Information

6.11B: Biofilm - Biologi

6.11B: Biofilm - Biologi



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Læringsmål

  • Beskriv biofilm

Biofilm er et aggregat af mikroorganismer, hvor celler klæber til hinanden på en overflade. Disse celler er ofte indlejret i en selvfremstillet matrix af ekstracellulært polymert stof (EPS). Biofilm EPS, også kaldet slim, er et polymert konglomerat sammensat af ekstracellulært DNA, proteiner og polysaccharider. Biofilm kan dannes på levende eller ikke-levende overflader og kan være udbredt i naturlige, industrielle og hospitalsmiljøer.

De mikrobielle celler, der vokser i en biofilm, er fysiologisk adskilte fra planktonceller fra den samme organisme, som derimod er enkeltceller, der kan flyde eller svømme i væske. Mikrober danner en biofilm som reaktion på mange faktorer, herunder cellulær genkendelse af specifikke eller ikke-specifikke tilknytningssteder på en overflade, ernæringsmæssige signaler eller eksponering af planktonceller for sub-hæmmende koncentrationer af antibiotika. Når en celle skifter til biofilm-væksttilstanden, gennemgår den et fænotypisk skift i adfærd, hvor store suiter af gener er differentielt reguleret.

Dannelsen af ​​en biofilm begynder med fastgørelsen af ​​fritsvævende mikroorganismer til en overflade. Disse første kolonister danner i begyndelsen en svag, reversibel adhæsion til overfladen via van der Waals-kræfter. Hvis kolonisterne ikke umiddelbart adskilles fra overfladen, kan de forankre sig mere permanent ved hjælp af celleadhæsionsstrukturer såsom pili. Nogle arter er ikke i stand til at binde sig til en overflade alene, men er i stand til at forankre sig til matrixen eller direkte til tidligere kolonister. Det er under denne kolonisering, at cellerne er i stand til at kommunikere via quorum sensing ved hjælp af sådanne produkter som AHL. Når først koloniseringen er begyndt, vokser biofilmen gennem en kombination af celledeling og rekruttering. Den sidste fase af biofilmdannelse er kendt som udvikling; dette er det stadie, hvor biofilmen er etableret og kan kun ændre sig i form og størrelse. Udviklingen af ​​en biofilm kan muliggøre, at en aggregeret cellekoloni (eller kolonier) er antibiotika-resistente.

Sammenfattende er de fem stadier af biofilmudvikling som følger:

  1. Indledende vedhæftning
  2. Irreversibel vedhæftning
  3. Modning I
  4. Modning II
  5. Spredning

Spredning af celler fra biofilmkolonien er et væsentligt trin i biofilmens livscyklus. Spredning gør det muligt for biofilm at sprede sig og kolonisere nye overflader. Enzymer, der nedbryder biofilmens ekstracellulære matrix, såsom dispersin B og deoxyribonuclease, kan spille en rolle i biofilmspredning. Biofilm matrix-nedbrydende enzymer kan være nyttige som anti-biofilm midler. Nylige beviser har vist, at en fedtsyrebudbringer, cis-2-decensyre, er i stand til at inducere spredning og hæmme vækst af biofilmkolonier. Udskilt af Pseudomonas aeruginosa inducerer denne forbindelse cyclo heteromorfe celler i flere arter af bakterier og gæren Candida albicans. Nitrogenoxid har også vist sig at udløse spredning af biofilm fra flere bakteriearter ved subtoksiske koncentrationer, så det viser potentiale til brug i behandlingen af ​​patienter, der lider af kroniske infektioner forårsaget af biofilm.

Bakterier, der lever i en biofilm, har normalt væsentligt forskellige egenskaber end fritsvævende bakterier af samme art, da filmens tætte og beskyttede miljø tillader dem at samarbejde og interagere på forskellige måder. En fordel ved dette miljø er øget resistens over for rengøringsmidler og antibiotika, da den tætte ekstracellulære matrix og det ydre lag af celler beskytter det indre af samfundet. I nogle tilfælde kan antibiotikaresistens øges tusind gange. Lateral genoverførsel lettes også i høj grad i biofilm og fører til en mere stabil struktur.

Biofilm er dog ikke altid mindre modtagelige for antibiotika. For eksempel biofilmformen af Pseudomonas aeruginosa har ikke større resistens over for antimikrobielle stoffer end stationær fase planktonceller, selvom når biofilmen sammenlignes med logaritmisk fase planktonceller, viser biofilmen større resistens over for antimikrobielle stoffer. Denne resistens over for antibiotika i både stationære faseceller og biofilm kan skyldes tilstedeværelsen af ​​persisterceller.

