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6.11B: Biofilms - Biología

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Objetivos de aprendizaje

  • Describe las biopelículas

El biofilm es un agregado de microorganismos en el que las células se adhieren entre sí en una superficie. Estas células suelen estar incrustadas dentro de una matriz autoproducida de sustancia polimérica extracelular (EPS). El EPS de biopelícula, también conocido como limo, es un conglomerado polimérico compuesto de ADN extracelular, proteínas y polisacáridos. Las biopelículas pueden formarse en superficies vivas o no vivas y pueden prevalecer en entornos naturales, industriales y hospitalarios.

Las células microbianas que crecen en una biopelícula son fisiológicamente distintas de las células planctónicas del mismo organismo, que, por el contrario, son células individuales que pueden flotar o nadar en líquido. Los microbios forman una biopelícula en respuesta a muchos factores, incluido el reconocimiento celular de sitios de unión específicos o no específicos en una superficie, señales nutricionales o exposición de células planctónicas a concentraciones subinhibidoras de antibióticos. Cuando una célula cambia al modo de crecimiento de biopelícula, experimenta un cambio fenotípico en el comportamiento en el que grandes conjuntos de genes se regulan de manera diferencial.

La formación de una biopelícula comienza con la unión de microorganismos que flotan libremente a una superficie. Estos primeros colonos inicialmente forman una adhesión débil y reversible a la superficie a través de las fuerzas de van der Waals. Si los colonos no se separan inmediatamente de la superficie, pueden anclarse de manera más permanente utilizando estructuras de adhesión celular como pili. Algunas especies no pueden adherirse a una superficie por sí mismas, pero sí pueden anclarse a la matriz o directamente a los primeros colonos. Es durante esta colonización que las células pueden comunicarse a través de la detección de quórum utilizando productos como AHL. Una vez que ha comenzado la colonización, la biopelícula crece mediante una combinación de división celular y reclutamiento. La etapa final de la formación de biopelículas se conoce como desarrollo; esta es la etapa en la que se establece la biopelícula y puede cambiar solo en forma y tamaño. El desarrollo de una biopelícula puede permitir que una colonia (o colonias) de células agregadas sea resistente a los antibióticos.

En resumen, las cinco etapas del desarrollo de la biopelícula son las siguientes:

  1. Adjunto inicial
  2. Apego irreversible
  3. Maduración I
  4. Maduración II
  5. Dispersión

La dispersión de las células de la colonia de biopelículas es una etapa esencial del ciclo de vida de las biopelículas. La dispersión permite que las biopelículas se extiendan y colonicen nuevas superficies. Las enzimas que degradan la matriz extracelular de la biopelícula, como la dispersina B y la desoxirribonucleasa, pueden desempeñar un papel en la dispersión de la biopelícula. Las enzimas que degradan la matriz de la biopelícula pueden ser útiles como agentes anti-biopelícula. Evidencia reciente ha demostrado que un mensajero de ácido graso, el ácido cis-2-decenoico, es capaz de inducir la dispersión e inhibir el crecimiento de colonias de biopelículas. Secretado por Pseudomonas aeruginosa, este compuesto induce células cicloheteromórficas en varias especies de bacterias y la levadura Candida albicans. También se ha demostrado que el óxido nítrico desencadena la dispersión de biopelículas de varias especies de bacterias en concentraciones sub-tóxicas, por lo que muestra potencial para su uso en el tratamiento de pacientes que padecen infecciones crónicas causadas por biopelículas.

Las bacterias que viven en una biopelícula suelen tener propiedades significativamente diferentes a las de las bacterias que flotan libremente de la misma especie, ya que el entorno denso y protegido de la película les permite cooperar e interactuar de diversas formas. Un beneficio de este entorno es una mayor resistencia a los detergentes y antibióticos, ya que la densa matriz extracelular y la capa externa de células protegen el interior de la comunidad. En algunos casos, la resistencia a los antibióticos se puede multiplicar por mil. La transferencia lateral de genes también se facilita en gran medida en las biopelículas y conduce a una estructura más estable.

Sin embargo, las biopelículas no siempre son menos susceptibles a los antibióticos. Por ejemplo, la forma de biopelícula de Pseudomonas aeruginosa no tiene mayor resistencia a los antimicrobianos que las células planctónicas de fase estacionaria, aunque cuando se compara la biopelícula con las células planctónicas de fase logarítmica, la biopelícula muestra una mayor resistencia a los antimicrobianos. Esta resistencia a los antibióticos tanto en las células de la fase estacionaria como en las biopelículas puede deberse a la presencia de células persistentes.

Puntos clave

  • Los microbios forman una biopelícula en respuesta a muchos factores, incluido el reconocimiento celular de sitios de unión específicos o no específicos en una superficie, señales nutricionales o exposición de células planctónicas a concentraciones subinhibidoras de antibióticos.
  • La formación de una biopelícula comienza con la unión de microorganismos que flotan libremente a una superficie. Estos primeros colonos se adhieren inicialmente a la superficie mediante una adhesión débil y reversible a través de las fuerzas de van der Waals.
  • Si los colonos no se separan inmediatamente de la superficie, pueden anclarse de manera más permanente utilizando estructuras de adhesión celular como pili.

Términos clave

  • biopelícula: un agregado de microorganismos en el que las células se adhieren entre sí en una superficie

Explique cómo se pueden utilizar los microorganismos en respuesta a incidentes de contaminación, como un derrame de petróleo.

una. & laquobioremediation & raquo es el uso de microbios para eliminar los contaminantes ambientales del derrame de petróleo

B. algunos contaminantes son metabolizados / degradados por microorganismos

C. los microorganismos pueden ser eubacterias / arqueas

D. los microorganismos son útiles en la biorremediación porque pueden multiplicarse muy rápidamente y laquoby binary fisión & raquo

mi. los microorganismos pueden usar contaminantes / derrames de petróleo / petróleo crudo como fuentes de energía / fuentes de carbono / aceptores de electrones en la respiración celular

F. p.ej: Pseudomonas usado y biorremediación laquoin y raquo

gramo. Pseudomonas requiere nutrientes & laquos tales como potasio y urea & raquo para metabolizar el aceite a un ritmo más rápido & raquo rociado sobre un derrame de petróleo para ayudar a las bacterias en su trabajo & raquo


Empezando una nueva cara: de la bioquímica a la biología de las biopelículas

Después de trabajar con biopelículas bacterianas como modelo para comprender la evolución de las enzimas en entornos complejos, fue difícil volver a las bacterias domesticadas. En mi nuevo laboratorio, continuaremos creando un puente entre la biología de las biopelículas y la bioquímica evolutiva.

