La cattura della memoria microbica con Microcolony-seq rivela le sottopopolazioni infette / Capturing Microbial Memory with Microcolony-seq Reveals Infection Subpopulations

La cattura della memoria microbica con Microcolony-seq rivela le sottopopolazioni infette / Capturing Microbial Memory with Microcolony-seq Reveals Infection Subpopulations

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I batteri non sono solo microbi senza cervello. Una ricerca condotta da scienziati dell'Università Ebraica di Gerusalemme ha rivelato che singole cellule batteriche possono conservare una "memoria" dei loro ambienti passati, tramandandola di generazione in generazione, prima di dimenticarla definitivamente. Introducendo un metodo chiamato Microcolony-seq, che cattura la memoria microbica nelle prime fasi di crescita della colonia, il gruppo ha scoperto sottopopolazioni nascoste all'interno delle infezioni, ciascuna con diverse strategie di sopravvivenza. Il gruppo afferma che le loro osservazioni suggeriscono che la memoria batterica potrebbe essere un fenomeno diffuso sia nei batteri Gram-negativi che in quelli Gram-positivi.

"Quello che abbiamo scoperto è che anche un singolo batterio conserva una memoria duratura di dove è stato", ha affermato Raya Faigenbaum-Romm, PhD, prima autrice dell'articolo del team pubblicato su Cell . "Quando si divide, i suoi discendenti conservano quella memoria, a volte per 20 generazioni o più". La scoperta potrebbe spiegare perché antibiotici e vaccini a volte falliscono e potrebbe indicare la strada verso trattamenti più mirati.

Faigenbaum-Romm, insieme all'autore senior Prof. Nathalie Q. Balaban, PhD, ai collaboratori Prof. Ilan Rosenshine, PhD, e Maskit Bar-Meir, PhD, e colleghi, hanno riferito le loro scoperte in un articolo intitolato " Scoprire l'eredità fenotipica da singole cellule con Microcolony-seq ", in cui affermano: "Microcolony-seq fornisce potenziali bersagli per la progettazione razionale di terapie con il potere di colpire simultaneamente le sottopopolazioni coesistenti".

L'insuccesso della terapia delle malattie infettive è stato associato alla capacità delle sottopopolazioni batteriche di eludere il sistema immunitario od il trattamento antibiotico, hanno scritto gli autori. "Pertanto, una comprensione più approfondita della variabilità fenotipica e genetica all'interno di un ceppo infettante è essenziale per sviluppare soluzioni terapeutiche efficaci".

Da decenni i biologi sanno che i batteri, pur essendo geneticamente identici, spesso si comportano in modo diverso. Alcuni crescono velocemente, altri più lentamente, alcuni resistono agli antibiotici, mentre altri soccombono. Ma fino ad ora non era chiaro quali di queste differenze fossero casuali effimere e quali rappresentassero stati autentici ed ereditari.

Scoprire l'eterogeneità fenotipica è fondamentale per comprendere processi come lo sviluppo e le risposte allo stress, hanno scritto gli autori. Studi sull'eterogeneità fenotipica nei batteri hanno rivelato conseguenze cliniche ed evolutive di vasta portata. "Tra gli esempi figurano l'eterogeneità della crescita, che si è dimostrata alla base della persistenza antibiotica, e l'eterogeneità nell'espressione delle strutture superficiali, che facilita l'infezione", hanno continuato i ricercatori.

Tuttavia, a causa della bassa abbondanza di mRNA nei singoli batteri, determinare l'eterogeneità biologicamente rilevante rimane una sfida. Il metodo Microcolony-seq sviluppato dal gruppo funziona isolando minuscole colonie che germogliano da singoli batteri, analizzandone l'RNA, il genoma e le caratteristiche fisiche. Questo approccio evita il rumore di fondo anche dei più recenti metodi all'avanguardia di sequenziamento dell'RNA a singola cellula e rivela se le differenze tra le cellule sono dovute a mutazioni genetiche od a fenotipi ereditati epigeneticamente. "Combinando RNA-seq, sequenziamento dell'intero genoma (WGS) e caratterizzazione fenotipica, Microcolony-seq distingue tra eredità genetica e fenotipica", hanno spiegato gli scienziati. "Il metodo sfrutta il mantenimento a lungo termine dello stato di singolo batterio, non solo per analizzarne il trascrittoma, ma anche per combinarlo con WGS ed analisi fenotipiche sulla stessa sottopopolazione".