Centrale punkter

  • Mikrober danner en biofilm som reaktion på mange faktorer, herunder cellulær genkendelse af specifikke eller ikke-specifikke tilknytningssteder på en overflade, ernæringsmæssige signaler eller eksponering af planktonceller for sub-hæmmende koncentrationer af antibiotika.
  • Dannelse af en biofilm begynder med fastgørelsen af ​​fritsvævende mikroorganismer til en overflade. Disse første kolonister klæber i starten til overfladen gennem svag, reversibel adhæsion via van der Waals-kræfter.
  • Hvis kolonisterne ikke umiddelbart adskilles fra overfladen, kan de forankre sig mere permanent ved hjælp af celleadhæsionsstrukturer såsom pili.

Nøglebegreber

  • biofilm: et aggregat af mikroorganismer, hvor celler klæber til hinanden på en overflade

Forklar, hvordan mikroorganismer kan bruges som reaktion på forureningshændelser såsom et olieudslip.

en. «bioremediation» er brugen af ​​mikrober til at fjerne miljøforurenende stoffer fra oliespild

b. nogle forurenende stoffer metaboliseres/nedbrydes af mikroorganismer

c. mikroorganismer kan være eubakterier/arkæer

d. mikroorganismer er nyttige i bioremediering, fordi de kan formere sig meget hurtigt «ved binær fission»

e. mikroorganismer kan bruge forurenende stoffer/olieudslip/råolie som energikilder/kulstofkilder/elektronacceptorer i cellulær respiration

f. f.eks: Pseudomonas brugt «in bioremediering»

g. Pseudomonas kræver næringsstoffer "såsom kalium og urinstof" for at metabolisere olien hurtigere og sprøjtes på et olieudslip for at hjælpe bakterierne i deres arbejde


Starter et nyt ansigt: fra biokemi til biofilms biologi

Efter at have arbejdet med bakterielle biofilm som model for at forstå udviklingen af ​​enzymer i komplekse miljøer, var det svært at gå tilbage til domesticerede bakterier. I mit nye laboratorium vil vi fortsætte med at bygge bro mellem biofilms biologi og evolutionær biokemi.

Del

Kopier linket

I april 2019 offentliggjorde vi i Nature Microbiology min yndlingsdel af de seks fantastiske år, jeg tilbragte som postdoc i Dan Tawfiks laboratorium (Weizmann Institute of Science, Israel). Projektet blev designet i 2013 med det formål at bidrage til et grundlæggende felt inden for biologi: evolutionær biokemi.

Evolutionær biokemi er i store træk et tværfagligt område. Målet er at forstå, hvordan ændringer i DNA-sekvensen (mutationer), påvirker enzymfunktionen og til gengæld organismens overlevelse i en population. På grund af deres hurtige duplikeringstider og tekniske fordele er bakterier typisk den mest almindelige organisme, der anvendes i marken. Så en evolutionær biokemiker er en kombination af en genetiker, økolog, mikrobiolog og biokemiker. Jeg personligt har altid været tilbøjelig til biokemikersiden. Jeg kan godt lide at observere, hvordan enzymers biokemiske egenskaber, såsom bindingsaffiniteter eller katalytiske omsætninger korrelerer med bakteriel overlevelse. Så både mine kandidat- og postdoktorale studier blev brugt i evolutionære biokemiske laboratorier, hvor proteiner er i centrum for opmærksomheden.

I evolutionær biokemi er gavnlige mutationer opnået under laboratorieforhold imidlertid meget ofte forskellige fra dem, der oftest findes i naturen, blandt ortologer. På Dannys laboratorium besluttede vi at begynde at teste evolution i biofilm. Vi antog, at måske mere komplekse bakterielle væksttilstande, omend stadig under laboratoriekontrollerede forhold, bedre kunne efterligne naturlig selektion. Biofilm er en af ​​de mest almindelige bakterietilstande i naturen og er fundamentalt forskellige fra bakteriepopulationer under rysteforhold (plankton). Alligevel måler vi i evolutionær biokemi ofte fitness i den planktoniske tilstand, snarere end den almindelige og naturlige tilstand af bakterier, biofilmen.

I vores Nature Microbiology papir målte vi egnetheden af ​​mutationer i biofilmpopulationer og sammenlignede resultaterne med det typiske scenarie, opnået med rysteforholdene. Jeg vil ikke uddybe resultaterne af vores papir her, du kan også finde dem i "bag papiret"-bloggen fra dette fællesskab. Jeg tror, ​​det vil være tilstrækkeligt at sige, at jeg under min postdoc lærte mange vigtige videnskabelige og personlige lektioner. Men måske en af ​​de mest relevante er min udviklet sig fascination for biofilm, og selvom jeg inderst inde er biokemiker, begyndte mikrobiologi at få en betydelig plads i min videnskabelige interesse.