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En abril de 2019, publicamos en Nature Microbiology mi parte favorita de los seis increíbles años que pasé como becario postdoctoral en el laboratorio de Dan Tawfik (Instituto de Ciencias Weizmann, Israel). El proyecto fue diseñado en 2013, con el objetivo de contribuir a un campo fundamental de la biología: la bioquímica evolutiva.

La bioquímica evolutiva es, en términos generales, un campo multidisciplinario. El objetivo es comprender cómo los cambios en la secuencia del ADN (mutaciones) afectan la función enzimática y, a su vez, la supervivencia del organismo dentro de una población. Debido a sus rápidos tiempos de duplicación y ventajas técnicas, las bacterias suelen ser el organismo más común utilizado en el campo. Entonces, un bioquímico evolutivo es una combinación de genetista, ecólogo, microbiólogo y bioquímico. Personalmente, siempre me he inclinado por el lado bioquímico. Me gusta observar cómo las propiedades bioquímicas de las enzimas, como las afinidades de unión o los cambios catalíticos, se correlacionan con la supervivencia bacteriana. Entonces, tanto mis estudios de posgrado como mis estudios de posdoctorado los pasé en laboratorios de bioquímica evolutiva, donde las proteínas son el centro de atención.

En bioquímica evolutiva, sin embargo, muy a menudo, las mutaciones beneficiosas obtenidas en condiciones de laboratorio son diferentes de las que se encuentran más comúnmente en la naturaleza, entre los ortólogos. En el laboratorio de Danny decidimos comenzar a probar la evolución en biopelículas. Planteamos la hipótesis de que quizás los estados de crecimiento bacteriano más complejos, aunque todavía en condiciones controladas por el laboratorio, podrían imitar mejor la selección natural. Las biopelículas son uno de los estados más comunes de las bacterias en la naturaleza y son fundamentalmente diferentes de las poblaciones bacterianas en condiciones de agitación (planctónicas). Aún así, en bioquímica evolutiva, a menudo medimos la aptitud en el estado planctónico, en lugar del estado común y natural de las bacterias, la biopelícula.

En nuestro artículo de Nature Microbiology, medimos la aptitud de las mutaciones en poblaciones de biopelículas y comparamos los resultados con el escenario típico, obtenido con las condiciones de agitación. No daré más detalles sobre los hallazgos de nuestro artículo aquí, también puede encontrarlos en el blog "detrás del artículo" de esta comunidad. Creo que será suficiente decir que durante mi posdoctorado aprendí muchas lecciones científicas y personales importantes. Pero quizás uno de los más relevantes es mi evolucionado fascinación por las biopelículas y aunque en el fondo soy bioquímico, la microbiología comenzó a ganar un lugar significativo en mi interés científico.

Con mi nuevo enfoque centrado en las biopelículas, en julio pasado inicié mi propio laboratorio en el Departamento de Fitopatología y Microbiología de la Facultad de Agricultura de la Universidad Hebrea de Jerusalén, Israel. El objetivo principal de nuestro laboratorio es continuar analizando la evolución en biopelículas, desde una sólida perspectiva bioquímica. Las biopelículas no solo son uno de los estados más comunes de bacterias en la naturaleza, sino que también se sabe que prosperan mejor que las poblaciones planctónicas en condiciones ambientales adversas. Sin embargo, a pesar del claro potencial de adaptabilidad de las biopelículas, no sabemos lo suficiente sobre los mecanismos evolutivos que generan nuevas funciones enzimáticas en estas poblaciones bacterianas. Al combinar la genómica, la bioquímica y la microbiología de biopelículas, nuestro nuevo laboratorio explorará cómo las funciones metabólicas pueden evolucionar en poblaciones de biopelículas, mediando su alta capacidad de adaptabilidad. También esperamos que esta investigación oriente los esfuerzos futuros para diseñar nuevas funciones metabólicas en las biopelículas, que se han otorgado como biorreactores potencialmente mejores que las poblaciones planctónicas.


Nanocristales que erradican las biopelículas bacterianas

Crédito: Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH)

La pandemia de COVID-19 está generando temores de nuevos patógenos como virus o bacterias resistentes a los medicamentos. En esta nota, un equipo de investigación coreano ha llamado la atención recientemente por el desarrollo de la tecnología para eliminar las bacterias resistentes a los antibióticos mediante el control de la textura de la superficie de los nanomateriales.

Un equipo de investigación conjunto de POSTECH y UNIST ha presentado nanoestructuras de textura superficial (MTex) a base de óxido de FeCo mixto como plataforma magnetocatalítica altamente eficiente en la revista internacional Nano letras. El equipo estaba formado por los profesores In Su Lee y Amit Kumar con el Dr. Nitee Kumari del Departamento de Química de POSTECH y el Profesor Yoon-Kyung Cho y el Dr. Sumit Kumar del Departamento de Ingeniería Biomédica de UNIST.

Primero, los investigadores sintetizaron nanocristales de superficie lisa en los que varios iones metálicos se envolvieron en una capa de polímero orgánico y los calentaron a una temperatura muy alta. Mientras se recocía la capa de polímero, una reacción química de estado sólido a alta temperatura indujo la mezcla de otros iones metálicos en la superficie del nanocristal, creando una serie de ramas y agujeros de unos pocos nm. Se descubrió que esta textura de superficie única cataliza una reacción química que produce especies reactivas de oxígeno (ROS) que matan a las bacterias. También se confirmó que es altamente magnético y se atrae fácilmente hacia el campo magnético externo. El equipo había descubierto una estrategia sintética para convertir nanocristales normales sin características superficiales en nanocristales de óxido de metal mixto altamente funcionales.

Imagen de microscopio electrónico de transmisión (TEM) de Mtex. Crédito: POSTECH

El equipo de investigación llamó a esta topografía de la superficie, con ramas y agujeros que se asemejan a los de un campo arado, 'MTex'. Se ha verificado que esta textura de superficie única aumenta la movilidad de las nanopartículas para permitir una penetración eficiente en la matriz de la biopelícula, al tiempo que muestra una alta actividad en la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) que son letales para las bacterias.

Este sistema produce ROS en un amplio rango de pH y puede difundirse eficazmente en la biopelícula y matar las bacterias incrustadas resistentes a los antibióticos. Y dado que las nanoestructuras son magnéticas, los residuos de la biopelícula pueden eliminarse incluso de los microcanales de difícil acceso.

"Este MTex desarrollado recientemente muestra una alta actividad catalítica, distinta de la superficie lisa estable de las formas convencionales de espinela", explicó el Dr. Amit Kumar, uno de los autores correspondientes del artículo. "Esta característica es muy útil para infiltrar biopelículas incluso en espacios pequeños y es eficaz para matar las bacterias y eliminar las biopelículas".

