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Polissacarídeos capsulares bacterianos com atividade antibiofilme compartilham propriedades biofísicas e eletrocinéticas comuns

Jul 17, 2023

Nature Communications volume 14, número do artigo: 2553 (2023) Citar este artigo

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Os biofilmes bacterianos são comunidades ligadas à superfície que são difíceis de erradicar devido à alta tolerância aos agentes antimicrobianos. O uso de compostos tensoativos não biocidas para prevenir a adesão inicial e agregação de patógenos bacterianos é uma alternativa promissora aos tratamentos com antibióticos e vários compostos antibiofilmes foram identificados, incluindo alguns polissacarídeos capsulares liberados por várias bactérias. No entanto, a falta de compreensão química e mecanicista da atividade destes polímeros limita a sua utilização para controlar a formação de biofilme. Aqui, selecionamos uma coleção de 31 polissacarídeos capsulares purificados e primeiro identificamos sete novos compostos com atividade não biocida contra biofilmes de Escherichia coli e/ou Staphylococcus aureus. Medimos e interpretamos teoricamente a mobilidade eletroforética de um subconjunto de 21 polissacarídeos capsulares sob condições de campo elétrico aplicado, e mostramos que os polímeros polissacarídeos ativos e inativos apresentam propriedades eletrocinéticas distintas e que todas as macromoléculas ativas compartilham características de alta viscosidade intrínseca. Apesar da falta de motivo molecular específico associado às propriedades antibiofilme, o uso de critérios que incluem alta densidade de cargas eletrostáticas e permeabilidade ao fluxo de fluidos permite identificar dois polissacarídeos capsulares adicionais com atividade antibiofilme de amplo espectro. Nosso estudo, portanto, fornece insights sobre as principais propriedades biofísicas que discriminam polissacarídeos ativos de inativos. A caracterização de uma assinatura eletrocinética distinta associada à atividade antibiofilme abre novas perspectivas para identificar ou projetar macromoléculas tensoativas não biocidas para controlar a formação de biofilme em ambientes médicos e industriais.

Os biofilmes bacterianos são bactérias generalizadas ou agregadas à superfície que podem impactar negativamente as atividades humanas quando se desenvolvem em superfícies médicas ou industriais1,2. Devido à sua elevada tolerância aos antibióticos, os biofilmes são difíceis de erradicar e a prevenção de infecções associadas ao biofilme é uma importante questão económica e de saúde3,4. As estratégias para prevenir a formação de biofilme muitas vezes visam as etapas iniciais da adesão bacteriana utilizando superfícies revestidas por agentes biocidas, como antibióticos de amplo espectro ou metais pesados5. Estas abordagens biocidas são limitadas pela rápida acumulação de bactérias mortas e detritos orgânicos, o que reduz a actividade das superfícies revestidas em relação a novas células que chegam. Além disso, o uso de superfícies que liberam biocidas, como antibióticos, está associado a uma seleção preocupante de resistência a antibióticos6.

Vários estudos demonstraram que estratégias antiadesão não antibióticas também poderiam interferir eficientemente na formação de biofilme bacteriano7,8,9,10,11,12,13,14. O design de materiais bioinspirados com propriedades de superfície anti-adesão foi proposto para constituir uma solução eficaz para proteger os equipamentos de atendimento ao paciente da colonização por patógenos e, portanto, impedir as principais etapas da infecção, desde o contato inicial com a superfície até as subsequentes interações bactérias-bactérias15,16 ,17. Estratégias não biocidas e de base biológica também são ativamente exploradas, incluindo abordagens que previnem e/ou interrompem biofilmes usando inibidores de detecção de quórum que interferem nas comunicações bacterianas18. As bactérias também secretam biossurfactantes que alteram as propriedades da superfície do material, como molhabilidade e carga . Esses compostos tensoativos reduzem os contatos superficiais e contribuem para a motilidade bacteriana ou estão envolvidos em interações competitivas entre bactérias12. Embora muitas destas moléculas correspondam a pequenos lipopeptídeos, estudos recentes mostraram que polissacarídeos capsulares de alto peso molecular liberados por várias bactérias poderiam prevenir a adesão, levando à subsequente agregação celular e formação de biofilme por uma ampla gama de bactérias Gram+ e Gram-. Estes incluem vários patógenos nosocomiais, como Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis e Enterococcus faecalis7,9,11,21,22,23,24.

7 dl/g) intrinsic viscosity (Supplementary Fig. 5). Moreover, molecular weight Mw and intrinsic viscosity [η] of polysaccharides with intermediate narrow-spectrum activity (PnPS18C and PnPS12F) cover range of values measured for both broad-spectrum active and non-active macromolecules. To determine whether high intrinsic viscosity could be indicative of potential antibiofilm activity, we screened additional purified bacterial capsular polysaccharides of our collection and we identified two such non-biocidal polysaccharides, MenY and MenW135 (Supplementary Fig. 3), presenting high intrinsic viscosity (Table 1 and Supplementary Fig. 5). Although MenY and MenW135 differ in their primary composition from Vi, MenA, MenC, and G2cps, they both exhibited similar broad-spectrum antibiofilm activity (Fig. 4 and Supplementary Fig. 6). These results indicated that specific polysaccharide conformation, reflected by a high intrinsic viscosity29, could be a determinant of antibiofilm activity./p>30 mM). This property is the direct consequence of the penetration of the electroosmotic flow within the charged polysaccharide globular structure33. Further qualitative inspection of the sets of electrokinetic data collected for the polysaccharides of interest revealed two main electrokinetic patterns. The first one corresponded to the 11 tested inactive macromolecules whose electrophoretic mobility systematically tends to a value of μ* satisfying 0.5 < │μ*│ <1.5 × 10−8 m2 V−1 s−1. For these macromolecules, the absolute value of the electrophoretic mobility decreases with increasing electrolyte concentration as a result of screening of the polysaccharide charges by the electrolyte ions. This feature is also shared by the active macromolecules (PnPS3, PRP and G2cps) with the noticeable difference that their asymptotic mobility value │μ*│ is significantly larger with μ* now satisfying the inequality │μ*│ >2 × 10−8 m2 V−1 s−1 (Fig. 5A). The second observed electrokinetic pattern applies to macromolecules with narrow (PnPS18C and PnPS12F) or broad-spectrum (Vi, MenA, MenC, MenY and MenW135) activities for which the electrophoretic mobility μ moderately or poorly depends on background electrolyte concentration. Strikingly, active macromolecules with narrow-spectrum antibiofilm activity are defined by electrophoretic mobilities (│μ*│ <0.5 × 10−8 m2 V−1 s−1) that are much lower in magnitude compared to those measured for broad-spectrum antibiofilm polysaccharides (Vi, MenA, MenC, MenY, and MenW135, │μ*│ >1.5 × 10−8 m2 V−1 s−1) (Fig. 5B). These results demonstrated clearly that active capsular polysaccharides are characterized by a specific electrokinetic signature./p>