Med min nye biofilm-centrerede tilgang startede jeg i juli sidste år mit eget laboratorium i Institut for Plantepatologi og Mikrobiologi, ved Fakultetet for Landbrug ved Det Hebraiske Universitet i Jerusalem, Israel. Vores laboratoriums hovedmål er at fortsætte med at dissekere evolution i biofilm fra et stærkt biokemiperspektiv. Biofilm er ikke kun en af ​​de mest almindelige tilstande af bakterier i naturen, men er også kendt for at trives bedre end planktonpopulationer under ugunstige miljøforhold. Men på trods af biofilms klare tilpasningspotentiale ved vi ikke nok om de evolutionære mekanismer, der giver nye enzymatiske funktioner i disse bakteriepopulationer. Ved at kombinere genomik, biokemi og biofilmmikrobiologi vil vores nye laboratorium undersøge, hvordan metaboliske funktioner kan udvikle sig i biofilmpopulationer og mediere deres høje tilpasningsevne. Vi håber også, at denne forskning vil guide fremtidige bestræbelser på at konstruere nye metaboliske funktioner i biofilm, som er blevet givet som potentielt bedre bioreaktorer end planktonpopulationer.


Nanokrystaller, der udrydder bakterielle biofilm

Kredit: Pohang University of Science & Technology (POSTECH)

COVID-19-pandemien rejser frygt for nye patogener såsom vira eller lægemiddelresistente bakterier. På denne note har et koreansk forskerhold for nylig henledt opmærksomheden for at udvikle teknologien til at fjerne antibiotika-resistente bakterier ved at kontrollere overfladeteksturen af ​​nanomaterialer.

Et fælles forskerhold fra POSTECH og UNIST har introduceret blandet-FeCo-oxid-baserede overfladeteksturerede nanostrukturer (MTex) som højeffektiv magneto-katalytisk platform i det internationale tidsskrift Nano bogstaver. Holdet bestod af professorerne In Su Lee og Amit Kumar med Dr. Nitee Kumari fra POSTECH's Institut for Kemi og professor Yoon-Kyung Cho og Dr. Sumit Kumar fra UNIST's Institut for Biomedicinsk Teknik.

Først syntetiserede forskerne nanokrystaller med glat overflade, hvori forskellige metalioner blev pakket ind i en organisk polymerskal og opvarmede dem ved en meget høj temperatur. Under udglødning af polymerskallen inducerede en højtemperatur-faststof-kemisk reaktion blanding af andre metalioner på nanokrystaloverfladen, hvilket skabte et antal grene og huller på få nm-størrelse. Denne unikke overfladetekstur viste sig at katalysere en kemisk reaktion, der producerede reaktive oxygenarter (ROS), der dræber bakterierne. Det blev også bekræftet at være stærkt magnetisk og let tiltrukket af det eksterne magnetfelt. Holdet havde opdaget en syntetisk strategi til at omdanne normale nanokrystaller uden overfladeegenskaber til yderst funktionelle nanokrystaller af blandet metaloxid.

Transmission elektronmikroskop (TEM) billede af Mtex. Kredit: POSTECH

Forskerholdet kaldte denne overfladetopografi - med grene og huller, der ligner en pløjemark - 'MTex.' Denne unikke overfladetekstur er blevet verificeret til at øge mobiliteten af ​​nanopartikler for at tillade effektiv indtrængning i biofilmmatrix, mens den viser høj aktivitet til at generere reaktive oxygenarter (ROS), der er dødelige for bakterier.

Dette system producerer ROS over et bredt pH-område og kan effektivt diffundere ind i biofilmen og dræbe de indlejrede bakterier, der er resistente over for antibiotika. Og da nanostrukturerne er magnetiske, kan biofilmaffald skrabes ud selv fra de svært tilgængelige mikrokanaler.

"Denne nyudviklede MTex viser høj katalytisk aktivitet, adskilt fra den stabile glatte overflade af de konventionelle spinelformer," forklarede Dr. Amit Kumar, en af ​​de tilsvarende forfattere af papiret. "Denne egenskab er meget nyttig til at infiltrere biofilm selv i små rum og er effektiv til at dræbe bakterierne og fjerne biofilm."

"Denne forskning gør det muligt at regulere overfladens nanoteksturisering, hvilket åbner muligheder for at øge og kontrollere eksponeringen af ​​aktive steder," bemærkede professor In Su Lee, der ledede forskningen. "Vi forventer, at de nanoskala-teksturerede overflader bidrager væsentligt til at udvikle en bred vifte af nye enzymlignende egenskaber ved nano-bio-grænsefladen."


