Biomics

Способность бактерий к адаптации в условиях интенсивной межвидовой конкуренции и экологического стресса детерминирована реализацией механизмов клеточного ответа. В основе этих адаптивных реакций лежит сложная система внутриклеточной регуляции, при этом около 6% регуляторных белков содержат ферментативные домены, участвующие в метаболизме циклического димера гуанозинмонофосфата (ц-ди-ГМФ). В данной статье систематизированы современные представления о молекулярных механизмах биопленкообразования почвенных бактерий рода Pseudomonas при участии Wsp-системы, где ц-ди-ГМФ выступает ключевым регулятором данного процесса. Особое внимание уделено исследованию влияния абиотических факторов (SDS, этанол, хлорид натрия, глицерин, лизоцим и карбенициллин) на активацию Wsp-сигнального пути и регуляцию биопленкообразования. Установлено, что ц-ди-ГМФ контролирует переход бактерий из планктонного состояния в форму биоплёнки, а также стимулирует синтез экзополисахаридов и адгезинов. Показано, что различные абиотические факторы оказывают существенное влияние на активацию Wsp-системы и могут, как стимулировать, так и подавлять процесс биопленкообразования. Указаны новые аспекты регуляции бактериальных популяций через изменение концентрации ц-ди-ГМФ: продемонстрирована роль недавно обнаруженного генетического переключателя hecR-hecE, который экспрессируется бимодально, а также участвует в формировании функционально различных субпопуляций и поддержанием баланса между пролиферацией и колонизацией поверхностей P. aeruginosa. Результаты обзора демонстрируют значительный научный потенциал исследований механизмов биопленкообразования и открывают новые горизонты разработки эффективных биопрепаратов, направленных на повышение продуктивности сельскохозяйственных культур, оптимизацию их ростовых параметров и повышения устойчивости к абиотическим стрессовым факторам. Что особенно актуально в контексте современных вызовов, связанных с необходимостью повышения эффективности сельскохозяйственного производства и защиты растений от неблагоприятных условий окружающей среды.