Utilizzando il Microcolony-seq, il gruppo ha scoperto stabilità sorprendenti. Patogeni come Escherichia coli enteropatogeno  (EPEC) e  Staphylococcus aureus  hanno dimostrato di dividersi in sottopopolazioni stabili, anche all'interno di una singola infezione. Alcuni lignaggi hanno attivato programmi di virulenza che li aiutano ad aggrapparsi alle cellule ospiti, mentre altri hanno attivato geni che favorivano la motilità o la sopravvivenza in condizioni difficili.

È interessante notare che lo studio ha dimostrato che questa memoria microbica ha dei limiti. Quando i batteri raggiungono la "fase stazionaria" – il punto in cui i nutrienti si esauriscono – la memoria viene cancellata, di fatto resettando la popolazione. "In particolare, osserviamo che la crescita fino alla fase stazionaria cancella l'eredità epigenetica", hanno affermato gli autori.

Le scoperte hanno implicazioni significative per la salute umana. Nelle infezioni del tratto urinario e del torrente ematico, la tecnica Microcolony-seq ha rivelato la coesistenza di sottogruppi batterici con distinti profili di resistenza agli antibiotici o di virulenza.

Riferendo di esperimenti condotti utilizzando Microcolony-seq per studiare microcolonie cresciute da un campione di un paziente con un'infezione del tratto urinario, il gruppo ha affermato che i risultati indicano che la selezione di un solo isolato suscettibile per il test potrebbe portare alla prescrizione di un trattamento inefficace contro l'infezione effettiva del paziente. Un test clinico convenzionale che campiona una sola colonia potrebbe facilmente ignorare questi fattori nascosti, portando a trattamenti inefficaci.

"Pertanto, per determinare con maggiore accuratezza la sensibilità al farmaco, si raccomanda di testare più colonie dello stesso paziente", hanno scritto. Il gruppo ha anche applicato Microcolony-seq direttamente ad un campione di sangue di un paziente con batteriemia acuta da S. aureus mecillinam-sensibile (MSSA). Hanno riferito: "Sorprendentemente, l'analisi trascrittomica delle microcolonie ha rivelato tre sottopopolazioni con differenze significative nell'espressione dei fattori di virulenza, denominate rispettivamente

 Vir BSI , Intermediate BSI e AVIR BSI ... Le differenze nelle sottopopolazioni rilevate nella batteriemia ematica suggeriscono che le terapie che prendono di mira i fattori presenti in una sottopopolazione potrebbero non rilevare altre sottopopolazioni che non esprimono questi fattori".

I risultati complessivi dei ricercatori potrebbero aiutare a spiegare perché così tanti farmaci e vaccini sperimentali contro  le infezioni da S. aureus  abbiano avuto esito negativo negli studi clinici. Tali trattamenti hanno preso di mira solo una parte della popolazione batterica, tralasciando le altre. Balaban ha inoltre spiegato: "Un'infezione è raramente una popolazione batterica uniforme. È più simile ad una coalizione di attori diversi, ognuno con i propri punti di forza. Per progettare terapie che funzionino davvero, dobbiamo comprenderli tutti e prenderli di mira".

