Projekti / Programi
Ekologija socialni interakcij pri bakteriji Bacillus subtilis
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 4.03.00 |
Biotehnika |
Rastlinska produkcija in predelava |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| B230 |
Biomedicinske vede |
Mikrobiologija, bakteriologija, virologija, mikologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 4.01 |
Kmetijske vede in veterina |
Kmetijstvo, gozdarstvo in ribištvo |
Socialne interakcije bakterij, celično signaliziranje, kooperativnost, anatagonizem, fitnes, komunikacijski tipi, Bacillus subtilis, biofilm, EPS, surfaktin, tla, rizosfera, biopesticid, rastlinski patogen, mikrobna raznolikost, funkcija ekosistema
Raziskovalci (17)
Organizacije (2)
Povzetek
Znanstvena izhodišča: Bakterije uporabljajo medcelično signaliziranje (socialne interakcije) za kontrolo pomembnih celičnih procesov (npr. sinteza antibiotikov, tvorba biofilmov) v odvisnosti od celične gostote. Signaliziranje je pogojeno z majhnimi molekulami, ki se akumulirajo v zunajceličnem prostoru, in ob dosegu kritične koncentracije inducirajo izražanje genov, kar sproži koordiniran prilagoditveni odgovor populacije. Pri Gram pozitivni bakteriji Bacillus subtilis je produkcija lipopeptidnega antibiotika surfaktina, zunajceličnega matriksa (EPS) in drugih prilagoditvenih procesov uravnavana s komunikacijskim sistemom ComQXPA. Prvi trije geni komunikacijskega lokusa kažejo visoko stopnjo polimorfizma, kar vodi v tvorbo štirih različnih komunikacijskih skupin. Komunikacija je mogoča med sevi znotraj iste skupine, medtem ko komunikacija sevov med različnimi skupinami ni mogoča. Opis problema: Pri dobro poznanem talnem organizmu, B. subtilis, sinteza antibiotikov zavzema približno 4 – 5% genoma, kar delno pojasni uporabo te bakterije za biozaščito rastlin. Odvisnost biozaščitnega potenciala (sinteza surfaktina) od komunikacijskega sistema ComQXPA je bila do sedaj preučevana le v laboratorijskih gojiščih. Raziskave tega in ostalih komunikacijskih sistemov v tleh/rizosferi so izjemno redke. Predpostavljamo, da lahko standardne inokulacijske postopke bacilov za zaščito rastlin izboljšamo, če poznamo delovanje in pestrost komunikacijskega sistema tudi v naravnem habitatu. Sistem ComQXPA je obenem tudi dober model za razumevanje ostalih komunikacijskih sistemov v tleh. Cilji raziskave: Cilji projekta so določiti povezave med okoljem (tla in rizosfera), mikrobno pestrostjo (komunikacijske skupine bakterije B. subtilis), socialnimi interakcijami (celično signaliziranje) in delovanjem ekosistema (biokontrolna aktivnost). Uporabili bomo tla in rizosfero kot kompleksni okolji za študij komunikacijskega sistema, kar je bilo do sedaj preučevano le v laboratorijskih kulturah. Določili bomo vpliv celične gostote ter različnih inokulumov (ista/različna komunikacijska skupina) na tvorbo antibiotika surfaktina. Z uporabo EPS- mutant bomo določili vpliv EPS na signaliziranje ter na viskoelastične lastnosti biofilmov. Izvirnost rezultatov: V predlaganem projektu bodo znanja o mehanizmih celičnega signaliziranja pridobljenih s študijami laboratorijskih kultur prvič prenesena v naravno okolje. Pridobljeni rezultati bodo zato novi in bodo razkrili kako okolje vpliva na socialne interakcije in kako te vplivajo na delovanje ekosistema. Rezultati predlaganih bazičnih raziskav bodo zato objavljivi v znanstvenih publikacijah z visokim faktorjem vpliva. Metode: Projektni skupini je na razpolago zbirka okoljskih sevov Bacillus, katerih komunikacijski tipi so znani in v okviru projekta bomo nadalje razvijali osnovna molekularna orodja za sledenje pestrosti in izražanja genov (PCR, Q-PCR, T-RFLP, specifični oligonukleotidni začetniki). Razviti nameravamo tudi biosenzorje s fluorescenčnimi poročevalci za sledenje medcelične komunikacije na malih razdaljah in pri EPS- mutantah. Potencial in relevantnost rezultatov: Rezultati bodo dali temeljne informacije o vlogi medceličnega signaliziranja ter informacije o socialnih interakcijah v heterogenih okoljih. Pridobljeni rezultati bodo pomembni za razumevanje širšega področja procesov signaliziranja v tleh, ki kontrolirajo različne pomembne dejavnike ekosistema. Uporaba ključnega, ekonomsko pomembnega ter okolju prijaznega biokontrolnega agensa, bakterije B. subtilis, doda predlagani raziskavi večjo relevantnost, saj sevi te vrste zavirajo rast rastlinskih patogenov in pospešujejo rast ekonomsko pomembnih rastlin. Boljše razumevanje komuniciranja v naravnem okolju lahko potencialno pripelje tudi do optimizacije postopkov biokontrole in komercializaciji predlaganih raziskav.
