Sensibilità antimicrobica del biofilm attraverso una lente evolutiva sperimentale

Oct 13, 2023

npj Biofilm e microbiomi volume 8, numero articolo: 82 (2022) Citare questo articolo

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Esperimenti di evoluzione sperimentale in cui le popolazioni batteriche vengono ripetutamente esposte a un trattamento antimicrobico e l’esame del genotipo e del fenotipo dei batteri evoluti risultanti, possono aiutare a far luce sui meccanismi alla base della ridotta suscettibilità. In questa recensione presentiamo una panoramica del motivo per cui è importante includere i biofilm nell'evoluzione sperimentale, quali approcci sono disponibili per studiare l'evoluzione sperimentale nei biofilm e cosa ci ha insegnato l'evoluzione sperimentale sulla tolleranza e la resistenza nei biofilm. Infine, presentiamo una visione emergente di consenso sulla suscettibilità antimicrobica del biofilm supportata dai dati ottenuti durante gli studi di evoluzione sperimentale.

L'evoluzione sperimentale (Riquadro 1) è lo studio dei processi evolutivi che si verificano nelle popolazioni in risposta a condizioni imposte e controllate dallo sperimentatore1. Mentre i primi studi sperimentali sull'evoluzione microbica risalgono al 18802, l'evoluzione sperimentale fu introdotta in batteriologia negli anni '50 da Francis J. Ryan3 e divenne famosa grazie all'esperimento di evoluzione a lungo termine (LTEE) avviato da Richard Lenski negli anni '80 ed è attivo da oltre 75.000 generazioni4,5. L'LTEE e molti altri esperimenti di evoluzione sperimentale vengono condotti in ambienti non strutturati, cioè in coltura liquida con agitazione, con la maggior parte dei batteri in uno stato planctonico. Tuttavia, già nei primi esperimenti di evoluzione in ambienti strutturati, sono state osservate marcate differenze in termini di evoluzione della forma fisica (Riquadro 1) e variabilità all'interno della popolazione rispetto a quanto tipicamente osservato nelle culture planctoniche6,7.

I biofilm sono comunità microbiche strutturate che sono attaccate a una superficie o si presentano come aggregati sospesi o incorporati8. Vari gradienti (ossigeno, sostanze nutritive, agenti antimicrobici, …) sono presenti nei biofilm, determinando lo sviluppo di nicchie strutturate spazialmente con condizioni ambientali distinte9 e questi microambienti co-determinano l’esito delle infezioni correlate al biofilm, poiché influiscono direttamente sulla crescita batterica e sul metabolismo, nonché sull'effetto del trattamento antimicrobico10,11,12,13.

L'evoluzione sperimentale in generale14 e gli aspetti specifici dell'evoluzione sperimentale nei biofilm15 sono stati recentemente esaminati; rimandiamo i lettori a queste recensioni per maggiori dettagli. Di seguito viene presentato un breve riassunto del motivo per cui le popolazioni di biofilm diventano più diversificate durante l’evoluzione.

A causa della loro eterogeneità, i biofilm contengono molteplici nicchie ecologiche, non tutte utilizzate dai genotipi esistenti; queste nicchie inutilizzate presentano opportunità per nuovi genotipi16. Inoltre, nuovi genotipi possono creare nicchie aggiuntive alterando l'ambiente circostante (“costruzione di nicchie”)7,17. A causa dell’eterogeneità spaziale, le popolazioni di biofilm possono essere considerate come raccolte di sottopopolazioni che si evolvono in modo indipendente e questa frammentazione della popolazione riduce la dimensione effettiva della popolazione. Poiché il contributo relativo della deriva genetica (Riquadro 1) verso la diversità è maggiore nelle sottopopolazioni più piccole, l’eterogeneità spaziale alla fine porta a una maggiore diversità16,18. La frammentazione della popolazione consente anche la fissazione (Riquadro 1) di mutazioni benefiche con un effetto relativamente piccolo in particolari sottopopolazioni. In effetti, le mutazioni benefiche che hanno un effetto ampio sono meno frequenti delle mutazioni benefiche che hanno un effetto piccolo ed è improbabile che le prime compaiano in tutte le sottopopolazioni; di conseguenza si prevede che diverse mutazioni benefiche con un effetto limitato si verifichino e siano mantenute in diverse sottopopolazioni spazialmente separate, portando a una maggiore diversità all'interno della popolazione nel suo insieme19. Recenti lavori sperimentali e di modellizzazione hanno dimostrato che in un ambiente spazialmente strutturato la diffusione di una mutazione benefica è amplificata e che le mutazioni benefiche hanno meno probabilità di andare perdute20. La ragione di ciò è che negli ambienti strutturati la selezione può aumentare la frequenza di una mutazione benefica in una certa sottopopolazione più velocemente della migrazione di questa mutazione verso altre sottopopolazioni; di conseguenza, è probabile che il mutante che ospita questa mutazione benefica sia in grado di migrare ripetutamente verso nuove sottopopolazioni, il che in definitiva riduce la probabilità di perdita di questa mutazione a causa della deriva genetica20. La competizione tra mutanti che ospitano diverse mutazioni benefiche (interferenza clonale, riquadro 1) aumenta i tempi di fissazione (cioè, ci vorrà più tempo prima che una particolare mutazione prevalga su tutte le altre) e l'interferenza clonale è più frequente in ambienti spazialmente strutturati (poiché le mutazioni benefiche mostrano una lenta , diffusione “a onda” tra la popolazione)21. Di conseguenza, nei biofilm possono coesistere molteplici mutazioni benefiche, anche in questo caso con una maggiore diversità come risultato22,23. La recente osservazione che l'evoluzione in vitro di Pseudomonas aeruginosa in condizioni che sono molto simili a quelle incontrate nel polmone dei pazienti con fibrosi cistica (FC) (cioè in un mezzo sintetico CF [SCFM]) porta a un parallelismo inferiore (cioè, una maggiore diversità ) rispetto all'evoluzione in un mezzo minimo, conferma l'importanza della presenza di sottopopolazioni spazialmente separate per generare diversità24,25. In contrasto con il mezzo minimo, SCFM contiene mucina, che consente la creazione di sottopopolazioni strutturate spazialmente con dimensioni effettive della popolazione più piccole, rendendo meno probabile la presenza delle stesse mutazioni benefiche nelle popolazioni replicate25.