커뮤니티 정족수 감지 신호 및 담금질: 미생물 과립 생물막 조립

npj 생물막 및 미생물군집 1권, 기사 번호: 15006(2015) 이 기사 인용

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기능성 활성 슬러지에서 쿼럼 감지(QS) 신호의 기울기 역할을 조사한 최근 보고서는 커뮤니티 전반에 걸쳐 신호 합성 및 분해 또는 QQ(정족수 담금질)의 공유 시스템이 QS 생물학이 수행하는 수단을 알려주는지 여부에 대한 의문을 제기했습니다. 응집체 및 과립형 생물막 집합을 조절합니다.

이 연구에서 우리는 매우 다양한 미생물 생물막 공동체에서 종의 기원과 QS 및 QQ 활동의 상호 작용 역할을 탐구하는 것을 목표로 했습니다.

여기에서 이러한 목표는 두 가지 관련되어 있지만 독립적으로 진화된 응집체 및 입상 슬러지 공동체를 사용하여 포괄적인 다각적 RNA 시퀀싱, 미생물학 및 분석 화학 실험 접근 방식을 통해 체계적으로 해결되었습니다.

우리의 데이터는 두 공동체의 QS와 QQ 잠재력 사이의 뚜렷한 차이를 보여 주었으며, 다른 종은 주로 QS 또는 QQ 기능을 표시합니다. 응집성 슬러지 공동체는 높은 비율의 QQ 활성을 나타냈으며, 이 비율은 분해 특이성을 입증하는 아실 사슬 길이에 따라 달라졌습니다. 응집형 바이오매스가 입상 슬러지로 변환되었을 때 공동체의 QQ 활동은 30% 감소했습니다. 아실 사슬에 탄소가 4~8개 있는 N-아실 호모세린 락톤은 과립 단계에 축적되었으며, 그 농도는 응집 단계보다 최소 3배 이상 높았습니다. 이러한 발견은 플록에서 과립으로 전환하는 동안 지배적인 종의 잠재적인 신호 소멸자에서 생산자로의 주요 이동이 관찰되어 군집 행동을 조정하는 데 있어 종 구성 및 관련 신호 활동의 역할을 나타내는 메타 군집 분석을 확증했습니다.

이 연구는 QQ가 공동체 수준의 QS 신호 전달을 조절하는 데 중요한 기능을 갖고 있으며 복잡한 공동체 집합에서 QS 생물학의 역할에 대한 기계적 통찰력을 제공한다는 것을 시사합니다.

대부분의 자연 및 공학적 생태계에서 박테리아는 일반적으로 미생물 생물막으로 알려진 집합체의 구조화된 공동체에 주로 거주합니다.1 이러한 미생물 집단은 다양한 대사 능력을 갖고 집합적으로 다른 미생물군집 수준의 특성을 나타내는 수백에서 수천 개의 박테리아 종으로 구성될 수 있습니다. 플랑크톤 세포.2,3 복잡한 생물막의 전체 구성과 기능은 일반적으로 서로 다른 미생물 종 간의 상호 작용에 의해 좌우됩니다.1,3 이러한 복잡한 다종 생물막 내에서 종간 상호 작용의 역학을 이해하는 것은 어려운 일이지만 이를 위해서는 중요합니다. 주요 생태계 기능을 제어하고 규제합니다. 여기에는 예를 들어 물과 폐수 처리 또는 생물막 관련 질병 치료를 위한 매우 안정적이고 지속 가능한 미생물 군집의 엔지니어링이 포함됩니다.

많은 경우 종간 상호작용에는 일반적으로 쿼럼 센싱(QS)이라고 불리는 메커니즘인 작은 확산성 신호 분자를 통한 의사소통이 포함됩니다.3 많은 박테리아는 QS를 사용하여 생물막 형성, 외효소 생성 및 독성 인자 분비를 포함하되 이에 국한되지 않는 집단 행동을 동기화합니다. N-아실 호모세린 락톤(AHL) 매개 QS 시스템은 가장 잘 특성화된 박테리아 통신 시스템 중 하나이며 다양한 환경에서 분리된 프로테오박테리아의 ~10%에 존재합니다. 생태학적 틈새.6-8 여러 공동체 구성원이 동일한 클래스의 신호 분자를 공유하는 결과로, 서로 다른 종의 박테리아 간 또는 심지어 서로 다른 영역의 유기체 간 누화 또는 통신이 가능합니다.9-12 예를 들어 Burkholderia cepacia는 다음을 인식할 수 있습니다. 공동 배양에서 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)에 의해 방출된 AHL은 QS 활동이 없을 때 별도의 비혼합 미세군집이 형성되는 것과 대조적으로 혼합된 미세군집이 형성됩니다.10 AHL은 또한 복잡한 공동체에서 생물학적으로 관련된 농도로 존재합니다. 낭포성 섬유증 환자의 가래,13 미생물 매트,14 반추위15 및 폐수 처리장을 포함한 다양한 범위의 서식지.16,17 이러한 발견은 지역사회 수준의 QS 신호 전달이 대부분의 서식지에서 중요할 가능성이 있음을 시사합니다. 실제로 복잡한 혼합 종 슬러지 생물막의 형성과 미생물 과립의 조립에서 AHL 매개 QS의 역할이 최근 막 생물 반응기18 및 연속 회분식 반응기(SBR)19에서 각각 입증되었습니다. SBR의 경우, 특정 AHL의 현장 생산이 미생물 과립의 형태형성과 강력하고 긍정적인 상관관계가 있는 것으로 밝혀졌습니다. AHL 농도의 증가는 과립의 형성과 관련이 있는 반면, 농도의 감소는 과립의 분해 및 플록으로의 전환과 동시에 발생합니다.19 가장 중요한 것은 이러한 과정이 과립 군집의 다양한 미생물 종의 풍부함과 밀접하게 관련되어 있다는 것입니다. 이는 매우 복잡한 AHL 기반 공동체 상호 작용을 시사합니다.19 그러나 이러한 상호 작용이 복잡한 공동체의 계통발생적으로 다른 개별 종들 사이에서 어떻게 달성되고 조정될 수 있는지는 불분명합니다.