"Esta investigación permite regular la nanotexturización de la superficie, lo que abre posibilidades para aumentar y controlar la exposición de los sitios activos", comentó el profesor In Su Lee, quien dirigió la investigación. "Anticipamos que las superficies con textura a nanoescala contribuirán significativamente en el desarrollo de una amplia gama de nuevas propiedades similares a las enzimas en la interfaz nano-bio".


Agradecimientos

Los autores agradecen a D. Kearns (Universidad de Indiana) por el amable obsequio del B. subtilis 2569 y Y. Liu por la instrucción del software. La caracterización regular de TEM se realizó en el Centro Nacional de Ciencia de las Proteínas, Shanghai. La microscopía de fluorescencia se realizó en las instalaciones centrales de imágenes moleculares de SLST, Universidad Tecnológica de Shanghai. Este trabajo fue financiado por la Comisión de Ciencia y Tecnología del Municipio de Shanghai (17JC1403900), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (No. 31570972) y el Fondo Financiero Abierto 2016 del Laboratorio Nacional de Ciencia y Tecnología Marinas de Qingdao (Beca No. QNLM2016ORP0403) para C. Zhong C. Zhong. también reconoce el apoyo financiero inicial de la Universidad ShanghaiTech y el Programa 1000 Jóvenes Talentos, otorgado por el Gobierno Central de China. El trabajo también fue financiado parcialmente por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (No 31872728) para J.H., y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (NSFC: No 31522017, No 31470834, No 31670869) para H.Y.


3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En un estudio inicial presentado aquí, se evaluaron las concentraciones inhibitorias mínimas (MIC) y las concentraciones de erradicación de biopelículas (MBEC) para todos los fenoles parentales y sus derivados AM frente a la bacteria Gram-negativa. P. aeruginosa y la bacteria Gram-positiva S. epidermidis. Los derivados de AM eran típicamente más potentes que sus correspondientes fenoles parentales contra las células planctónicas, aparte de 1 / 2k contra S. epidermidis (Tabla 1). Anteriormente hemos demostrado que los fenoles lipofílicos 1d (en particular) y 1e son inusualmente potentes para S. epidermidis (Walsh et al., 2020). La observación de que 2d exhibe una potencia más baja en comparación con 1d hacia ambas bacterias puede ser simplemente un caso en el que la actividad excepcional del fenol original se expresa ineficazmente en su AM. En el extremo superior (promedio de cuatro emparejamientos), los derivados de AM eran 66 veces más potentes que sus contrapartes fenólicas hacia S. epidermidis y 16,0 veces más potente para P. aeruginosa en la fase planctónica. Estos resultados son consistentes con la escisión del grupo AM a través de la esterasa intracelular, lo que da como resultado la retención celular y la concentración intracelular del antimicrobiano fenólico.

Concentración mínima inhibitoria (mM)
S. epidermidis P. aeruginosa
Compuesto Fenol SOY Fenol SOY
1 / 2a 1.9 0.1 1.9 0.5
1 / 2b 3.9 0.9 7.8 1.9
1 / 2c 15.6 0.23 7.8 1.9
1 / 2d 0.3 1.9 1.5 3
1 / 2e 4.5 1.9 7.8 3
1 / 2f 15.62 0.7 31.2 1.3
1/2 g 7.9 0.5 15.6 1.3
1/2 h 15.6 1.9 15.6 3.8
1 / 2i 15.6 0.1 7.8 0.9
1 / 2j 2.5 0.25 6.2 0.9
1 / 2k 0.9 1.5 1.9 0.75
1/2 l 0.9 0.7 1.9 1.5
El 1/2 m 15.6 7.8 31.2 25
1 / 2n 0.23 0.12 7.8 0.9
1 / 2o 0.23 0.023 3.9 0.5
1p / 3a 1.9 0.5 1.9 0.1
1q / 3b 3.1 0.6 3.9 0.9
1r / 3c 125 62.5 125 31.2
1s / 4a 15.6 3.9 15.6 1.9
1t / 4b 7.8 1.9 15.6 3.9

Contra las biopelículas, los AM fueron nuevamente más potentes que los fenoles originales, con raras excepciones. Con respecto a las biopelículas, los derivados de la MA (promedio de gama alta sobre cuatro emparejamientos) fueron 9.3 veces más potentes para S. epidermidis y 15.0 veces más potente contra P. aeruginosa. Estos resultados proporcionan una confirmación adicional de que la adición de un grupo AM puede aumentar sustancialmente la modesta potencia de los pequeños fenoles hacia las biopelículas y las células planctónicas. Debe enfatizarse aquí que los resultados anteriores apoyan fuertemente el uso de un enfoque de profármaco basado en AM para aumentar las actividades antimicrobianas, incluso aunque los presentes compuestos son activos a concentraciones micro / milimolares bajas altas. Se espera que la potencia de los antimicrobianos comercialmente exitosos aumente de manera similar mediante el uso de esta estrategia.

AM 2c, 2f, 2j, y 3b fueron los compuestos más potentes contra S. epidermidis biofilms, mientras que los AM 2f, 2k, 2j, y 3a fueron más efectivos para erradicar P. aeruginosa biopelículas. Las excepciones a la tendencia predominante son 1 / 2k, 1/2 g, y 1 / 2e donde padre y AM compartieron el mismo MBEC contra S. epidermidis y compuesto 2d donde la AM fue menos potente contra ambas bacterias (Tabla 2). En los casos de 1 / 2d,1 / 2e, y 1 / 2k (un clorofenol), el fenol original ya poseía una actividad excelente, con 2d y 2e compartiendo un sustituyente altamente hidrófobo en la posición 4 (vide supra Walsh et al., 2020).

Concentración mínima de erradicación de biopelículas (mM)
S. epidermidis P. aeruginosa
Compuesto Fenol SOY Fenol SOY
1 / 2a 31.2 6.2 62.5 12.5
1 / 2b 31.2 12.5 31.2 12.5
1 / 2c 31.2 3.1 62.5 6.2
1 / 2d 1.9 12.6 7.5 25
1 / 2e 6.2 6.2 50 25
1 / 2f 31.2 2.7 62.5 2.7
1/2 g 15.6 15.6 62.5 15.6
1/2 h 25 7.8 25 15.6
1 / 2i 62.5 6.2 31 12.5
1 / 2j 3.1 2.7 6.2 3.1
1 / 2k 6.2 6.2 12.5 3.1
1/2 l 31 7.8 31.2 12.5
El 1/2 m 50 12.6 50 15.6
1 / 2n 15.6 7.8 31.2 15
1 / 2o 31.2 7.8 62.5 15
1p / 3a 62.5 25 31.2 1.5
1q / 3b 6.2 3 12.5 6.2
1r / 3c 62.5 31.2 31.2 15.6
1s / 4a 50 15.6 100 15.6
1t / 4b 25 7.8 25 12.5

Como experimento de control, AM 3d, que carece de un OH fenólico, estaba entre los derivados de AM menos potentes, con una MBEC de 24 mM hacia ambas bacterias. Cabe señalar que muchos de estos AM poseen núcleos aromáticos ricos en electrones (es decir, 2c [por S. epidermidis], 2f y 3a) mientras que el otro es el derivado simple de 4-cloro 2j. La actividad inesperadamente alta de 2f nos impulsó a investigar el derivado de la capsaicina 2 h, para sondear un componente del receptor vainilloide. Desafortunadamente, 2 h no era de ninguna manera especial en su actividad.