биопленки, Pseudomonas, ц-ди-ГМФ, Wsp-система, hecR, hecE

1. Ajijah N, Fiodor A, Pandey AK et al. Plant growth-promoting bacteria (PGPB) with biofilm-forming ability: a multifaceted agent for sustainable agriculture. Diversity. 2023. 15(1). 1-21. doi:10.3390/d15010112
2. Borlee BR, Goldman AD, Murakami K. Pseudomonas aeruginosa uses a cyclic-di-GMP-regulated adhesin to reinforce the biofilm extracellular matrix. Mol Microbiol. 2010. 75(4). 827-842. doi: 10.1111/j.1365-2958.2009.06991.x
3. Brokate O, Papenbrock J, Turcios AE. Biofilm-forming microorganisms in the rhizosphere to improve plant growth: Coping with abiotic stress and environmental pollution. Soil Ecol. 2024. 202. 1-17. doi:10.1016/j.apsoil.2024.105591
4. Choua SH, Galperinb MY. Diversity of c-di-GMP-binding proteins and mechanisms. J Bacteriol. 2016. 198(1). 32-46. doi: 10.1128/jb.00333-15.
5. Duvel J, Bense S, Möller S et al. Application of synthetic peptide arrays to uncover cyclic di-GMP binding motifs. J Bacteriol. 2016. 198(1). 138-146. doi: 10.1128/jb.00377-15
6. Eilers K, Kuok Hoong Yam J, Morton R. Phenotypic and integrated analysis of a comprehensive Pseudomonas aeruginosa PAO1 library of mutants lacking cyclic-di-GMP-related genes. Front. Microbiol. 2022. 13. 1-21. doi:10.3389/fmicb.2022.949597
7. Feirer N., Xu J., Allen KD et al. A Pterin-dependent signaling pathway regulates a dual-function diguanylate cyclase-phosphodiesterase controlling surface attachment in Agrobacterium tumefaciens. MBio. 2015. (6)4. 1-12 doi: 10.1128/mBio.00156-15
8. Gomez JB, Waters CM Switching on cyclic di-GMP heterogeneity in Pseudomonas aeruginosa Nat. Microbiol. 2023. 8(8). 1380-1381. doi: 10.1038/s41564-023-01428-5
9. Heredia-Ponce Z, de Vicente A, Cazorla FM et al. Beyond the wall: exopolysaccharides in the biofilm lifestyle of pathogenic and beneficial plant-associated Pseudomonas. Microorganisms. 2021. 9(2). 1-17. doi:10.3390/microorganisms9020445
10. Hueso‐Gil Á, Calles B, de Lorenzo V. The Wsp intermembrane complex mediates metabolic control of the swim‐attach decision of Pseudomonas putida. Microbiol. 2020. 22(8). 3535-3547. doi: 10.1111/1462-2920.15126
11. Irie Y, Roberts AE, Kragh KN et al. The Pseudomonas aeruginosa PSL polysaccharide is a social but noncheatable trait in biofilms. MBio. 2017. 8(3). 1-13. doi:10.1128/mbio.00374-17
12. Liu Q, Wu Q, Liu J et al. New Insights into the Mediation of Biofilm Formation by Three Core Extracellular Polysaccharide Biosynthesis Pathways in Pseudomonas aeruginosa. J. Mol. Sci. 2025. 26(8). 1-13. doi:10.3390/ijms26083780
13. Manner C, Dias TR, Saha D et al. A genetic switch controls Pseudomonas aeruginosa surface colonization. Microbiol. 2023. 8(8). 1520-1533. doi:10.1038/s41564-023-01403-0
14. Manzenyuk OY, Firstova VV, Mukhina TN et al. Molecular Regulation of Pseudomonas aeruginosa Ann. Russ. Acad. Med. Sci. 2018. 73(4). 244-251. doi: 10.15690/vramn1010
15. Matilla MA, Martin-Mora D, Gavira JA et al. Pseudomonas aeruginosa as a model to study chemosensory pathway signaling. MMBR. 2021. 85(1). 1-32. doi: 10.1128/mmbr.00151-20
16. Nie H, Xiao Y, Song M, Wu N et al. Wsp system oppositely modulates antibacterial activity and biofilm formation via FleQ‐FleN complex in Pseudomonas putida. Microbiol. 2022. 24(3). 1543-1559. doi: 10.1111/1462-2920.15905
17. O’Neal L, Baraquet C, Suo Z et al. The Wsp system of Pseudomonas aeruginosa links surface sensing and cell envelope stress. Proc Natl Acad Sci USA. 2022. 119(18). 1-10. doi:10.1073/pnas.2117633119
18. Raio A, Puopolo G. Pseudomonas chlororaphis metabolites as biocontrol promoters of plant health and improved crop yield. World J. Microbiol. Biotechnol. 2021. 37(6). 1-9. doi:10.1007/s11274-021-03063-w
19. Romling U. Impact and applications of cyclic di-GMP second messenger signaling in biotechnology and medicine. Sustain. Microbiol. 2025. 2(3). 1-15. doi: 10.1093/sumbio/qvaf016
20. Rybtke M, Berthelsen J, Yang L et al. The LapG protein plays a role in Pseudomonas aeruginosa biofilm formation by controlling the presence of the CdrA adhesin on the cell surface. Microbiologyopen. 2015. 4(6). 917-930. doi: 10.1002/mbo3.301
21. Sultan M, Arya R, Kim KK Roles of two-component systems in Pseudomonas aeruginosa Int. J. Mol. Sci. 2021. 22(22). 1-22. doi: 10.3390/ijms222212152
22. Valentini M, Filloux A. Biofilms and cyclic di-GMP (c-di-GMP) signaling: lessons from Pseudomonas aeruginosa and other bacteria Biol Chem. 2016. 291(24). 12547-12555. doi: 10.1074/jbc.r115.711507
23. Xu K, Wang L, Xiong D et al. The Wsp chemosensory system modulates c-di-GMP-dependent biofilm formation by integrating DSF quorum sensing through the WspR-RpfG complex in Lysobacter. NPJ Biofilms and Microbiomes. 8(1). 1-13.