Anerkendelser

Forfatterne takker D. Kearns (Indiana University) for den venlige gave B. subtilis 2569 stamme og Y. Liu for softwareinstruktionen. Regelmæssig TEM-karakterisering blev udført ved National Center for Protein Science, Shanghai. Fluorescensmikroskopi blev udført på Molecular Imaging Core Facility af SLST, Shanghai Tech University. Dette arbejde blev finansieret af Science and Technology Commission of Shanghai Municipality (17JC1403900), National Natural Science Foundation of China (nr. 31570972) og 2016 Open Financial Fund of Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology (Grant No. QNLM2016ORP0403) for C. Zhong C. Zhong. anerkender også opstartsstøtte fra ShanghaiTech University og 1000 Youth Talents Program, givet af den kinesiske centralregering. Arbejdet blev også delvist finansieret af National Natural Science Foundation of China (nr. 31872728) for J.H., og National Natural Science Foundation of China (NSFC: nr. 31522017, nr. 31470834, nr. 31670869) for H.Y.


3. RESULTATER OG DISKUSSIONER

I en indledende undersøgelse præsenteret her blev de minimale hæmmende koncentrationer (MIC) og biofilm-udryddelseskoncentrationer (MBEC) evalueret for alle moderphenoler og deres AM-derivater mod den Gram-negative bakterie P. aeruginosa og den gram-positive bakterie S. epidermidis. AM-derivater var typisk mere potente end deres tilsvarende moderphenoler mod planktonceller, bortset fra 1/2k mod S. epidermidis (Tabel 1). Vi har tidligere vist, at de lipofile phenoler 1d (især) og 1e er usædvanligt stærke overfor S. epidermidis (Walsh et al., 2020). Den observation, at 2d udviser en lavere styrke i forhold til 1d mod begge bakterier kan simpelthen være et tilfælde, hvor den ekstraordinære aktivitet af moderphenolen er ineffektivt udtrykt i dens AM. I den høje ende (gennemsnit over fire parringer) var AM-derivater 66 gange mere potente end deres phenoliske modstykker over for S. epidermidis og 16,0 gange mere potent mod P. aeruginosa i planktonfasen. Disse resultater stemmer overens med spaltningen af ​​AM-gruppen via intracellulær esterase, hvilket resulterer i cellulær retention og intracellulær koncentration af det phenoliske antimikrobielle middel.

Minimum hæmmende koncentration (mM)
S. epidermidis P. aeruginosa
Forbindelse Phenol ER Phenol ER
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 time 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
1/2m 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

Mod biofilm var AM'er igen mere potente end moderphenoler med sjældne undtagelser. Mod biofilm var AM-derivater (avanceret gennemsnit over fire parringer) 9,3 gange mere potente over for S. epidermidis og 15,0 gange mere potent mod P. aeruginosa. Disse resultater giver yderligere bekræftelse på, at tilføjelsen af ​​en AM-gruppe væsentligt kan øge den beskedne styrke af små phenoler mod både biofilm og planktonceller. Det skal her understreges, at de foregående resultater stærkt understøtter anvendelsen af ​​en AM-baseret prodrug-tilgang til at øge antimikrobielle aktiviteter, selvom de foreliggende forbindelser er aktive ved høje mikro/lave millimolære koncentrationer. Det forventes, at styrken af ​​kommercielt succesrige antimikrobielle stoffer vil blive forøget på samme måde ved brug af denne strategi.

AMs 2c, 2f, 2j, og 3b var de mest potente forbindelser imod S. epidermidis biofilm, mens AM'er 2f, 2k, 2j, og 3a var mest effektive til at udrydde P. aeruginosa biofilm. Undtagelser fra den fremherskende tendens er 1/2k, 1/2 g, og 1/2e hvor forælder og AM delte samme MBEC imod S. epidermidis og sammensat 2d hvor AM var mindre potent mod begge bakterier (tabel 2). I tilfælde af 1/2d,1/2e, og 1/2k (en chlorphenol), havde moderphenolen allerede fremragende aktivitet, med 2d og 2e deler en stærkt hydrofob substituent i 4-positionen (se ovenfor Walsh et al., 2020).