También es interesante notar que los fenoles parentales más potentes no dieron como resultado de manera consistente los AM más potentes contra las biopelículas. Fenoles 1d, 1e, 1k, 1j, y 1q fueron más potentes hacia S. epidermidis, mientras que los fenoles 1d, 1h, 1k, 1j, y 1q fueron más potentes hacia P. aeruginosa (Tablas 1 y 2). De estos seis compuestos, los únicos AM con la máxima potencia fueron 2k y 2j hacia S. epidermidis, con 2j y 3b más activo hacia P. aeruginosa. Fenol 1f fue uno de los menos potentes contra ambas bacterias, mientras que 2f fue uno de los cinco más potentes contra ambas bacterias.

AM 2f y 2j fueron los compuestos más exitosos contra las biopelículas para ambos tipos de bacterias. Dos isómeros de 2f, 2g, y 3c también fueron evaluados. Sin embargo, estos isómeros demostraron una disminución sustancial en la potencia en comparación con 2f. Esta tendencia no se observó en los fenoles parentales donde 1 g fue el isómero más potente para S. epidermidis y 1r fue el isómero más potente para P. aeruginosa. En los fenoles parentales, no se observó una diferencia dramática en la potencia como ocurrió con los derivados del profármaco (Tabla 3).

Concentración mínima de erradicación de biopelículas (mM)
S. epidermidis P. aeruginosa
2a 6.2 3b 12.5
2f 2.7 1b 2.7
2g 15.6 10b 15.6
3a 25 11b 1.5
3c 31.2 12b 15.6

Estos resultados sugieren que el posicionamiento de los grupos funcionales alrededor del anillo aromático puede marcar una diferencia dramática en la potencia de los derivados de AM, que también se observa en los isómeros. 2a y 3a (Tabla 3). SOY 2a tiene grupos metilo es la posición 2 y 4 mientras que 3a tiene grupos metilo en las posiciones 2 y 6. Aquí, 2a es más potente hacia S. epidermidis y 3a más potente hacia P. aeruginosa (Tabla 3). Esto también se observó con los correspondientes fenoles (Tabla 2).

Se observó que todos los compuestos exhibían una mayor potencia hacia las células planctónicas en comparación con las biopelículas (Tablas 1 y 2). Los fenoles parentales fueron, en promedio, 26 veces más potentes para S. epidermidis células planctónicas en comparación con las biopelículas y 10 veces más potentes para P. aeruginosa en el estado planctónico. Los derivados de la MA fueron, en promedio, 55 veces más potentes frente al plancton S. epidermidis y 11 veces más potente contra el plancton P. aeruginosa en comparación con los estados de biopelícula correspondientes. Esto se esperaba debido a la mayor susceptibilidad de las células planctónicas. Los AM también experimentaron una mayor disparidad en las potencias entre las células planctónicas y las biopelículas que las que se observaron con los fenoles parentales. La última observación es consistente con la capacidad del iminodiacetato escindido para concentrarse dentro de las células, una característica de la que carece el fenol original.

Desde una perspectiva estructural, la serie AM 3aC, donde el OH fenólico ocupa la posición 4, no mostró consistentemente una potencia elevada o atenuada en comparación con 2ao, donde se espera la participación del OH fenólico en la quelación (vide supra). No obstante, es significativo que tanto 3a y 3b exhibió un aumento dramático en la potencia hacia P. aeruginosa. Curiosamente, los MA "no tradicionales" 4a y B no mostró una potencia mejorada hacia ninguna de las bacterias en comparación con las cinco MA "tradicionales" más potentes. Esto podría deberse a la distancia alargada del resto quelante del anillo aromático. Sin embargo, como antes, la sustitución de cloro aromático condujo a una mejora de la actividad (4b vs. 4a, Tabla 4) como era de esperar (Suter, 1941).

Concentración mínima de erradicación de biopelículas (mM)
S. epidermidis P. aeruginosa
Compuesto Fenol SOY Fenol SOY
1p / 3a 62.5 25 31.2 1.5
1q / 3b 6.2 3 12.5 6.2
1r / 3c 62.5 31.2 31.2 15.6
1s / 4a 50 15.6 100 15.6
1t / 4b 25 7.8 25 12.5

3.1 Comparación de profármacos AM con antibióticos comerciales

A pesar de lo gratificante que fueron las mejoras de actividad mencionadas anteriormente para los profármacos AM vis a vis sus fenoles progenitores, las potencias generales rara vez alcanzaron el rango micromolar esperado para los antibióticos modernos contra las células planctónicas. Para documentar un directo En comparación con los AM actuales, se seleccionaron tres antibióticos comerciales para la evaluación de MBEC bajo el ensayo actual hacia S. epidermidis y P. aeruginosa biopelículas (Tabla 4). El metronidazol es un derivado de nitroimidazol que se seleccionó para su uso en el tratamiento de una variedad de infecciones bacterianas y se ha demostrado que exhibe actividad hacia las biopelículas de Helicobacter pylori (Yonezawa, Osaki, Hojo y Kamiya, 2019) y C. difficile (Vuotto, Moura, Barbanti, Donelli y Spigaglia, 2016). El metronidazol tenía una MBEC de 6,2 mM hacia S. epidermidis y 50 mM hacia P. aeruginosa biopelículas. La tobramicina es un aminoglucósido que se eligió porque se ha estudiado ampliamente su eficacia frente a P. aeruginosa biopelículas y se ha utilizado clínicamente en el tratamiento de la fibrosis quística (Høiby et al., 2019). Bajo nuestro protocolo experimental, la tobramicina tenía un MBEC de 18 mM hacia S. epidermidis y de 0,06 mM hacia P. aeruginosa biopelículas. La nitazoxanida es un fármaco antiparasitario y antivírico de amplio espectro cuya eficacia se ha estudiado más recientemente contra las bacterias (Carvalho, Lin, Jiang y Nathan, 2009 Guttner, Windsor, Viiala, Dusci y Marshall, 2003 Singh y Narayan, 2011). También se ha demostrado que la nitazoxanida inhibe la formación de biopelículas de S. epidermidis (Tchouaffi-Nana et al., 2010). La nitazoxanida demostró una MBEC de 50 mM hacia S. epidermidis y de 3,12 mM hacia P. aeruginosa biopelículas.

