Metabolomics analysis of fungal biofilm development and of arachidonic acid‐based quorum sensing mechanism

Abstract

The infections caused by filamentous fungi are becoming worldwide problem of healthcare systems due to increasing drug-resistance of this microorganism and increasing number of immunocompromised nosocomial patients. These infections are related with Aspergillus ability to form sessile communities referred to as the biofilms. The small compounds known as quorum sensing (QS) molecules allow this microorganism to coordinate all processes taking place during biofilm formation and maturation. In the study presented, the HRMAS H NMR metabolomic approach was applied to define composition of extra and intracellular metabolites produced by biofilmic and planktonic (aka free-swimming) cultures of this microorganism and to evaluate impact of quorum sensing molecule, arachidonic acid (AA) on biofilm formation. The Scanning Electron Microscopy was used to confirm Aspergillus ability to form biofilm in vitro, while multivariate and univariate data analysis was applied to analyze data obtained. The Aspergillus strain was able to form strong biofilm structures in vitro. The statistical analysis revealed significant changes of metabolite production depending on Aspergillus culture type (biofilm vs. plankton), time and presence of QS molecules. The data obtained, if developed, might be used in future NMR diagnostics as markers of Aspergillus biofilm-related infections and lead to shorten time between pathogen identification and introduction of treatment.

Multi-omics tools for studying microbial biofilms: current perspectives and future directions

“…Some studies have used metabolomics to investigate the determinants of the phenotypic switch between planktonic and biofilm state or the differences between the two states. For instance, studies by Gjersing et al (140), Yeom et al (141), Chavez-Dozal et al (142), Stipetic et al (111), Zhang et al (143), Favre et al (144), and Zabek et al (145) investigated the differences between the planktonic and biofilm states in P. aeruginosa, Acinetobacter baumanii, V. fischeri, S. aureus, Desulfovibrio vulgaris, Pseudoalteromonas lipolytica, and Aspergillus respectively. While most of these studies used an untargeted approach, targeted approach was used specifically by Zhang et al and Chavez-Dozal et al…”

Metabolômica Microbiana: Inovações E Aplicações

“…25 Como a maioria dos estudos de metabólitos microbianos envolve um procedimento de extração, em grande parte dos casos, o quenching metabólico é realizado simplesmente como a etapa de congelamento da biomassa em baixas temperaturas e, em seguida, separada do meio extracelular por centrifugação, seguindo-se para o passo de lavagem. [26][27][28][29][30][31] Para uma descrição válida do metaboloma intracelular as etapas de lavagem e quenching metabólico são cruciais. A lavagem deve efetivamente remover os componentes do meio extracelular e o quenching deve interromper as atividades metabólicas dentro da célula.…”

“…A distinção entre as diferentes fontes de variação nos dados, por exemplo correlacionada versus ortogonal, impõe uma importante vantagem da OPLS-DA na visualização e interpretação dos dados em relação à PLS-DA, e tem sido amplamente aplicada na modelagem e descoberta de importantes compostos na análise metabolômica de micro-organismos. 26,37,44,64,67 A PCA foi empregada para avaliar a diferença no perfil lipídico de diferentes espécies de Cryptococcus sp, nos quais os principais compostos responsáveis pela diferenciação foram identificados. 84 Tanto o pré-processamento quanto a aplicação de ferramentas multivariadas foram utilizadas para a classificação de amostras de Bacillus sp.…”

“…61 Contudo, apesar de se tratar de um banco de dados para o metaboloma humano, o HMDB tem sido utilizado também na elucidação estrutural de compostos provenientes de micro-organismos. 26,37 Além disso, bibliotecas como Fiehn 140 e NIST 69 também são amplamente empregadas. 35 Embora as bibliotecas espectrais de massas estejam crescendo, a quantidade de moléculas identificadas ainda é relativamente pequena em comparação ao número de compostos que poderiam estar presentes em amostras típicas, principalmente quando não há dados de referência disponíveis, como é o caso de diversos micro-organismos.…”

“…Nas análises alvo-orientadas, a extração deve favorecer a recuperação quantitativa das espécies químicas de interesse e a remoção dos interferentes, assim, classes específicas de compostos de interesse são selecionadas, por isso, é extremamente difícil adotar uma metodologia universal. Dessa forma, os procedimentos empregados nas extrações em micro-organismos envolvem diversas etapas como extrações sequenciais com diferentes solventes, centrifugação, evaporação, filtração e até mesmo etapas utilizando cartuchos de extração em fase sólida 26,45,[63][64][65][66]. Para tanto, procedimentos de extração mais complexos são empregados, envolvendo principalmente etapas de extração líquido-líquido e extração em fase sólida (SPE, do inglês solid phase extraction).…”