Minimum biofilm udryddelse koncentration (mM)
S. epidermidis P. aeruginosa
Forbindelse Phenol ER Phenol ER
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 time 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
1/2m 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

Som et kontroleksperiment, AM 3d, som mangler en phenolisk OH, var blandt de mindst potente AM-derivater med en MBEC på 24 mM mod begge bakterier. Det skal bemærkes, at mange af disse AM'er har elektronrige aromatiske kerner (dvs. 2c [til S. epidermidis], 2f og 3a), hvorimod den anden er det simple 4-chlorderivat 2j. Den uventede høje aktivitet af 2f fik os til at undersøge capsaicin-derivatet 2 timer, for at sondere for en vanilloid-receptorkomponent. Desværre, 2 timer var på ingen måde speciel i sin aktivitet.

Det er også interessant at bemærke, at de mest potente moderphenoler ikke konsekvent resulterede i de mest potente AM'er mod biofilm. Fenoler 1d, 1e, 1k, 1j, og 1q var mest potente overfor S. epidermidis, mens phenoler 1d, 1 time, 1k, 1j, og 1q var mest potente overfor P. aeruginosa (Tabel 1 og 2). Ud af disse seks forbindelser var de eneste AM'er med topstyrke 2k og 2j imod S. epidermidis, med 2j og 3b mest aktive overfor P. aeruginosa. Phenol 1f var blandt de mindst potente over for begge bakterier mens 2f var blandt de fem mest potente over for begge bakterier.

AMs 2f og 2j var de mest succesrige forbindelser mod biofilm for begge typer bakterier. To isomerer af 2f, 2g, og 3c blev også vurderet. Disse isomerer viste imidlertid et væsentligt fald i styrke sammenlignet med 2f. Denne tendens blev ikke set i moderphenoler hvor 1g var den mest potente isomer mod S. epidermidis og 1r var den mest potente isomer mod P. aeruginosa. I moderphenoler blev der ikke observeret en dramatisk forskel i styrke, som det var med prodrug-derivaterne (tabel 3).

Minimum biofilm udryddelse koncentration (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

Disse resultater tyder på, at placeringen af ​​funktionelle grupper omkring den aromatiske ring kan gøre en dramatisk forskel i styrke for AM-derivater, hvilket også observeres i isomererne 2a og 3a (Tabel 3). ER 2a har methylgrupper er 2- og 4-stillingen, mens 3a har methylgrupper i 2 og 6 positionerne. Her, 2a er mere potent overfor S. epidermidis og 3a mere potent overfor P. aeruginosa (Tabel 3). Dette blev også observeret med de tilsvarende phenoler (tabel 2).

Det blev observeret, at alle forbindelser udviste en højere styrke over for planktonceller sammenlignet med biofilm (tabel 1 og 2). Forældrephenoler var i gennemsnit 26 gange mere potente over for S. epidermidis planktoniske celler sammenlignet med biofilm og 10 gange mere potente overfor P. aeruginosa i planktonisk tilstand. AM-derivater var i gennemsnit 55 gange mere potente over for plankton S. epidermidis og 11 gange mere potent over for plankton P. aeruginosa sammenlignet med de tilsvarende biofilmtilstande. Dette var forventet på grund af planktoncellers højere modtagelighed. AM'er oplevede også en større forskel i styrke mellem planktonceller og biofilm, end der blev set med moderphenoler. Sidstnævnte observation stemmer overens med evnen for det spaltede iminodiacetat til at koncentrere sig i celler, en egenskab som moderphenolen mangler.

Fra en strukturel fremtid, AM-serien 3ac, hvor den phenoliske OH indtager 4-positionen, viste ikke konsekvent hverken en øget eller dæmpet styrke sammenlignet med 2aohvor involvering af det phenoliske OH i chelering forventes (se ovenfor). Det er ikke desto mindre væsentligt, at begge dele 3a og 3b udviste en dramatisk stigning i styrke over for P. aeruginosa. Interessant nok er de "ikke-traditionelle" AM'er 4a og b viste ikke øget styrke over for nogen af ​​bakterierne sammenlignet med de fem mest potente "traditionelle" AM'er. Dette kan skyldes den forlængede afstand af den chelaterende del fra den aromatiske ring. Som før førte aromatisk klorsubstitution dog til en forøgelse af aktiviteten (4b vs. 4a, tabel 4) som man kunne forvente (Suter, 1941).