Contra S. epidermidis biopelículas, varios compuestos de AM fueron más potentes que el metronidazol y la tobramicina. Se puede encontrar una tabla completa (Tabla S1) en el complemento. Todos los profármacos de 18 AM exhibieron un MBEC más bajo hacia P. aeruginosa en comparación con el metronidazol, aunque aquí, la tobramicina exhibió la mayor potencia de todos los compuestos evaluados. De manera similar, los 18 derivados de AM fueron más potentes para S. epidermidis en comparación con la nitazoxanida. Se podría anticipar que varios MA eran más potentes para ambas bacterias en comparación con el metronidazol, ya que el metronidazol se usa para tratar infecciones anaeróbicas mientras que ambos S. epidermidis y P. aeruginosa son ambos anaerobios facultativos.

En un estudio de control adicional, un número seleccionado de ácidos iminodiacéticos 5a, 5g, 5k, y 5l fueron evaluados por su potencia. Éstas son la forma escindida del fármaco, producida después de la escisión de la esterasa (Figura 2). No se esperaba que los iminodiacetatos libres penetraran eficazmente a través de las biopelículas o cruzaran la membrana celular con tanta eficacia como sus homólogos AM.

Todos los iminodiacetatos fueron significativamente menos potentes que sus correspondientes profármacos AM contra las biopelículas (Tabla 5). Los AM fueron, en promedio, 10 veces más potentes que los correspondientes iminodiacetatos contra S. epidermidis y 16 veces más potente contra P. aeruginosa biopelículas. Esto también respalda que la forma AM del fármaco puede penetrar y erradicar las células dentro de una biopelícula. En comparación con los fenoles 5a, 5g, 5k, y 5l, también se observó que los iminodiacetatos correspondientes eran a menudo menos potentes (Tablas 1 y 5).

Concentración mínima de erradicación de biopelículas (mM)
S. epidermidis P. aeruginosa
Compuesto Fenol parental SOY Iminodíaco (5) Fenol parental SOY Iminodíaco (5)
1/2 / 5a 31.2 6.2 125 62.5 12.5 & gt250
1/2 / 5f 31.2 2.7 62.5 62.5 2.7 125
1/2 / 5k 6.2 6.2 62.5 12.5 3.1 125
1/2/5 l 31 7.8 62.5 31.2 12.5 31.2

En un esfuerzo por explorar mejor opciones sintéticas adicionales para derivaciones de profármacos funcionalizados con iminodiacetato, cinco variaciones de profármacos éster (p. Ej., 6-10f) fueron sintetizados y evaluados frente a células planctónicas y biopelículas. Esto se hizo en un esfuerzo por explorar variedades alternativas de ésteres como profármacos. Eugenol (1f) fue elegido como el andamio fenólico desde su AM (2f) fue uno de los cinco más potentes hacia las biopelículas en la serie inicial (Tabla 1, vide supra). El derivado de MEM hemiacital 10f se seleccionó para aumentar la hidrofilicidad, ya que el propio eugenol tiene baja solubilidad en agua. Los ésteres simples 6 / 7f se seleccionaron ya que la funcionalidad éster común debería ser más robusta frente a la esterasa que la función acilal presente en los AM. Acilalos 8 / 9f poseen ésteres de butirilo y pivaloilo en lugar del acetato, respectivamente. Estos se seleccionaron para examinar la variación terminal del grupo de iminodiacetato. El bis (pivaloiloxi) metil éster también se seleccionó debido a su uso en profármacos para mejorar la biodisponibilidad (Brass, 2002).

Contra las células planctónicas, profármaco derivado 8f exhibió la mayor potencia contra S. epidermidis, tiempo 2f mostró la mayor potencia hacia P. aeruginosa (Tabla 6). Los derivados de éster etílico y alílico (6f, 7f) fueron los profármacos menos potentes en general con MIC de 31,2 mM hacia ambas bacterias. Contra S. epidermidis 6f y 7f también eran menos potentes que el fenol original (1f) (Figura 3).

Concentración mínima inhibitoria (mM)
S. epidermidis P. aeruginosa
1f 15.6 1f 31.2
2f 0.68 2f 1.3
6f 31.2 6f 31.2
7f 31.2 7f 31.2
8f 0.12 8f 3.9
9f 1.9 9f 15.6
10f 1.9 10f 31.2

Contra biofilms, AM 2f tuvo la mayor potencia contra ambas bacterias (Tabla 7). Compuesto 7b fue el menos potente hacia S. epidermidis tiempo 7e fue el menos potente hacia P. aeruginosa. Esto sugiere que AM 2f es más permeable a la biopelícula o los enlaces éster presentes en este grupo se escinden más fácilmente por la esterasa o ambos. También es de interés que el hemiacytal 7b mostró una actividad encomiable hacia S. epidermidis.

Concentración mínima de erradicación de biopelículas (mM)
S. epidermidis P. aeruginosa
1f 31.2 1f 62.5
2f 2.75 2f 2.75
6f 31.2 6f 62.5
7f 50 7f 50
8f 15.6 8f 62.5
9f 20.6 9f 41.2
10f 7.8 10f 125

También se utilizó un ensayo de reactor de biopelícula de los CDC para corroborar la eficacia comparativa del eugenol (1f) con su correspondiente derivado de AM (2f) contra P. aeruginosa (PA015542). Aquí, a diferencia de la condición estática de la placa de 96 pocillos, las biopelículas se cultivaron en un entorno de alto cizallamiento. Este método aumenta la adherencia de la biopelícula a la superficie en la que se cultiva y hace que la biopelícula produzca un EPS más robusto (Gloag, Fabbri, Wozniak y Stoodley, 2020 Stoodley, Cargo, Rupp, Wilson y Klapper, 2002). Se eligió este método porque ha sido estandarizado por la ASTM. Similar a los ensayos estáticos en placa de 96 pocillos, la potencia del derivado de AM (2f) fue mayor que el compuesto original (1f) utilizando el reactor de biopelícula CDC. Eugenol (1f) demostró una reducción logarítmica media de 1,68 ± 0,12 mientras que su correspondiente AM (2f) tuvo una reducción logarítmica media de 5,81 ± 0,53. Se puede encontrar un gráfico de estos datos en los materiales complementarios (Figura S1). Esto ha demostrado que la AM (2f) es significativamente más potente que el padre (1f) contra las biopelículas que crecen tanto en entornos estáticos como de alto cizallamiento.

