Combined Theoretical and Experimental Approaches for Bacterial Aggregation Studies Towards the Improvement of Bioremediation Processes

Abstract

El proceso de agregación bacteriana suele considerarse un paso previo a la adhesión a una superficie para el establecimiento de biopelículas. Sin embargo, la formación de cúmulos que permanecen en suspensión ya se ha descrito como un tercer estilo de vida microbiano. Pseudomonas extremaustralis 2E-UNGS es un microorganismo originario del contaminado río Reconquista, Argentina. Esta cepa es capaz de agregarse, desarrollar biopelículas y biosorber metales, secretando biosurfactantes y sustancias exopoliméricas, propiedades que contribuyen a su aplicación en el diseño de biotecnologías ambientales sostenibles, incluyendo biorreactores. El objetivo de este trabajo fue estudiar la cinética de la autoagregación de P. extremaustralis 2E-UNGS mediante una combinación de enfoques de modelado experimental, bioinformático y teórico para su posible aplicación en el diseño de biotratamientos mejorados, especialmente de efluentes de galvanoplastia. La cinética se estudió mediante microscopía de campo claro y análisis digital FIJI®. Se obtuvo la dispersión temporal del tamaño de los cúmulos celulares. Se utilizó un modelo físico basado en dispersiones de micelas 2D autoensambladas para describir el coste energético del proceso de agregación. Un medio de cultivo con baja concentración de nutrientes promovió la formación de cúmulos celulares pequeños y compactos. El estudio genómico reveló la presencia de los operones pelABCDEFG y pgaABCD, implicados en la producción de exopolímeros y asociados con la regulación de la autoagregación. El contraste de resultados experimentales, bioinformáticos y numéricos arroja luz sobre algunos de los mecanismos subyacentes al fenómeno de la agregación bacteriana, útiles para aplicaciones biotecnológicas.

Bacterial aggregation process is usually considered as a step prior to adhesion to a surface for the biofilm establishment. However, the formation of clusters that remain in suspension has already been described as a third microbial lifestyle. Pseudomonas extremaustralis 2E-UNGS is a microorganism native to the contaminated Reconquista River, Argentina. This strain is able to aggregate, develop biofilms and biosorb metals, secreting biosurfactants and exopolymeric substances, properties that contribute to its application in the design of sustainable environmental biotechnologies, including bioreactors. The aim of this work was to study the kinetics of P. extremaustralis 2E-UNGS self-aggregation by a combination of experimental, bioinformatic and theoretical modelling approaches to be potentially applied in the design of improved biotreatments, especially of electroplating effluents. The kinetics was studied by bright-field microscopy and FIJI® for digital analysis. Time-dependent dispersion of cell cluster sizes was obtained. A physical model based on self-assembled 2D micelle dispersions was used to describe the energetic cost of the aggregation process. A low-nutrient concentration culture medium promoted the formation of small and compact cell clusters. The genomic study revealed the presence of pelABCDEFG and pgaABCD operons, involved in exopolymer production and associated with self-aggregation regulation. Contrasting experimental, bioinformatic and numerical results shed light on some of the mechanisms underlying the phenomenon of bacterial aggregation, useful for biotechnological applications.