Minimum biofilm udryddelse koncentration (mM)
S. epidermidis P. aeruginosa
Forbindelse Phenol ER Phenol ER
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 Sammenligning af AM prodrugs til kommercielle antibiotika

Glædeligt som de førnævnte aktivitetsforbedringer var for prodrug AM'er Vis a vis deres moderphenoler nåede den samlede styrke sjældent det mikromolære område, der forventes for moderne antibiotika mod planktonceller. At dokumentere en direkte Sammenligning med de nuværende AM'er blev tre kommercielle antibiotika udvalgt til MBEC-evaluering under det nuværende assay mod S. epidermidis og P. aeruginosa biofilm (tabel 4). Metronidazol er et nitroimidazolderivat, der blev udvalgt til dets anvendelse til behandling af en række bakterielle infektioner og har vist sig at udvise aktivitet over for biofilm af Helicobacter pylori (Yonezawa, Osaki, Hojo, & Kamiya, 2019) og C. difficile (Vuotto, Moura, Barbanti, Donelli, & Spigaglia, 2016). Metronidazol havde en MBEC på 6,2 mM mod S. epidermidis og 50 mM mod P. aeruginosa biofilm. Tobramycin er et aminoglykosid, der blev valgt, fordi det er blevet grundigt undersøgt for effektivitet mod P. aeruginosa biofilm og er blevet klinisk brugt i behandlingen af ​​cystisk fibrose (Høiby et al., 2019). Under vores eksperimentelle protokol havde tobramycin en MBEC på 18 mM mod S. epidermidis og på 0,06 mM mod P. aeruginosa biofilm. Nitazoxanid er et bredspektret antiparasitisk og antiviralt lægemiddel, som for nylig er blevet undersøgt for effektivitet mod bakterier (Carvalho, Lin, Jiang og Nathan, 2009 Guttner, Windsor, Viiala, Dusci, & Marshall, 2003 Singh & Narayan, 2011). Nitazoxanid har også vist sig at hæmme S. epidermidis biofilmdannelse (Tchouaffi-Nana et al., 2010). Nitazoxanid viste en MBEC på 50 mM mod S. epidermidis og på 3,12 mM mod P. aeruginosa biofilm.

Mod S. epidermidis biofilm, var flere AM-forbindelser mere potente end metronidazol og tobramycin. En omfattende tabel (Tabel S1) kan findes i tillægget. Alle 18 AM prodrugs udviste en lavere MBEC mod P. aeruginosa sammenlignet med metronidazol, selvom tobramycin her udviste den højeste styrke af alle evaluerede forbindelser. Tilsvarende var alle 18 AM-derivater mere potente over for S. epidermidis sammenlignet med nitazoxanid. At flere AM'er var mere potente over for begge bakterier sammenlignet med metronidazol kan forventes, da metronidazol bruges til at behandle anaerobe infektioner, mens både S. epidermidis og P. aeruginosa er begge fakultative anaerobe.

I et yderligere kontrolstudie er et udvalgt antal iminodieddikesyrer 5a, 5g, 5k, og 5 l blev vurderet for styrke. Disse er den spaltede form af lægemidlet, produceret efter esterasespaltning (figur 2). De frie iminodiacetater forventedes ikke effektivt at trænge gennem biofilmene eller krydse cellemembranen så effektivt som deres AM-modstykker.

Alle iminodiacetater var signifikant mindre potente end deres tilsvarende AM-prodrugs mod biofilm (tabel 5). AM'er var i gennemsnit 10 gange mere potente end de tilsvarende iminodiacetater imod S. epidermidis og 16 gange mere potent imod P. aeruginosa biofilm. Dette understøtter også, at AM-formen af ​​lægemidlet er i stand til at trænge ind og udrydde celler i en biofilm. I sammenligning med phenoler 5a, 5g, 5k, og 5 lblev det også observeret, at de tilsvarende iminodiacetater ofte var mindre potente (tabel 1 og 5).

Minimum biofilm udryddelse koncentration (mM)
S. epidermidis P. aeruginosa
Forbindelse Forælder phenol ER Iminodisyre (5) Forælder phenol ER Iminodisyre (5)
1/2/5a 31.2 6.2 125 62.5 12.5 >250
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

I et forsøg på bedre at udforske yderligere syntetiske muligheder for afledninger af iminodiacetat-funktionaliserede prodrugs, fem variationer af ester-prodrugs (f.eks. 6-10f) blev syntetiseret og evalueret mod planktonceller og biofilm. Dette blev gjort i et forsøg på at udforske alternative estervarianter som prodrugs. Eugenol (1f) blev valgt som det phenoliske stillads siden dets AM (2f) var en af ​​de fem mest potente over for biofilm i den indledende serie (tabel 1, vide supra). Det hemiacytale MEM-derivat 10f blev udvalgt til at øge hydrofilicitet, da eugenol selv har lav vandopløselighed. De simple estere 6/7f blev valgt, da almindelig esterfunktionalitet burde være mere robust over for esterase end acylfunktionen til stede i AM'er. Acylaler 8/9f besidder butyryl- og pivaloylestere i stedet for henholdsvis acetatet. Disse blev udvalgt til at undersøge terminusvariation af iminodiacetatgruppen. Bis(pivaloyloxy)methylesteren blev også valgt på grund af dens anvendelse i prodrugs for at forbedre biotilgængeligheden (Brass, 2002).