Come ha osservato anche Faigenbaum-Romm, "Abbiamo trattato i batteri come se fossero tutti uguali, ma in realtà anche una singola cellula porta con sé una storia del suo passato. Microcolony-seq ci permette finalmente di leggere quella storia". Nel loro articolo, gli autori hanno scritto in sintesi: "Abbiamo dimostrato che Microcolony-seq consente di rilevare fenotipi presenti nei campioni di pazienti infetti che vengono persi una volta ricoltivati ​​in laboratorio e quindi inaccessibili ai test clinici standard". Questa conoscenza, hanno suggerito, "...fornisce un quadro trasformativo per comprendere l'eterogeneità dei patogeni ed apre la strada allo sviluppo di strategie terapeutiche più precise, efficaci e complete".

Oltre all'immediata rilevanza medica, Microcolony-seq apre nuove strade per l'esplorazione della vita microbica. Fornisce un metodo sistematico per studiare in tempo reale come i batteri si diversificano, si proteggono e si adattano. Le applicazioni future potrebbero estendersi ai patogeni fungini, al microbioma intestinale e persino alla fermentazione industriale. "Fornendo un panorama globale dell'eterogeneità genetica e fenotipica e delle sue conseguenze fenotipiche, Microcolony-seq consente l'identificazione e la caratterizzazione sistematica dei fenotipi ereditari senza la necessità di manipolazioni genetiche", hanno affermato gli autori. "Il nostro metodo dovrebbe aprire la strada all'individuazione di molte altre strategie di differenziazione utilizzate dagli organismi che formano colonie, inclusi i patogeni fungini".

ENGLISH

Bacteria aren’t just mindless microbes. Research by scientists at the Hebrew University of Jerusalem has revealed that single bacterial cells can carry a “memory” of their past environments—passing it down through generations—before eventually forgetting. Introducing a method called Microcolony-seq that captures microbial memory at the earliest stages of colony growth, the team uncovered hidden subpopulations inside infections, each with different survival strategies. The team says that their observations suggest that bacterial memory may be a widespread phenomenon in both Gram-negative and Gram-positive bacteria.

“What we found is that even a single bacterium carries a long-lasting memory of where it’s been,” said Raya Faigenbaum-Romm, PhD, who is first author of the team’s published paper in Cell. “When it divides, its descendants preserve that memory—sometimes for 20 generations or more.” The finding could explain why antibiotics and vaccines sometimes fail—and may point the way toward more precise treatments.

Faigenbaum-Romm, together with senior author Prof. Nathalie Q. Balaban, PhD, collaborators Profs. Ilan Rosenshine, PhD, and Maskit Bar-Meir, PhD, and colleagues, reported on their findings in a paper titled “Uncovering phenotypic inheritance from single cells with Microcolony-seq,” in which they stated, “Microcolony-seq provides potential targets for the rational design of therapies with the power to simultaneously target the coexisting subpopulations.”

The failure of infectious disease therapy has been associated with the ability of bacterial subpopulations to evade the immune system or antibiotic treatment, the authors wrote. “Thus, a deeper understanding of the phenotypic and genetic variability within an infecting strain is essential for developing effective therapeutic solutions.”

For decades, biologists have known that bacteria, although although genetically identical, often behave differently. Some grow fast, some grow more slowly, some resist antibiotics, while others succumb. But until now, it was unclear which of these differences were fleeting accidents and which represented genuine, heritable states.

Uncovering phenotypic heterogeneity is fundamental to understanding processes such as development and stress responses, the authors wrote. Studies of phenotypic heterogeneity in bacteria have uncovered far-reaching clinical and evolutionary consequences. “Examples include heterogeneity of growth, shown to underlie antibiotic persistence, and heterogeneity in expression of surface structures, which facilitates infection,” the investigators continued.

However, due to the low mRNA abundance in single bacteria, determining biologically relevant heterogeneity remains a challenge. The Microcolony-seq method developed by the team works by isolating tiny colonies that sprout from individual bacteria, analyzing their RNA, genomes, and physical traits. This approach avoids the noise of even recent cutting-edge single-cell RNA sequencing methods, and reveals whether differences between cells are genetic mutations or epigenetically inherited phenotypes. “By combining RNA-seq, whole-genome sequencing (WGS), and phenotypic characterization, Microcolony-seq distinguishes between genetic and phenotypic inheritance,” the scientists explained. “The method takes advantage of the long-term maintenance of the single-bacterium state, not only to analyze its transcriptome but also to combine it with WGS and phenotypic assays on the same subpopulation.”

