Come inibire la formazione di biofilm? con il Quorum Quenching!

Un modo esiste: il Quorum Quenching

I batteri raramente si presentano come una forma planctonica, cioè liberi nell’ambiente, perché ciò li rende esposti a molti fattori avversi che potrebbero ridurre di molto la loro resistenza e sopravvivenza. La capacità di produrre biofilm aumenta la protezione delle cellule microbiche contro i fattori per loro dannosi. Nel processo di formazione del biofilm si distinguono le seguenti fasi: 

  • adesione iniziale
  • adesione irreversibile
  • formazione della struttura spaziale
  • maturazione
  • dispersione
Le fasi di formazione del biofilm - quorum quencing
Figura 1 – Le fasi di formazione del biofilm

Come avviene la formazione del biofilm

L’adesione batterica alle superfici e la coesione (interazione cellula-cellula) possono verificarsi a causa della presenza di appendici batteriche (flagelli o pili) oppure tramite fattori fisici (forze di van der Waal o interazioni elettrostatiche). Le proprietà di alcune superfici facilitano il legame microbico. L’adesione batterica a superfici idrofobe e non polari è caratterizzata da una maggiore forza di legame rispetto a quelle idrofile perché si suggerisce una ridotta forza di repulsione tra la superficie e i batteri.

La colonizzazione è influenzata anche dalla struttura della superficie, poiché superfici ruvide hanno un area di contatto più ampia e sono più facilmente colonizzate rispetto a quelle lisce, le quali hanno un area di contatto più piccola. 

Il biofilm: una struttura difficile da eradicare

Un biofilm completamente sviluppato e maturo è molto difficile da sradicare. Si stima che tali comunità di microrganismi siano responsabili di circa l’80% dei casi di infezioni batteriche oltre che un elevata resistenza agli antibiotici. La formazione del biofilm batterico da parte di alcuni patogeni opportunisti e patogeni è sotto il controllo del quorum sensing. Questo processo si basa sulla produzione, il rilascio e il rilevamento di molecole segnale: gli autoinduttori. 

Il ruolo degli autoinduttori

Gli autoinduttori si accumulano localmente nell’ambiente e quindi, dopo aver raggiunto la concentrazione soglia, interagiscono con il recettore specifico a posto a livello della membrana. Questo determina cambiamenti coordinati nell’espressione di geni specifici responsabili della produzione di biofilm, fattori di virulenza, antibiotici o trasferimento di materiale genetico nel processo di trasformazione o coniugazione.

Il Quorum Quenching

Un modo per attenuare il Quorum Sensing, quindi inibire la formazione di biofilm e la resistenza antibiotica è rappresentato dal quorum quenching. Nell’ambiente ci sono molti composti che influenzano la comunicazione tra i microbi. L’utilizzo di quencher del quorum sensing può aiutare a ottenere l’effetto desiderato mediante l’interruzione della comunicazione batterica, specialmente quando disinfettanti e antibiotici sono inefficaci a causa della crescente resistenza batterica a tali agenti.  

La degradazione enzimatica del Quorum quenching

Esistono diversi meccanismi di inibizione del quorum sensing, sia per via enzimatica, quindi degradazione di auto induttori, sia per l’uso di analoghi che down regolano la sintesi di fattori di virulenza. Il meccanismo più noto di quorum quenching è la degradazione enzimatica delle molecole di acil omoserina lattone (AHL). Questa può essere catalizzata da quattro distinti gruppi di enzimi: le lattonasi, le acilasi, le reduttasi e le ossidasi. Questi enzimi evitano l’accumulo nell’ambiente di auto induttori e inibiscono il cambiamento nell’espressione genica. Alcune specie batteriche come Pseudomonas aeruginosaKlebsiella pneumoniae , Bacillus spp. e Agrobacterium tumefaciens producono enzimi in grado di degradare le molecole AHL.  