Pomen za razvoj znanosti
Medcelično signaliziranje bakterij je pomembno tudi za optimizacijo postopkov, pri katerih uporabljamo bakterije kot produkcijske organizme, kot biopesticide ali kot probiotike. Uravnava tudi virulenco številnih bakterij. V okviru projekta “Ekologija socialnih interakcij bakterije Bacillus subtilis” smo preučevali medcelično signaliziranje te bakterije in sorodnikov. Osredotočili smo se na komunikacijski sistem za zaznavanje celične gostote (kvoruma) ComQXPA, ki je izredno zanimiv zaradi visokega polimorfizma znotraj vrste. Ta poveča specifičnost odziva in prepreči komunikacijo med različnimi komunikacijskimi tipi (ferotipi) znotraj vrste. Z uporabo in vitro in in situ modelnih sistemov smo v okviru projekta prvi na svetu pokazali, da so ferotipi deloma pogojeni z ekološkimi značilnostmi bakterij, ki nosijo zapis za posamezni komunikacijski tip in s tem poglobili razumevanje vzrokov za funkcionalno segregacijo v ferotipe (Štefanič in sod., Env. Microbiol., 2012). Ugotovili smo, da poleg ferotipov obstajajo tudi druge komunikacijske bariere znotraj vrste B. subtilis, ki omogočajo prepoznavanja lastnih potomcev in s tem odprli povsem novo področje razikav na podrročju komunikacije po Gramu pozitivnih bakterij. Preučili smo tudi variablinost sistemov ComQXPA v sekvenciranih genomih bakterij, ki so dostopni v bazah podatkov in ugotovili, da obstajata znotraj debla Firmicutes dve skupini bakterij, ki nosijo genetski zapis za ortologe ComQXPA (Dogša in sod., Plos one, članek sprejet v objavo). Verjamemo, da bodo naši rezultati vzpodbudili nadaljnje raziskave ComQXPA komunikacijskih sistemov tudi pri drugih bakterijskih vrstah. V soavtorstvu z ameriškim laboratorijem smo sekvencirali genom našega izolata PS216 (Durett in sod, 2013), ki je tako postal zanimiv kot modelni organizem za širšo znanstveno skupnost, še posebej ker je naravno kompetenten in zato ga je enostavno genetsko manioulirati. Objavili smo tudi dve poglavji v mednarodnih knjigah, kjer smo izpostavili ekološki pomen naših raziskav in vlogo B. subtilis v rizosferi rastlin. Svoje raziskave smo predstavili na številnih mednarodnih kongresih, zelo pogosto kot vabljeni predavatelji ali pa kot izbrani med več kot 1000 delegati, kar potrjuje pomen naših rezultatov v svetovnem obsegu. Med prvimi na svetu smo izpostavili vlogo bakterijskega komuniciranja kot povezovalnega člena med primarnim in sekundarnim metabolizmom ter prvič pokazali, da sinteza signala v celici regulira zunajcelični odziv na ta signal. Te rezultate smo objavili v eni najbolj priznanih revij na svetu (Oslizlo in sod., PNAS, 2014), kar dodatno potrjuje pomen naših rezultatov za razvoj znanosti. Prvi smo tudi pokazali (Dogša in sod., 2013), da je sestava zunajceličnega matriksa biofilmov bakterije B. subtilis odvisna od sestave gojišča in da prisotnost saharoze sproži zelo močno sintezo polisaharida levana, ki pomembno prispeva k debelini in trdnosti biofilma. To pa pomeni, da bomo v kombinaciji z že obstoječim komplementarnim znanjem sposobni bolje obvladovati biofilm v danem okolju. Rezultate projekta smo objavili v znanstvenih revijah, ki so med najboljšimi na svetu, rezultati tega projekta so citirani v najboljših revijah in vodja projekta je bila vabljena na tuje univerze in mednarodna znastvena srečanja kot predavateljica in k sodelavam s strani najboljših skupinami na svetu (UCSD- ZDA, Harvard, Oxford, Copenhagen University, Groningen University, Aberdeen University), kar kaže na pomen našega dela za razvoj znanosti v svetovnem merilu. Bacilllus je komercialno izredno pomembna bakterija, zato imajo naše raziskave daljnosežen pomen za razvoj aplikacij v biotehnologiji in razvoju sonaravnih postopkov za zaščito rastlin in živali.