Using the Microcolony-seq, the team uncovered surprising stabilities. Pathogens such as enteropathogenic Escherichia coli (EPEC) and Staphylococcus aureus were shown to split into stable subpopulations—even within a single infection. Some lineages activated virulence programs that help them cling to host cells, while others switched on genes that favored motility or survival in harsh conditions.

Intriguingly, the study showed that this microbial memory has limits. When bacteria reach “stationary phase”—the point when nutrients are depleted—the memory is erased, effectively resetting the population. “Notably we observe that growth to stationary phase erases the epigenetic inheritance,” the authors stated.

The discoveries carry significant implications for human health. In urinary tract and bloodstream infections, Microcolony-seq revealed co-existing bacterial subgroups with distinct antibiotic resistance or virulence profiles.

Reporting on experiments using Microcolony-seq to investigate microcolonies grown from a sample from a patient with a urinary tract infection, the team said the results indicate that selecting only one susceptible isolate for testing could lead to prescribing a treatment that is ineffective against the patient’s actual infection. A conventional clinical test that samples just one colony could easily miss these hidden players—leading to treatments that fail.

“Therefore, to more accurately determine drug susceptibility, testing multiple colonies from the same patient is recommended,” they wrote. The team also applied Microcolony-seq directly to a blood sample from a patient with acute mecillinam-susceptible S. aureus (MSSA) bacteremia. They reported, “Strikingly, the transcriptomic analysis of the microcolonies revealed three subpopulations with major differences in the expression of virulence factors,  accordingly, named VirBSI, IntermediateBSI, and AVIRBSI…The differences in the subpopulations detected in bloodstream bacteremia suggest that therapies targeting factors present in one subpopulation may miss other subpopulations that do not express these factors.”

The researchers’ collective findings may help explain why so many experimental drugs and vaccines against S. aureus infections have stumbled in clinical trials. Such treatments targeted only one part of the bacterial population, leaving others untouched. Balaban explained further, “An infection is rarely a uniform population of bacteria. It’s more like a coalition of different players, each with its own strengths. To design therapies that truly work, we need to understand—and target—all of them.”

As Faigenbaum-Romm also noted, “We’ve been treating bacteria as if they’re all the same, but in reality, even a single cell carries a story of its past. Microcolony-seq lets us finally read that story.” In their paper the authors wrote in summary, “We have shown that Microcolony-seq enables the detection of phenotypes present in infected patient samples that are lost once re-grown in the lab and therefore inaccessible to standard clinical assays.” This knowledge, they suggested, “…provides a transformative framework for understanding pathogen heterogeneity and paves the way for the development of more precise, effective, and comprehensive therapeutic strategies.”

Beyond immediate medical relevance, Microcolony-seq opens new avenues for exploring microbial life. It provides a systematic way to study how bacteria diversify, hedge their bets, and adapt in real time. Future applications could extend to fungal pathogens, the gut microbiome, and even industrial fermentation. “By providing a global landscape of genetic and phenotypic heterogeneity and its phenotypic consequences, Microcolony-seq allows for the systematic identification and characterization of inherited phenotypes without the need for genetic manipulations,” the authors stated. “Our method should pave the way for detecting many more differentiation strategies used by colony-forming organisms, including fungal pathogens.”

Da:

https://www.genengnews.com/topics/infectious-diseases/capturing-microbial-memory-with-microcolony-seq-reveals-infection-subpopulations/?_hsenc=p2ANqtz-8VYawgn7qPK_InXpSrv1F7xEYfNl-OH-bghquOjf5Ymbg3tcCNYMrd7-EbBTx8BdMoukEoUNyCnI-vRjaG7lN7AtiF7-hZctvfENfEW2QgU_UfBXg&_hsmi=377808324