Eps1 and Eps2, two biofilm exopolysaccharides in Bacillus thuringiensis : a comprehensive study
Etude de Eps1 et Eps2, deux exopolysaccharides du biofilm chez Bacillus thuringiensis
Résumé
Exopolysaccharides - polymers of exported sugars - are involved in essential functions of bacterial physiology. Exopolysaccharides are in fact major components, of the bacterial wall, secondary polymers attached to this wall, the capsules, and finally the biofilm’s matrix. Bacillus thuringiensis is an entomopathogenic bacterium of the cereus group, capable of forming a biofilm at the air-liquid interface. This biofilm has two distinct structures: a floating pellicle on the culture medium and, at the periphery, in continuity with the pellicle, a ring adhering to the solid surfaces. To identify the exopolysaccharides, which constitute the biofilm matrix in B. thuringiensis, I investigated the various chromosomal loci in the sequenced genome of B. thuringiensis strain 407. Two loci have been identified and were called eps1 and eps2. To date, no role in the formation of biofilms in B. thuringiensis had been attributed to eps1 locus. Our data showed that the exopolysaccharide Eps1, depending on the eps1 locus, forms a capsule in the stationary phase and in hypoxic conditions. This capsule, which has significant adhesive properties on biotic and abiotic surfaces, allows adhesion of the biofilm to the solid surfaces, thus forming of the biofilm ring. Consistently with these results, we observed that Eps1 is present only in the biofilm ring. We found that Eps2 exopolysaccharide depending on the eps2 locus is an essential element of the biofilm matrix and is necessary for the formation of the pellicle. We have shown using fluorescent markers that two mutant strains capable of producing only type of exopolysaccharides Eps1 or Eps2 are distributed heterogeneously in the biofilm when they are cocultured. The mutant strain producing only Eps1 is localized in the ring while the mutant strain producing only Eps2 is located in the pellicle. Our data show that the transcription of eps1 and eps2 loci is regulated identically by the same set of regulators. The SinR repressor, which controls the formation of the protein component of the biofilm’s matrix in B. thuringiensis, has no effect on the transcription of eps1 and eps2 in this bacterium. The transcription is activated by Spo0A and repressed by AbrB. The CodY regulator represses the expression of these loci in exponential phase, but activates it in the late stationary phase. Our results also show a negative feedback from Eps2 on the production of Eps1, suggesting the existence of a switch, allowing only one of these exopolysaccharides to be produced in an isolated cell.
Les exopolysaccharides - des polymères de sucres exportés - sont impliqués dans des fonctions essentielles de la physiologie bactérienne. Ce sont en effet des composants majeurs, respectivement, de la paroi bactérienne, des polymères secondaires attachés à cette paroi, des capsules, et de la matrice du biofilm. Bacillus thuringiensis est une bactérie entomopathogène, appartenant au groupe Bacillus cereus, capable de former un biofilm à l’interface air-liquide. Ce biofilm comporte deux structures distinctes: une pellicule flottant sur le milieu de culture et, en périphérie, en continuité avec celle-ci, un anneau adhérent sur les surfaces solides. Pour identifier les exopolysaccharides constitutifs de la matrice du biofilm chez cette bactérie, j'ai recherché, dans le génome séquencé de la souche 407 de B. thuringiensis, les différents loci chromosomiques susceptibles d'être impliqués dans la production de ces exopolymères. Deux loci ont étés identifiés, que nous avons appelé eps1 et eps2. Le locus eps1 avait déjà été décrit comme n'ayant aucun rôle dans la formation des biofilms chez B. cereus et sa fonction était restée inconnue. Nous avons montré que l'exopolysaccharide Eps1, dépendant du locus eps1, forme une capsule en phase stationnaire et en condition d'hypoxie. Cette capsule, qui présente des propriétés adhésives importantes sur des surfaces biotiques et abiotiques, permet l'adhésion du biofilm sur les surfaces solides et est requise pour la formation de l'anneau du biofilm. En accord avec ces résultats, nous avons observé que Eps1 n'est présent que dans l'anneau du biofilm. En revanche, l'exopolysaccharide Eps2 dépendant du locus eps2 est un élément essentiel de la matrice du biofilm et est nécessaire pour la formation de la pellicule. Enfin, à l'aide de marqueurs fluorescents, nous avons montré que deux souches mutantes capables de ne produire, respectivement, que Eps1 ou Eps2, se distribuent de façon hétérogène dans le biofilm lorsqu'elles sont mises en co-culture. En effet, la souche ne produisant que Eps1 est localisée dans l'anneau tandis que la souche ne produisant que Eps2 est localisée dans la pellicule. L'étude de la régulation de la transcription des loci eps1 et eps2 montre que ces deux loci sont régulés de façon identique. Le répresseur SinR, qui contrôle la formation de la composante protéique de la matrice du biofilm chez B. thuringiensis, n'a aucun effet sur la transcription de eps1 et eps2 chez cette bactérie. En revanche, cette transcription est activée par Spo0A et réprimée par AbrB. Enfin, le régulateur CodY réprime l’expression de ces loci en phase exponentielle, mais stimule cette expression en phase stationnaire tardive. Nos résultats montrent également un rétrocontrôle négatif d’Eps2 sur la production d’Eps1, suggérant l'existence d'une bascule ne permettant la production, au niveau d'une cellule isolée, que d'un seul de ces exopolysaccharides.
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Bactériologie
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