Pomen za razvoj Slovenije
Cilji projekta ‘Ekologija socialnih interakcij pri bakteriji Bacillus subtilis’ so bili tesno vezani na bazična vprašanja, ki so na meji znanega v naravoslovju in naslavljajo molekularne zakonitosti bakterijskega komuniciranja. V okviru projekta smo preučevali ekologijo in evolucijo bakterijskega komuniciranja; mehanizme, ki ohranjajo sodelovanje med mikroorganizmi; vplivajo na strukturiranost in fizikalno-kemijske lastnosti biofilmov. Tematika je izredno zanimiva in ima številne aplikacije in pomen v industriji, v kmetijstvu ter zdravju ljudi in živali. Zastavljeni cilji so bili doseženi, najpomembnejše za Slovenijo je objava rezultatov v najprestižnejših znanstvenih revijah in dobra citiranost nedavno objavljenih rezultatov. Skozi raziskave, vezane na ta projekt, nam je uspelo vstopiti v sam vrh svetovne znanosti, vzpostaviti nove trdne povezave in ohraniti že obstoječe s številnimi najprestižnejšimi inštitucijami na svetu kot so UCSD- ZDA, Harvard-ZDA, PHRI-ZDA, Oxford-UK, Copenhagen Uni-Danska, Groningen Uni-Nizozemska, Aberdeen Uni-UK, ICGBE-Trst . Odličnost potrjuje tudi 1) izbor naših raziskav kot predavanj na mednarodnih kongresih, 2) vabila na tuje univerze in v mednarodne doktorske komisije, 3) povabilo k sodelavi v okviru projekta TRANSMIT -Horizon 2020 (projekt ETM naslavlja mikrobne komunikacije in večvrstne biofilme s ciljem vzgojiti novo generacijo strokovnjakov, ki bodo aplicirali znanja o mikrobnem komuniciranju v industriji in kmetijstvu). V letu 2013 smo tudi organizirali najpomembnejši mednarodni simpozij na področju ekologije in genetike bakterij (BAGECO-12), kjer je bila vodja projekta I. Mandič Mulec predsednica organizacijskega in znanstvenega odbora. Kongres je v Ljubljano pripeljal 300 delegatov iz vsega sveta, med katerimi so bili številni najpomembnejši strokovnjaki s področja in je požel zanimanje tudi širše javnosti. Rezutati raziskave objavljene v PNAS o mehanizmih, ki prerečujejo goljufanje pa so vzpodbudili zanimanje TV- Slovenija, ki je posnela oddajo o tem članku. Dosežki projekta so bili tudi redno vključevani v pedagoški proces v okviru Univerzitetnih študijev Mikrobiologija in Biotehnologija ter doktorskih študijev Biomedicina in Bioznanosti. Projekt je tako pomembno prispeval k nastanku 4. diplom, enega magisterija in ene doktorske disertacije A. Oslizlo, ki jo bo kandidatka zagovarjala v letošnjem letu. Projekt je bil tudi pomemben za vzpostavitev povezav doma, saj smo skozi le-tega navezali močnejše stike s skupino M. Rupnik (NLZOH) in s skupino I. Poberaja na FMF-UL.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2010,
2011,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2010,
2011,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