Mod planktonceller, prodrug-derivat 8f udviste den højeste styrke mod S. epidermidis, mens 2f viste den højeste styrke overfor P. aeruginosa (Tabel 6). Ethyl- og allylesterderivaterne (6f, 7f) var de mindst potente prodrugs samlet set med MIC'er på 31,2 mM mod begge bakterier. Mod S. epidermidis 6f og 7f var også mindre potente end moderphenolen (1f) (Figur 3).

Minimum hæmmende koncentration (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

Mod biofilm, AM 2f havde den højeste styrke mod begge bakterier (tabel 7). Forbindelse 7b var den mindst potente overfor S. epidermidis mens 7e var den mindst potente overfor P. aeruginosa. Dette tyder på, at AM 2f er enten mere permeabel for biofilmen, eller esterbindingerne til stede i denne gruppe spaltes lettere af esterase eller begge dele. Det er også af interesse, at hemiacytal 7b viste prisværdig aktivitet overfor S. epidermidis.

Minimum biofilm udryddelse koncentration (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

Et CDC Biofilm-reaktorassay blev også brugt til at underbygge den sammenlignende effektivitet af eugenol (1f) med dens tilsvarende AM-afledte (2f) mod P. aeruginosa (PA015542). Her, i modsætning til den statiske tilstand af pladen med 96 brønde, blev biofilm dyrket i et miljø med høj forskydning. Denne metode øger biofilm-vedhæftningen til overfladen, hvorpå den er dyrket, og får biofilmen til at producere en mere robust EPS (Gloag, Fabbri, Wozniak, & Stoodley, 2020 Stoodley, Cargo, Rupp, Wilson, & Klapper, 2002). Denne metode blev valgt, fordi den er blevet standardiseret af ASTM. I lighed med de statiske 96-brønds pladeassays, styrken af ​​AM-derivatet (2f) var større end moderforbindelsen (1f) under anvendelse af CDC-biofilmreaktoren. Eugenol (1f) viste en gennemsnitlig log reduktion på 1,68 ± 0,12, mens dens tilsvarende AM (2f) havde en gennemsnitlig log reduktion på 5,81 ± 0,53. En graf over disse data kan findes i de supplerende materialer (figur S1). Dette har vist, at AM (2f) er betydeligt mere potent end forælderen (1f) mod biofilm dyrket i både statiske og høje forskydningsmiljøer.

Når AM'er har trængt ind i biofilmens ekstracellulære matrix og membranen af ​​indboende celler, forudsiges de at blive påvirket af intracellulær esterase, hvilket frigiver den aktive form som iminodiacetat. Det resulterende højt ladede antimikrobielle stof fanges derefter i cellen. Den observerede stigning i styrke understøtter, at AM'er bliver påvirket af esterase en gang inde i cellen, men yderligere eksperimenter blev også udført for yderligere at understøtte denne hypotese. Ifølge KEGG genom annotationer, P. aeruginosa (PAO1) og S. epidermidis (RP62A) indeholder henholdsvis 39 og 16 esteraser samt andre enzymer, der har vist sig at have esteraseaktivitet (Foster, 1996 Goullet & Picard, 1991). For eksempel har EstA vist sig at have esteraseaktivitet i Pseudomonas og menes at være involveret i hydrolyse af esterholdige forbindelser på celleoverfladen eller i dyrkningsmediet (Nicolay, Devleeschouwer, Vanderleyden, & Spaepen, 2012 Wilhelm, Gdynia, Tielen, Rosenau, & Jaeger, 2007). Her blev esterase fra svinelever brugt, fordi det har vist sig let at spalte esterbindinger i små organiske molekyler (Perez, Daniel, & Cohen, 2013) samt antibiotika som ampicillin og amoxicillin (Zhou et al., 2019). For at bestemme om esterase vil spalte disse AM-grupper, 2b blev udsat for esterase in vitro, og prøver blev set via massespektrometri for at bestemme, om det frigjorte iminodiacetat 5b var til stede (figur 4).

AM-derivatet af 4-methoxyphenol (2b) blev udsat for esterase i kold HEPES-buffer, og LC-MS blev udført for at bestemme mængden af ​​det frigjorte produkt, 2,2'-((2-hydroxy-5-methoxybenzyl)azandiyl)diacetat (5b), til stede. Den nøjagtige masse af 2b er 413.1322 amu, med en forudsagt [M] − på 413,1322 amu og den nøjagtige masse af 5b er 267.0745 amu med forudsagt [M – 2H] 2− på 132,5366 amu. Den nøjagtige masse af det protonerede derivat af 5b er 269,0889 amu med en forudsagt [M + H]+ på 268,0816. Både det mono- og di-anioniske produkt forventes at være til stede i de esterase-eksponerede prøver, som blev evalueret.