Una vez que los MA han penetrado en la matriz extracelular de la biopelícula y la membrana de las células residentes, se predice que serán afectados por la esterasa intracelular, liberando la forma activa como iminodiacetato. El antimicrobiano altamente cargado resultante queda atrapado dentro de la célula. El aumento observado en la potencia respalda que la esterasa actúa sobre los AM una vez dentro de la célula, pero también se realizó una experimentación adicional para respaldar aún más esta hipótesis. Según las anotaciones del genoma de KEGG, P. aeruginosa (PAO1) y S. epidermidis (RP62A) contienen 39 y 16 esterasas, respectivamente, así como otras enzimas que han demostrado tener actividad esterasa (Foster, 1996 Goullet & Picard, 1991). Por ejemplo, se ha demostrado que EstA posee actividad esterasa en Pseudomonas y se cree que está involucrado en la hidrólisis de compuestos que contienen éster en la superficie celular o en el medio de cultivo (Nicolay, Devleeschouwer, Vanderleyden y Spaepen, 2012 Wilhelm, Gdynia, Tielen, Rosenau y Jaeger, 2007). Aquí, se usó esterasa de hígado porcino porque se ha demostrado que escinde fácilmente los enlaces éster en pequeñas moléculas orgánicas (Pérez, Daniel y Cohen, 2013), así como antibióticos como ampicilina y amoxicilina (Zhou et al., 2019). Para determinar si la esterasa escindirá estos grupos AM, 2b fue expuesto a esterasa in vitro y las muestras se observaron mediante espectrometría de masas para determinar si el iminodiacetato liberado 5b estaba presente (Figura 4).

El derivado AM del 4-metoxifenol (2b) se expuso a esterasa en tampón HEPES frío, y se realizó LC-MS para determinar la cantidad del producto liberado, 2,2 ′ - ((2-hidroxi-5-metoxibencil) azanediil) diacetato (5b), regalo. La masa exacta de 2b es 413,1322 amu, con un [METRO] - de 413.1322 uma y la masa exacta de 5b es 267,0745 amu con [METRO - 2H] 2− de 132,5366 uma. La masa exacta de la derivada protonada de 5b es 269,0889 amu con un [METRO + H] + de 268,0816. Se espera que tanto el producto mono como di-aniónico estén presentes en las muestras expuestas a esterasa, que fueron evaluadas.

Se tomaron espectros del compuesto AM puro 2b (A) y el derivado liberado 5b (B) (Figura 5). En el marco de B, se pueden observar ambos picos para las especies mono y di-aniónicas. La mañana 2b estuvo expuesto a esterasa en tampón HEPES durante 8 (D), 16 (mi) y 24 (F) min, extraído y luego analizado mediante LCMS (Figura 5). Las masas de 2b y 5b se encontraron dentro de dos decimales de las masas predichas para cada compuesto. Un control de 2b en HEPE sin esterasa también se incluyó para garantizar que HEPE no influye en el profármaco (C). Este ensayo ha demostrado que, in vitro, la esterasa actúa sobre los derivados de AM. Esto sugiere que el aumento de potencia se debe, en parte, a que la AM puede penetrar en la biopelícula y transformarse dentro de la célula para liberar el iminodiacetato. Esto está respaldado además por la observación de que los iminodiacetatos 5a,5f,5k, y 5l son significativamente menos activos que los AM correspondientes hacia las biopelículas. Aunque aún no se ha realizado un estudio in vivo, Calcein AM se ha utilizado ampliamente para teñir con éxito biopelículas (Godoy-Santos, Pitts, Stewart y Mantovani, 2019 Ohsumi et al., 2015 Tawakoli, Al-Ahmad, Hoth-Hannig, Hannig y Hannig, 2013 Tawakoli et al., 2013 Wakamatsu et al., 2014) y los resultados aquí presentados apoyan firmemente la hipótesis de que los profármacos derivados de AM actuarán a través de un mecanismo similar.


Artritis séptica en cirugía del ligamento cruzado anterior

Charalampos G. Zalavras MD, Michael J. Patzakis MD, en El ligamento cruzado anterior (segunda edición), 2018

Formación de biopelículas

La formación de biopelículas es un mecanismo clave para la persistencia o recurrencia de la infección. La biopelícula es una agregación de colonias microbianas encerradas dentro de una matriz de polisacárido extracelular (glucocáliz) que se adhiere a la superficie de los implantes o tejido desvitalizado. 55 La presencia de injertos avasculares y dispositivos de fijación de metal en la reconstrucción del LCA crea condiciones propicias para el desarrollo de biopelículas si la AS posoperatoria no se trata de manera temprana y adecuada. La biopelícula protege al organismo de los antibióticos y los mecanismos de defensa del huésped, como la formación de anticuerpos y la fagocitosis, por lo que la infección puede existir en un estado subclínico y eventualmente reaparecer. En las infecciones musculoesqueléticas crónicas, la eliminación de la biopelícula mediante la extracción de implantes y el desbridamiento del tejido desvitalizado es necesaria para el tratamiento exitoso de la infección. 56


Caries dental

Andréa G. Ferreira Zandoná,. R. Scott Eidson, en Sturdevant & # x27s Arte y ciencia de la odontología operativa, 2019

Base ecológica de la caries dental: el papel de la biopelícula

Placa dental es un término utilizado históricamente para describir la película suave y tenaz que se acumula en la superficie de los dientes. La placa dental se ha denominado más recientemente como biopelícula dental o simplemente el biopelícula, que es una descripción más completa y precisa de su composición (bio) y estructura (película). 5 La biopelícula está compuesta principalmente por bacterias, sus subproductos, matriz extracelular y agua (figs. 2.6, 2.7, 2.8, 2.9 y 2.10). La biopelícula no es un residuo alimentario adherente, como se pensaba de forma generalizada y errónea, ni es el resultado de la colección fortuita de microorganismos oportunistas. La acumulación de la biopelícula en los dientes es una secuencia de eventos muy organizada y ordenada. Bacteria seem to occupy the same spatial niche on most individuals. A “hedgehog” formation has been recently characterized 209 because of the spine of radially oriented filaments. The filaments are a mass of Corynebacterium filaments with Streptococcus at the periphery. Actinomyces are usually found at the base of the biofilm suggesting that Corynebacterium attaches to a preexisting biofilm containing Actinomyces. In any case it is notable that each taxon is localized in a precise and well-defined spatial zone indicating that the microbes in the oral biofilm have a precise and well-tuned interaction 209 (see Fig. 2.6D ).

