Implications of bacterial viruses on pathogenic bacteria : from natural microbial communities to therapeutic applications

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0877-7
Title: Implications of bacterial viruses on pathogenic bacteria : from natural microbial communities to therapeutic applications
Author: Örmälä-Odegrip, Anni-Maria
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences, Ekologia ja Evoluutiobiologia
University of Jyväskylä, Department of Biological and Environmental Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2015-04-10
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0877-7
http://hdl.handle.net/10138/153826
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Bacterial viruses (i.e. phages) are ubiquitous intracellular parasites of bacteria, that along with protist grazers account for majority of bacterial mortality in nature. Phages impose strong selection for bacterial phage-resistance, which is often coupled with fitness costs on bacterial traits such as growth ability, virulence or motility. Traditionally phage-host interactions have been studied with two species systems in the laboratory, neglecting the complex web of interactions present in natural communities. The ability of phages to selectively kill bacteria has ignited an interest on phages as alternative antibacterials. However, in order to develop phage therapy, understanding of phage-host interactions in the eco-evolutionary context is essential. In this thesis I studied the implications of lytic phages on opportunistic pathogenic bacteria, as opportunists often have the ability reproduce and reside in outside-host environments, where they are predisposed to a variety of selection pressures. The role of phages in top-down control of bacterial biomass and the evolution of bacterial phage-resistance were studied in the presence of protist predators with differing feeding modes, in low-resource systems mimicking natural pond environment. Hypothesis of coincidental evolution suggests that virulence is a by-product of selection for traits that maximize bacterial fitness in environmental reservoirs. Yet, disease outbreaks by opportunists are relatively rare, suggesting that something constrains the selection for virulence. To assess the role of lytic phages on the evolution of virulence, bacteria were cultured in low-resource environment, accompanied with changes in temperature regime or changes in composition of the community of interacting bacterial enemy species, and the virulence of bacteria was measured in vivo. To study whether the potential phage-resistant bacteria surviving phage therapy would be coupled with lowered virulence, due to costs associated with phage-resistance, a clinical bacterial isolate was exposed to phage cocktails and the virulence of the phage-resistant bacteria was measured in vivo. given the strong selection for phage- resistance, the prospects of phage therapy depend a great deal on whether new phages infecting pathogenic bacteria can be readily isolated from environment. To address this, an attempt was made to isolate phages against clinical bacterial isolates harboring resistance genes to multiple antibiotics. A single lytic phage was shown to be a non- efficient top-down regulator of bacterial biomass. Rapidly emerging phage-resistant bacteria took over the bacterial populations after initial lysis by phages and protist grazers accounted for most of the long-term negative trophic effects on bacterial biomass. The presence of protist predators selected for bacteria that were less susceptible to infection by lytic phages, which suggests an overlap in the bacterial defense against a parasite and predatory protists. In general, the presence of lytic phages selected for lowered virulence in bacteria. High temperature selected for more virulent and more motile bacteria, but this was constrained by the presence of a lytic phage. In the multispecies communities the presence of all bacterial enemies led to decreased virulence in vivo. Altogether, these results contrast the hypothesis of coincidental evolution, and suggest that the presence of phages in natural reservoirs constrains the evolution of virulence, most likely through fitness costs associated with phage-resistance. Exposure to phage cocktails was also shown to be associated with decreased bacterial virulence in the phage-resistant bacteria. However, exposure to some individual phages resulted in more virulent bacteria, suggesting that the outcome of therapy could depend on the identity of the phage cocktail. Finally, a phage cocktail lysing a wide range of clinical strains was isolated from sewage. This, along with geographical patterns of phage infections