ecológicos, nem todos são utilizados pelos genótipos existentes; esses nichos não utilizados apresentam oportunidades para novos genótipos16. Além disso, novos genótipos podem criar nichos adicionais alterando o ambiente circundante ('construção de nicho')7,17. Devido à heterogeneidade espacial, as populações de biofilme podem ser consideradas como coleções de subpopulações que evoluem independentemente e essa fragmentação populacional reduz o tamanho efetivo da população. Como a contribuição relativa da deriva genética (Caixa 1) para a diversidade é maior em subpopulações menores, a heterogeneidade espacial acaba levando a mais diversidade16,18. A fragmentação da população também permite a fixação (Caixa 1) de mutações benéficas com um efeito relativamente pequeno em determinadas subpopulações. De fato, as mutações benéficas que têm um grande efeito são menos frequentes do que as mutações benéficas que têm um pequeno efeito e é improvável que as primeiras apareçam em todas as subpopulações; como consequência, espera-se que diferentes mutações benéficas com um pequeno efeito ocorram e sejam mantidas em diferentes subpopulações separadas espacialmente, levando a uma maior diversidade dentro da população como um todo19. Trabalhos experimentais e modelagem recentes mostraram que em um ambiente espacialmente estruturado a propagação de uma mutação benéfica é amplificada e que mutações benéficas são menos prováveis ​​de serem perdidas20. A razão para isso é que, em ambientes estruturados, a seleção pode aumentar a frequência de uma mutação benéfica em uma determinada subpopulação mais rapidamente do que a migração dessa mutação para outras subpopulações; como consequência, é provável que o mutante que abriga essa mutação benéfica seja capaz de migrar para novas subpopulações repetidamente, o que acaba reduzindo a probabilidade de perda dessa mutação devido à deriva genética20. A competição entre mutantes que abrigam diferentes mutações benéficas (interferência clonal, Caixa 1) aumenta os tempos de fixação (ou seja, levará mais tempo até que uma determinada mutação supere todas as outras) e a interferência clonal é mais frequente em ambientes espacialmente estruturados (pois as mutações benéficas mostram um lento , 'ondas' espalhadas pela população)21. Como consequência, múltiplas mutações benéficas podem co-ocorrer em biofilmes, novamente com uma maior diversidade como resultado22,23. A observação recente de que a evolução in vitro de Pseudomonas aeruginosa em condições mais semelhantes àquelas encontradas no pulmão de pacientes com fibrose cística (FC) (ou seja, em um meio sintético de CF [SCFM]) leva a um menor paralelismo (ou seja, mais diversidade ) do que a evolução em um meio mínimo, confirma a importância da presença de subpopulações separadas espacialmente para a geração de diversidade24,25. Em contraste com o meio mínimo, o SCFM contém mucina, o que permite a criação de subpopulações espacialmente estruturadas com tamanhos populacionais efetivos menores, tornando menos provável encontrar as mesmas mutações benéficas em populações replicadas25.