Gli antagonisti degli autoinduttori del Quorum quenching

Un altro meccanismo che interferisce con la comunicazione tra batteri dipende dall’uso di antagonisti induttori. Questi possono legarsi al recettore competendo con gli induttori per lo stesso sito di legame, oppure legano il recettore in modo non competitivo per bloccare la trasmissione del segnale mediata dall’induttore nella cellula. I furanoni alogenati, prodotti dalla macroalga marina Delisea pulchra, sono stati il ​​primo composto anti-Quorum Sensing identificato la cui attività era basata sul legame competitivo con le proteine ​​di tipo LuxR. 

L’inibizione della sintesti delle molecole degnale del Quorum quenching

Un diverso approccio Quorum Quenching è l’inibizione della sintesi di molecole segnale, impedendo l’attività enzimatica di LuxI, responsabili della sintesi di autoinduttori. Gli inibitori della chinasi, ad esempio closantel, provocano l’inibizione delle molecole segnale Quorum Sensing nei batteri Gram-positivi. L’ultimo meccanismo consiste nel bloccare le cascate di trasduzione del segnale.

È stato dimostrato che savrin, una piccola molecola inibitrice, interferisce con AgrA (regolatore trascrizionale dell’operone agr coinvolto nel Quorum Sensing). Questa molecola si lega al DNA e, di conseguenza, inibisce la produzione di RNAIII che, insieme ad AgrA, è responsabile di la produzione di molti fattori di virulenza.  La produzione di fattori di virulenza come piocianina o pioverdina in P. aeruginosa può essere inibita da diversi composti come alcuni sali di ammonio quaternario, in particolare quelli con più di un gruppo idrofilo. 

L’azione antagonista delle piante contro il Quorum Sensing

Le piante medicinali producono un ampio spettro di metaboliti secondari. Parliamo di flavonoidi, fenoli, acidi fenolici, saponine, cumarine, tannini, chinoni, terpenoidi, alcaloidi e poliacetileni, contro il sistema Quorum Sensing. La differenziazione nell’inibizione delle molecole Quorum Quenching dipende dalla struttura e dalla composizione chimica del composto. Ad esempio, questo meccanismo d’azione porta ad un aumento della degradazione proteolitica delle proteine ​​di tipo LuxR. È stato inoltre dimostrato che i composti naturali – embelina e piperina – inibiscono la produzione di biofilm da parte dello Streptococcus mutans, inibendo l’attività dei recettori e delle molecole coinvolte nella via Quorum Sensing.

L’estratto dalla pianta Terminalia bellerica ha effettivamente inibito la produzione di piocianina ed EPS in P. aeruginosa, la cui produzione è sotto il controllo del sistema di comunicazione QS. Olio di menta piperita e del mentolo inibiscono la violaceina prodotta da Chromobacterium violaceum. Questi composti hanno anche provocato l’inibizione della produzione di piocianina, elastasi, proteasi, EPS e biofilm da parte di P. aeruginosa.

Il ruolo dei flavonoidi

I flavonoidi sono composti presenti nelle piante che possono interferire con la comunicazione tra microrganismi e avere un effetto anti-biofilm. I flavonoidi isolati dalla Centella asiatica hanno mostrato effetti inibitori sulla motilità e sulla produzione di piocianina e biofilm in P. aeruginosa.

Un altro esempio è la cumarina, che si trova comunemente nelle piante, riducendo la produzione di fattori di virulenza come la produzione di piocianina, proteasi e biofilm interferendo con Quorum Sensing in P. aeruginosa.

L’attività anti-biofilm è stata osservata anche per l’estratto di Ananas comosus (ananas), Musa paradiciaca (banana), o l’estratto di pompelmo contenente furocumarine. La curcuma (Curcuma longa) ricca di curcumina previene la formazione di biofilm nelle fasi iniziali. L’attività anti-biofilm Quorum Quenching-dipendente dei metaboliti vegetali secondari (quercetina, apigenina, naringenina e kaempferolo) è stata trovata anche contro Eschierichia coli O157:H7.