suggest that new phages are available in environmental reservoirs for therapy, and the emergence of phage-resistance should not hinder the prospects of phage therapy in the global perspective.Bakteerivirukset (faagit) ovat bakteerien solunsisäisiä loisia, jotka yhdessä alkueliösaalistajien kanssa aiheuttavat suurimman osan bakteerien kuolleisuudesta luonnossa. Faagit luovat voimakkaan valintapaineen faagivastustuskyvylle ja vastustuskyvystä seuraa usein kustannus esimerkiksi bakteerin kasvu-, taudinaiheuttamis- tai liikkumiskyvylle. Perinteisesti faagin ja isännän välisiä vuorovaikutuksia on tutkittu kahden lajin kokeissa laboratoriossa, mutta lähestymistapa jättää huomiotta luonnollisissa yhteisöissä vallitsevien vuorovaikutusten kirjon. Koska faagit tappavat kohdennetusti tiettyjä bakteereita, on ehdotettu, että faageja voitaisiin käyttää antibiootteina. Faagiterapian kehittäminen vaatii kuitenkin faagi-isäntä vuorovaikutusten tuntemusta niin ekologisesta kuin evolutiivisestakin näkökulmasta. Tässä väitöskirjassa olen tutkinut lyyttisten bakteerivirusten vaikutuksia opportunistisiin taudinaiheuttajabakteereihin. Osa opportunistisista bakteereista kykenee elämään ja lisääntymään isäntänsä ulkopuolisissa ympäristöissä, missä ne altistuvat lukuisille erilaisille valintapaineille. Tutkin faagien merkitystä bakteeribiomassan vähentäjinä, sekä bakteerien faagivastustuskyvyn evoluutiota matalaravinteisissa lampea muistuttavassa ympäristössä, joissa oli faagien lisäksi läsnä ravinnonhankintatavoiltaan toisistaan poikkeavia alkueliöitä. Sattumanvaraisen evoluution hypoteesin (coincidental evolution hypothesis) mukaan taudinaiheuttamiskyky on seurausta sellaisiin elinkiertopiirteisiin kohdistuvasta valinnasta, jotka parantavat kelpoisuutta isännän ulkopuolisissa ympäristöissä. Opportunistien aiheuttamat tautiepidemiat ovat kuitenkin verraten harvinaisia, mikä viittaa siihen että jokin tekijä ympäristössä toimii vastavoimana taudinaiheuttamiskykyyn kohdistuvalle valinnalle. Faagien vaikutuksia opportunistibakteerien taudinaiheuttamiskyvyn evoluutioon tutkittiin niinikään matalaravinteisessa ympäristössä, joissa vaihtelevina ympäristötekijöinä olivat joko lämpötila tai bakteereja ravinnokseen käyttävien vihollisten eri yhdistelmät. Kokeiden päätteeksi taudinaiheuttamiskyky mitattiin hyönteisissä. Kliinistä taudinaiheuttajabakteerikantaa altistettiin faagi-koktaileille (phage cocktails) kokeessa, jonka tarkoituksena oli selvittää onko faageille vastustuskykyisten bakteerin taudinaiheuttamiskyky alentunut faagipuolustuksen aiheuttamien kustannusten seurauksena, ja mahdolliset muutokset taudinaiheuttamiskyvyssä mitattiin hyönteisissä. Faagivastustuskykyyn kohdistuvan voimakkaan valintapaineen huomioonottaen faagiterapian onnistumisen kannalta on merkittävää, voidaanko uusia faageja tarvittaessa eristää ympäristöstä. Tavoitteeksi asetettiin eristää uusia faageja, jotka estävät kliinisten antibiooteille vastustuskykyisten bakteereiden kasvua. Yksittäinen faagityyppi osoittautui tehottomaksi säätelemään bakteeribiomassan määrää pitkällä aikavälillä ja faageille vastustuskykyiset bakteerit palauttivat populaatiot nopeasti lähes kontrollitasolle. Alkueläimet näin ollen vastasivat pitkällä aikavälillä käytännössä kaikesta bakteeribiomassan vähentymisestä. Alkueliöt vaikuttivat myös bakteerien faagivastustuskyvyn evoluutioon: alkueliöille altistuneet bakteerit olivat vähemmän alttiita faagi-infektioille. Korkea lämpötila johti taudinaiheuttamiskykyvyn nousuun bakteereissa, mutta ilmiö kumoutui faagien vaikutuksesta. Monilajisissa yhteisöissä kaikkien bakteeripetojen läsnäolo taas alensi bakteerien taudinaiheuttamiskykyä. Nämä tulokset puhuvat sattumanvaraisen evoluution hypoteesia vastaan ja faagit näyttäisivät sen sijaan luovan valintapaineen vähemmän taudinaiheuttamiskykyisille bakteereille. Myös faagikoktailit aiheuttivat taudinaiheuttamiskyvyn laskua bakteereissa. Jotkut yksittäiset virukset näyttivät kuitenkin nostavan bakteerien taudinaiheuttamiskykyä vastustuskykyisissä bakteereissa, minkä vuoksi tuleekin noudattaa erityistä varovaisuutta valittaessa faageja koktaileihin ja faagiterapiaan. Jätevedestä onnistuttiin eristämään kokoelma faageja, jotka estivät kasvua laajassa joukossa kliinisiä antibiooteille vastustuskykyisiä bakteerikantoja. Tämä tulos yhdessä faagi-infektioiden maantiedettä koskevien havaintojen kanssa antaa olettaa, että uusia faageja on eristettävissä ympäristövarannoista ja että laaja-alaisen faagivastustuskyvyn syntyminen ei ole este faagiterapian kehittämiselle tulevaisuudessa.
Subject: ekologia ja Evoluutiobiologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
implica.pdf 602.6Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record