97%) were purchased from Sigma-Aldrich (Singapore). Each AHL was expressed as an acronym: C4-HSL (N-butyryl-DL-homoserine lactone), C6-HSL (N-hexanoyl-DL-homoserine lactone), 3OC6-HSL (N-(3-oxohexanoyl)-DL-homoserine lactone), C7-HSL (N-heptanoyl-DL-homoserine lactone), C8-HSL (N-octanoyl-DL-homoserine lactone), 3OC8-HSL (N-(3-oxooctanoyl)-l-homoserine lactone), C10-HSL (N-decanoyl-DL-homoserine lactone), 3OC10-HSL (N-(3-oxodecanoyl)-L-homoserine lactone), C12-HSL (N-dodecanoyl-DL-homoserine lactone), 3OC12-HSL (N-(3-oxododecanoyl)-L-homoserine lactone), 3OHC12-HSL (N-(3-hydroxydodecanoyl)-DL-homoserine lactone), C14-HSL (N-tetradecanoyl-DL-homoserine lactone) and 3OC14-HSL (N-(3-oxotetradecanoyl)-L-homoserine lactone)./p>97% is shown where it is applicable. False discovery rate corrections for multiple comparisons were performed, and significant differences are indicated as follows: *P<0.05, **P<0.01 and ***P<0.001. The signalling properties of the granular sludge community was adapted from Tan et al.19/p>70% of the top 50 most abundant community members were negatively correlated with AHL accumulation (Figure 4; left panel—Cluster 3). Although many factors may have contributed to the negative relationships, one key factor could be that Cluster 3 community members were potential quenchers that antagonise signal accumulation. In support of this, one of the cluster members, Tag 43 (Diaphorobacter nitroreducens R042), was isolated and confirmed to be an AHL quencher (Supplementary Table S2). The higher proportions of signal quenchers relative to the producers in the whole community may thus explain the short half-lives of AHLs, and hence the low AHL concentrations at the floccular stage (Figure 1 and Supplementary Figure S6). Conversely, there was a shift in the community towards QS, i.e., positive correlations, with a concomitant decrease in QQ organisms, i.e., negative correlations, when the biomass was transformed from flocs to granules (Figure 4, right panel). For example, Lysobacter brunescens R037 (Figure 4, right panel—Tag 6 in granular sludge), a signal producer that has been isolated from the community, was almost undetectable at the floccular stage but was highly abundant during granulation.19 In contrast, the signal quencher, D. nitroreducens R042 (Figure 4; Tag 43 in the floccular sludge, which is equivalent to Tag 17 in the granular sludge) was highly abundant in the floccular sludge and was decreased substantially during granulation.19 Although it is not yet possible to determine whether the community shift from the potential QQ organisms to QS organisms is a direct cause of granulation, or whether granulation favours the enrichment of QS organisms over the QQ species, the strong associations between both QS-dominated communities and granules, and QQ-dominated communities and flocs, suggest that differential AHL signalling is important in community level functions, such as granulation./p>65% of community members of diverse taxa engaged in the signalling and quenching processes. The dynamic abundance of QS and QQ organisms, as well as their respective signalling and quenching kinetics, appear to have a key role for defining the overall signal gradient, and hence regulate the transition from floccular to granular biofilms. Importantly, these findings may also imply that complex community assembly is a developmental process driven by QS signalling, with the enrichment of specific community members with QS signalling properties and exclusion of members with anti-QS signalling traits. The observation that QS and QQ activities are associated with phylogenetically diverse microbial species that are commonly found in many different natural habitats, in engineered ecosystems as well as in clinical settings, strongly suggests that AHL-mediated community communication could be a general feature of complex communities, and that the QS and QQ activities may have a significant role in the selection of stable and functional microbial assemblages./p>