Fig. 2.6 . A, Composite diagram illustrating the relationship of biofilm (pag) to the enamel in a smooth-surface initial (noncavitated) lesion. A relatively cell-free layer of precipitated salivary protein material, the acquired pellicle (ap) covers the perikymata ridges (pr). The biofilm bacteria attach to the pellicle. Overlapping perikymata ridges can be seen on the surface of enamel (see Fig. 2.7 ). ( Figs. 2.9 and 2.10 are photomicrographs of cross sections of biofilm.) The enamel is composed of rodlike structures (er) that course from the inner dentinoenamel junction (DEJ) to the surface of the crown. Striae of Retzius (sr) can be seen in cross sections of enamel. B, Higher power view of the cutout portion of enamel in A. Enamel rods interlock with each other in a head-to-tail orientation. The rod heads are visible on the surface as slight depressions on the perikymata ridges. The enamel rods comprise tightly packed crystallites. The orientation of the crystallites changes from being parallel to the rod in the head region to being perpendicular to the rod axis in the tail end. Striae of Retzius form a descending diagonal line, descending cervically. C, Drawings 1 through 5 illustrate the various stages in colonization during plaque formation on the shaded enamel block shown in B. The accumulated mass of bacteria on the tooth surface may become so thick that it is visible to the unaided eye. Such plaques are gelatinous and tenaciously adherent they readily take up disclosing dyes, aiding in their visualization for oral hygiene instruction. Thick plaque biofilms (4 y 5) are capable of great metabolic activity when sufficient nutrients are available. The gelatinous nature of the plaque limits outward diffusion of metabolic products and serves to prolong the retention of organic acid metabolic by-products. D, This illustrates how different taxons inhabit specific niches on the biofilm creating microenvironments. There is a fine-tuned synergy among the cells in the oral microbial communities. The environment and the biochemical gradients drive the selection process. This can be exemplified by the the role of Streptococcus. Dónde Streptococcus predominate they create an environment rich in CO2, lactate, and acetate, containing peroxide and having low oxygen. This environment is advantageous for the growth of bacteria such as Fusobacterium y Leptotrichia.

(From Welch JL, Rossetti BJ, Riekem CW, et al: Biogeography of a human oral microbiome at the micron scale, Proc Natl Acad Sci USA 9113(6):E791–E800, 2016. doi:10.1073/pnas.1522149113)

Fig. 2.7 . A, Scanning electron microscope view (600×) of overlapping perikymata (P) in sound enamel from unerupted molar. B, Higher power view (2300×) of overlapped site rotated 180 degrees. Surface of noncavitated enamel lesions has “punched-out” appearance.

(From Hoffman S: Histopathology of caries lesions. In Menaker L, editor: The biologic basis of dental caries, New York, 1980, Harper &amp Row.)

Fig. 2.8 . Representative 3-D rendering images of mixed-species biofilms in an environment with 1% (W/V) sucrose. The images show the evolution of the microcolonies over time and the arrangement with the EPS matrix.

(From Xiao J, Klein MI, Falsetta ML, et al: The exopolysaccharide matrix modulates the interaction between 3D architecture and virulence of a mixed-species oral biofilm, PLoS Pathog 8(4):e1002623, 2012. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1002623 )

Fig. 2.9 . Plaque biofilm formation at 1 week. Filamentous bacteria (f) appear to be invading cocci microcolonies. Plaque near gingival sulcus has fewer coccal forms and more filamentous bacteria (860×).

(From Listgarten MA, Mayo HE, Tremblay R: Development of dental plaque on epoxy resin crowns in man. A light and electron microscopic study, J Periodontol 46(1):10–26, 1975.)

Fig. 2.10 . At 3 weeks old, plaque biofilm is almost entirely composed of filamentous bacteria. Heavy plaque formers have spiral bacteria (a) associated with subgingival plaque (660×).

(From Listgarten MA, Mayo HE, Tremblay R: Development of dental plaque on epoxy resin crowns in man. A light and electron microscopic study, J Periodontol 46(1):10–26, 1975.)

Many of the organisms found in the mouth are not found elsewhere in nature. Survival of microorganisms in the oral environment depends on their ability to adhere to a surface. Free-floating organisms are cleared rapidly from the mouth by salivary flow and frequent swallowing. Although a few specialized organisms, primarily streptococci, are particularly able to adhere to oral surfaces such as the mucosa and tooth structure, over 700 different species of bacteria have been identified in the oral biofilm. Oral biofilm from healthy teeth have a higher diversity than from carious teeth. 134

Significant differences exist in the biofilm communities found in various habitats (ecologic environments) within the oral cavity ( Fig. 2.11A and B ). The organisms also have unique contributions to the ecosystem (see Fig. 2.11B ). Mature biofilm communities have tremendous metabolic potential and are capable of rapid anaerobic metabolism of any available carbohydrate ( Fig. 2.12 ). However, because of the highly structured bacterial microcolonies embedded in an exopolysaccharide (EPS)-rich matrix, there are acidic regions in the biofilm that are not neutralized by saliva buffers. 210

Fig. 2.11 . Approximate proportional distribution of predominant cultivable flora of five oral habitats.

(From Simón-Soro Á, Tomás I, Cabrera-Rubio R, et al: Microbial geography of the oral cavity, J Dent Res 92:616, 2013. DOI:10.1177/0022034513488119.)

Fig. 2.12 . A, Mature biofilm communities have tremendous metabolic potential and are capable of rapid anaerobic metabolism of any available carbohydrates. Classic studies by Stephan show this metabolic potential by severe pH drops at the plaque-enamel interface after glucose rinse. It is generally agreed that a pH of 5.5 is the threshold for enamel demineralization. Exposure to a glucose rinse for an extreme caries activity plaque results in a sustained period of demineralization (pH 5.5). Recording from a slight caries activity biofilm shows a much shorter period of demineralization. B, The frequency of sucrose exposure for cariogenic biofilm greatly influences the progress of tooth demineralization. The top line illustrates pH depression, patterned after Stephan's curves in A. Three meals per day results in three exposures of biofilm acids, each lasting approximately 1 hour. The biofilm pH depression is relatively independent of the quantity of sucrose ingested. Between-meal snacks or the use of sweetened breath mints results in many more acid attacks, as illustrated at the bottom. The effect of frequent ingestion of small quantities of sucrose results in a nearly continuous acid attack on the tooth surface. (The clinical consequences of this behavior can be seen in Fig. 2.37 .) C, In active caries, a progressive loss of mineral content subjacent to the cariogenic biofilm occurs. Inset illustrates that the loss is not a continuous process. Instead, alternating periods of mineral loss (demineralization) occur, with intervening periods of remineralization. The critical event for the tooth is cavitation of the surface, marked by the vertical dashed line. This event marks an acceleration in caries destruction of the tooth and irreversible loss of tooth structure. An intervention is usually required to arrest the lesion, often of the restorative nature.

