Strategies to characterize Pseudomonas aeruginosa clinical isolates and emerging phenotypic heterogeneity

Abstract

Pseudomonas aeruginosa, a ubiquitous pathogen, is a leading cause of opportunistic infections, as result of its multifactorial pathogenicity, multidrug-resistance and genomic plasticity characteristics, allowing a strain-specific versatile adaptability at different loci and to a plethora of stressors. In collaboration with Hospital de Braga, a collection of P. aeruginosa clinical isolates is being raised and explored to correlate phenotypic variability with genomic plasticity among a large number of distinct isolates and therefore generate information and tools to more efficiently circumvent P. aeruginosa infections. Isolates HB13 and HB15, collected from the sputum of pneumonia-diagnosed patients, were selected for genomic contextualization of the registered distinctive phenotypic traits (inverse relationship of antibiotic resistance with pyocyanin production cytotoxicity in Galleria mellonella larvae). Comparative genomic analysis allowed identification of SNVs and Indels, differentially affecting both isolates, and of the accessory genome content, highlighting the wide genomic diversification occurring within P. aeruginosa strains and indicating that genome plasticity might be modulated towards an improved fitness, driven by the niche-specific environmental cues. When facing a stressor, P. aeruginosa can adapt by different mechanisms. This study also demonstrated the significant diversification that can occur within a single isolate of P. aeruginosa over a short period of time in the absence of any external factor. Isolate HB13 gave rise to small colony variants evidencing enhanced biofilm formation, LasA activity and pyocyanin production. P. aeruginosa HB15 showed great phenotypic heterogeneity with diversification in two morphotypes possible evidencing differential regulations of quorum-sensing systems. One colony morphotype demonstrated greater pyocyanin production, protease activity (such as LasA) and biofilm formation, thus suggesting an adaptation mechanism towards pathogenicity and virulence improvement. Remarkably, each phenotype displayed significant variation even within the same colony morphotype, supporting a large degree of individuality across phenotypes. The consequences of such observations are tremendous, given the unpredictability of the clinical outcome. Future work will focus on an extensive multifaceted approach to understand the molecular mechanisms accountable for the modulation of phenotypic plasticity in P. aeruginosa isolates.

Pseudomonas aeruginosa, um patogéneo ubíquo, é a principal causa de infeções oportunistas, dada a sua patogenicidade multifatorial, multi-resistência a antibióticos e plasticidade genómica, permitindo uma adaptabilidade versátil a diferentes loci e a uma imensidade de fatores externos. Em colaboração com o Hospital de Braga, uma coleção de isolados clínicos de P. aeruginosa está a ser construída e explorada para correlacionar variabilidade fenotípica com plasticidade genómica entre isolados gerando informações e ferramentas para contornar de forma mais eficiente infeções de P. aeruginosa. Os isolados HB13 e HB15, coletados de amostras de expetoração de pacientes diagnosticados com pneumonia, foram selecionados para a contextualização genómica das suas diferenças fenotípicas (relação inversa entre resistência a antibióticos, e produção de piocianina e citotoxicidade em Galleria mellonella). Análises de genómica comparativa permitiram a identificação de SNVs e Indels, afetando diferencialmente os isolados, e do conteúdo do genoma acessório, destacando a ampla diversificação entre estirpes de P. aeruginosa e indicando que a plasticidade genómica pode ser modulada para uma melhor aptidão bacteriana, derivada de estímulos associados aos ambientes que colonizaram. Este estudo também demonstrou a notável diversificação de isolados de P. aeruginosa, num curto período de tempo e na ausência de qualquer agente externo. O isolado HB13 originou variantes de colónias pequenas evidenciando maior formação de biofilme, atividade de LasA e produção de piocianina. P. aeruginosa HB15 mostrou grande heterogeneidade fenotípica com a diversificação em dois morfotipos, evidenciando uma possível regulação diferencial dos sistemas de quorum-sensing. Um dos morfotipos demonstrou maior produção de piocianina, atividade de proteases (especificamente LasA) e formação de biofilmes, sugerindo um mecanismo de adaptação para uma maior patogenicidade e virulência. Cada fenótipo exibiu uma variação significativa, mesmo dentro do mesmo morfotipo, sustentando um elevado grau de individualidade de cada colónia. As consequências de tais observações são tremendas, dada a imprevisibilidade da evolução do quadro clínico. O trabalho futuro incidirá numa extensa abordagem multifacetada para compreender os mecanismos moleculares responsáveis pela modulação da plasticidade fenotípica em P. aeruginosa.