L’estratto di arancia è ricco di flavoni i quali possiedono un effetto anti-biofilm in Yersinia enterocolitica  riducendo la quantità di prodotti AHL. Le molecole Quorum Quenching sintetiche come l’alcool cinnamilico, il cinnamato di allile e il metiltrans-cinnamato, derivati ​​dell’acido cinnamico, hanno inibito la produzione di violaceina da parte di C. violaceum. La norspirmidina, un tipo di poliammina, ha ridotto l’espressione dei geni lasI, lasR, rhlI, rhlR e mvfR che sono coinvolti nel sistema Quorum Sensing in P. aeruginosa. Ciò ha portato a un ridotto attaccamento alla superficie.

Un numero inferiore di cellule attaccate alla superficie ha comportato una produzione limitata di biofilm e una più facile eradicazione. La formazione di biofilm può anche essere prevenuta applicando gli analoghi di AHL che inibiscono la comunicazione Quorum sensing.

Gli EPS ridotti come effetto anti Quorum sensing

Le molecole Quorum Quenching possono anche ridurre la produzione di esopolisaccaride (EPS) componente fondamentale per mantenere la struttura spaziale del biofilm. La diminuzione della sua produzione può comportare la formazione di biofilm compromessi. La naringenina, attraverso la downregulation dell’espressione dei geni lasI e rhlI e l’inibizione dei fattori di trascrizione LuxR, porta a una ridotta produzione di molecole AHL. I mutanti LasI e rhlI che sono carenti nella sintesi delle molecole AHL hanno una minore capacità di esprimere un ampio spettro di geni quorum sensing. Anche le paraoxonasi presenti in diverse linee cellulari umane e nel siero dei mammiferi sono estremamente importanti, poiché hanno anche la capacità di degradare le molecole AHL.

quorum quencing - in alto, si può osservare l’inibizione della sintesi di AHL inibendo il recettore LuxR, in basso si osserva come, degradando gli AHL, si vada ad inibire la trascrizione e traduzione dei geni target non avendo un corretto riconoscimento ligando-recettore (AHL-LuxR)
Figura 2 – in alto, si può osservare l’inibizione della sintesi di AHL inibendo il recettore LuxR, in basso si osserva come, degradando gli AHL, si vada ad inibire la trascrizione e traduzione dei geni target non avendo un corretto riconoscimento ligando-recettore (AHL-LuxR).

Il nuovo argomento del quorum quencing

Il quorum quencing è un nuovo argomento di ricerca tutto da scoprire. Questo grande gruppo di molecole, con caratteristiche diverse le une dalle altre, sono un’ ancora di salvezza nella lotta alla resistenza antibiotica. Come accennato, la formazione di biofilm non è altro che un modo per i batteri di difendersi dal mondo esterno, da farmaci, enzimi e molecole diverse che possono ledere la parete batterica, inibire la sintesi proteica o dare problemi in quella che la trasduzione del segnale.

Le molecole appena nominate, che vanno ad evitare la formazione di biofilm, fanno parte di una nuova pagina di scienza e magari, un domani, permettere di ridurre i casi di infezioni gravi e setticemie dovuti a ceppi resistenti semplicemente con nuove pratiche di prevenzione oppure con la produzione di molecole che abbiano tutte le caratteristiche per inibire la formazione di biofilm da parte di ceppi patogeni.

Fonti

  • Paluch E, Rewak-Soroczyńska J, Jędrusik I, Mazurkiewicz E, Jermakow K. Prevention of biofilm formation by quorum quenching. Appl Microbiol Biotechnol. 2020 Mar;104(5):1871-1881. doi: 10.1007/s00253-020-10349-w. Epub 2020 Jan 11. PMID: 31927762; PMCID: PMC7007913.

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Francesco Centorrino

Sono Francesco Centorrino e faccio parte di Microbiologia Italia, primo sito di divulgazione microbiologica in Italia. Il portale di Microbiologia Italia è utile per condividere conoscenza ed informazioni a chiunque fosse interessato a questa bellissima scienza.