(A, Adapted and redrawn from Stephan RM: Intra-oral hydrogen-ion concentration associated with dental caries activity, J Dent Res 23:257, 1944.)

Many distinct habitats may be identified on individual teeth, with each habitat containing a unique biofilm community ( Table 2.2 see Fig. 2.11A ). Although the pits and fissures on the crown may harbor a relatively simple population of streptococci, the root surface in the gingival sulcus may harbor a complex community dominated by filamentous and spiral bacteria. Even within the same anatomic location there can be a considerable difference in bacterial diversity. 134 For example the mesial surface of a molar may be carious and have a biofilm dominated by large populations of mutans streptococci (MS) and lactobacilli, whereas the distal surface may lack these organisms and be caries free. Generalization about biofilm communities is difficult.

TABLE 2.2 . Oral Habitats a

HabitatPredominant SpeciesEnvironmental Conditions Within Biofilm
MucosaS. mitisAerobic
S. sanguispH approximately 7
S. salivariusOxidation-reduction potential positive
TongueS. salivariusAerobic
S. mutanspH approximately 7
S. sanguisOxidation-reduction potential positive
Teeth (noncarious)S. sanguisAerobic
pH 5.5
Oxidation-reduction negative
Gingival creviceFusobacteriumAnaerobic
SpirochaetapH variable
ActinomycesOxidation-reduction very negative
Veillonella
Enamel cariesS. mutansAnaerobic
pH &lt5.5
Oxidation-reduction negative
Dentin cariesS. mutansAnaerobic
LactobacilluspH &lt5.5
Oxidation-reduction negative
Root cariesActinomycesAnaerobic
pH &lt5.5
Oxidation-reduction negative

Recent evidence indicates that there are no specific pathogens that correlate with dental caries, but rather microbial communities. 135 Nevertheless, the general activity of biofilm growth and maturation is predictable and sufficiently well known to be of therapeutic importance in the prevention of dental caries.

Professional tooth cleanings are intended to control the biofilm (plaque) and prevent caries (and periodontal) disease. However, after professional removal of all organic material and bacteria from the tooth surface, a new coating of organic material begins to accumulate immediately. Within 2 hours, a cell-free, organic film, the acquired enamel pellicle (AEP) (see Fig. 2.6A and C ), can cover the previously denuded area completely. The pellicle is formed primarily from the selective precipitation of various components of saliva, particularly selective enzymes. The functions of the pellicle are believed to be (1) to protect the enamel, (2) to reduce friction between teeth, and (3) to provide a matrix for remineralization. 6 Although the pellicle exhibits antibacterial activity due to the presence of several enzymes, it can also function as a facilitator of bacterial cononization. 136


Biology Professor Discovers Key Elements for Biofilm Spreading

A biology professor at the University of California, Merced, discovered mechanisms that allow a potentially fatal biofilm to spread and resist drugs.

The research was published during the summer in mBio, an open-access online journal by the American Society for Microbiology.

Professor Clarissa J. Nobile, who studies microbial communities, said the findings could help in developing treatments for fungal biofilm infections, specifically those formed by Candida albicans.

“There are no known biofilm-specific drugs on the market today for any microorganism,” Nobile said. The fungus is naturally found in the human gut and can cause yeast infections and oral thrush. Infections can also be caused by implanted medical devices, which provide surfaces for biofilms to form. The infections can be life-threatening.

Nobile pinpointed four core proteins — all members of a histone deacetylase complex — that control how the biofilm forms, and learned what happens when they’re changed.

Mutations in the genes encoding each of these four complex members cause the biofilm to be more resistant to agitation and less likely to spread to other parts of a body, and also more resistant to drugs. Drugs that inhibit histone deacetylase are most often used to as mood stabilizers in psychiatry and neurology, and are also being tested to combat cancer, Nobile said. It’s not yet known if they could be used against biofilms and whether there’d be side effects.

Nobile’s interest in biofilms began just as she entered graduate school at Columbia University. Her mother became extremely sick with a biofilm infection. Nobile was surprised to learn there weren’t any reliable treatments and generally little was known about it.

Recibió su Ph.D. in biology from Columbia in 2007 and served as a postdoctoral researcher at UCSF until she was appointed to a tenure-track position at UC Merced in January 2014.

The opportunity to forge innovative collaborations with UC Merced’s ambitious faculty members was among the reasons she took a position with the campus. Nobile works with Professor Miriam Barlow, who studies antibiotic resistance, and Professor David Ojcius, who studies infectious diseases, including valley fever.

With advances in research and technology, Nobile is looking at the microbiome — all the microorganisms, good and bad, that live within the human body. Increasingly, research is showing what an important role the microbiome plays in health and disease.

Microbes are able to communicate with each other, and Nobile believes these interactions will shed more light on infections and diseases.


Community dynamics: Microbiomes and biofilms

The human body is home to an extraordinary diversity of microbes, which are increasingly suggested to play pivotal roles in human health. Human microbiome sequencing projects have revealed intriguing correlations between specific patterns of microbial diversity and multiple aspects of host health. The establishment of microbial causal roles is gathering pace thanks to experimental manipulations, however the inter-cellular causal mechanisms frequently remain obscure.

The Brown lab is developing a framework to understand microbiome de desarrollo biology – to understand when, where and how potential interactions come to be realized via demographic and regulatory interactions between expanding lineages of bacteria, and the consequences of these interactions for microbiome functioning in both health and in polymicrobial disease.

NV Lowery, L McNally, WC Ratcliff, SP Brown 2017. Division of labor, bet hedging, and the evolution of mixed biofilm investment strategies mBio.

L McNally, SP Brown. 2016. Microbiome: Ecology of stable gut communities. Microbiología de la naturaleza 1, 15016

A Stacy, L McNally, SE Darch, SP Brown, M Whiteley. 2016. The biogeography of polymicrobial infection. Nature Reviews Microbiology 14 (2), 93-105

McNally L, Brown SP* (2015) Building the microbiome in health and disease: niche construction and social conflict in bacteria. Phil Trans R Soc Lond B 370, e20140298

Single gene locus changes perturb complex microbial communities as much as apex predator loss. 2015. D McClean, L McNally, LI Salzberg, KM Devine, SP Brown, I Donohue. Comunicaciones de la naturaleza6, 8235-8235

Estrela S, Whiteley M, Brown SP. 2015. The demographic determinants of human microbiome health. Trends Microbiology23, 134-141.

Rankin D, Rocha EPC, Brown SP* 2011. What genes are carried on mobile genetic elements, and why? Heredity 106 ,1-10.