Spektre blev taget af den rene AM-forbindelse 2b (EN) og det frigjorte derivat 5b (B) (Figur 5). I ramme B, kan både toppe for mono- og di-anioniske arter observeres. AM 2b blev udsat for esterase i HEPES-buffer i 8 (D), 16 (E), og 24 (F) min, ekstraheret og derefter analyseret via LCMS (figur 5). Masserne af 2b og 5b blev fundet var inden for to decimaler af de forudsagte masser for hver forbindelse. En kontrol af 2b i HEPE uden esterase blev også inkluderet for at sikre, at HEPE ikke påvirker prodruget (C). Dette assay har vist, at AM-derivaterne in vitro faktisk påvirkes af esterase. Dette tyder på, at stigningen i styrke til dels skyldes, at AM er i stand til at trænge ind i biofilmen og transformere i cellen for at frigive iminodiacetatet. Dette understøttes yderligere af den observation, at iminodiacetaterne 5a,5f,5k, og 5 l er væsentligt mindre aktive end de tilsvarende AM'er over for biofilm. Selvom en in vivo undersøgelse endnu ikke er udført, er Calcein AM blevet brugt i vid udstrækning til at farve biofilm med succes (Godoy-Santos, Pitts, Stewart, & Mantovani, 2019 Ohsumi et al., 2015 Tawakoli, Al-Ahmad, Hoth-Hannig, Hannig, & Hannig, 2013 Tawakoli et al., 2013 Wakamatsu et al., 2014) og resultaterne præsenteret heri understøtter kraftigt hypotesen om, at AM-afledte prodrugs vil virke via en lignende mekanisme.


Septisk arthritis i forreste korsbåndskirurgi

Charalampos G. Zalavras MD , Michael J. Patzakis MD , i The Anterior Cruciate Ligament (Anden udgave), 2018

Biofilmdannelse

Biofilmdannelse er en nøglemekanisme for persistens eller gentagelse af infektion. Biofilmen er en samling af mikrobielle kolonier indesluttet i en ekstracellulær polysaccharidmatrix (glycocalyx), der klæber på overfladen af ​​implantater eller devitaliseret væv. 55 Tilstedeværelsen af ​​avaskulær graft og metalfikseringsanordninger i ACL-rekonstruktion skaber betingelser, der fremmer biofilmudvikling, hvis postoperativ SA ikke behandles tidligt og tilstrækkeligt. Biofilmen beskytter organismen mod antibiotika og værtsforsvarsmekanismer, såsom antistofdannelse og fagocytose, således at infektion kan eksistere i en subklinisk tilstand og til sidst gentage sig. Ved kroniske muskuloskeletale infektioner er fjernelse af biofilmen ved fjernelse af implantater og debridement af devitaliseret væv nødvendig for vellykket behandling af infektion. 56


Caries i tænderne

Andréa G. Ferreira Zandoná , . R. Scott Eidson, i Sturdevant's Art and Science of Operative Dentistry, 2019

Økologisk grundlag for tandkaries: Biofilmens rolle

Tandplak er et udtryk, der historisk er brugt til at beskrive den bløde, seje film, der samler sig på overfladen af ​​tænder. Tandplak er for nylig blevet omtalt som dental biofilm eller blot biofilm, som er en mere fuldstændig og præcis beskrivelse af dens sammensætning (bio) og struktur (film). 5 Biofilmen består for det meste af bakterier, deres biprodukter, ekstracellulær matrix og vand (fig. 2.6, 2.7, 2.8, 2.9 og 2.10). Biofilm er ikke vedhæftende madrester, som man i vid udstrækning og fejlagtigt troede, og den skyldes heller ikke den tilfældige samling af opportunistiske mikroorganismer. Ophobningen af ​​biofilmen på tænderne er en meget organiseret og ordnet sekvens af begivenheder. Bakterier synes at indtage den samme rumlige niche hos de fleste individer. 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 (p) 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 EN. 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 og 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. Where 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 og 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 (en) 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 EN. 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.

Hun fik sin 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 udviklingsmæssigt 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. Naturens mikrobiologi 1, 15016

A Stacy, L McNally, SE Darch, SP Brown, M Whiteley. 2016. The biogeography of polymicrobial infection. Naturanmeldelser Mikrobiologi 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. Naturkommunikation6, 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.