Investigación
El objetivo de nuestro programa de investigación es estudiar los mecanismos de resistencia a los antibacterianos (antibióticos, metales, fagos) y comprender cómo los fagos controlan las bacterias patógenas en la naturaleza.
Por qué ?
Para 2050, las bacterias resistentes a múltiples antibióticos podrían causar 10 millones de muertes al año. La degradación ambiental (contaminación, disminución de la diversidad) juega un papel clave en el desarrollo y propagación de resistencias a antibióticos. Pero el medio ambiente es también una fuente para descubrir soluciones terapéuticas más respetuosas con la naturaleza. Por ejemplo, los bacteriófagos (o fagos) son depredadores naturales de bacterias y son muy abundantes en ambientes acuáticos, como alcantarillas cercanas a hospitales o granjas acuícolas. Los fagos se multiplican en su hospedador y son muy específicos de determinadas bacterias. Nos enfocaremos en fagos que sólo infecten a patógenos y no a bacterias inócuas o de utilidad. A veces se requiere utilizar una mezcla de diferentes fagos (conocidos como cócteles) para matar todos los patógenos, ya sea porque el fago solo infecta una parte de las bacterias patógenas o porque las bacterias desarrollan resistencia, como ocurre con los antibióticos. Sin embargo, aunque la aparición de resistencia a los fagos es frecuente en el laboratorio, parece que en la naturaleza las cosas son diferentes. En una “carrera armamentista”, las bacterias desarrollan mecanismos para resistir a los fagos, los cuales contraatacan desarrollando contrarresistencias. Como la evolución conjunta del fago y la bacteria (o coevolución) puede ir en detrimento de otras capacidades, se dice que tiene un coste. Por ejemplo, puede dar lugar a una reducción de la virulencia de las bacterias, una gran ventaja en el tratamiento de una infección.
Cómo ?
Estudiaremos los mecanismos y evolución de la interacción entre bacterias y sus fagos en poblaciones naturales. Utilizaremos bacterias marinas de la familia Vibrionaceae (o vibrios) como sistema modelo. Los vibrios incluyen patógenos humanos responsables de gastroenteritis en Canadá (por ejemplo, V. parahaemolyticus) y patógenos animales (peces, crustáceos y mariscos). Por lo tanto, nuestro sistema de estudios promueve la investigación traslacional en el marco de un área de investigación prioritaria para la UdeM “una salud”. Basándonos en una gran colección de aislados, exploraremos los mecanismos implicados en la coevolución de fagos y bacterias, cómo esta coevolución afecta la especificidad de los fagos y la patogenicidad bacteriana. El trabajo propuesto es innovador porque combina ecología, población, genómica comparada y funcional, así como microscopía para explorar en “tiempo real” el comportamiento y la evolución de estos microbios.
Research Projects from the members of the lab
Manon Lang (Post-Doc)
Hemos desvelado una nueva familia de satélites conocidos como Islas Cromosómicas Minimalistas Inducibles por Fagos (PICMIs) (Rubén Barcia-Cruz et al., 2024). Estos satélites se caracterizan por un contenido génico reducido y carecen de genes para la remodelación de la cápside, empaquetando en su lugar su ADN como un concatenador. Los PICMI dependen de los fagos virulentos para diseminarse a otras bacterias y proteger a sus hospedadores de los fagos competitivos sin impedir su fago ayudante.
Manon se encargará de caracterizar los mecanismos moleculares que rigen cada etapa del estilo de vida de las PICMI. Esto incluye elucidar la activación por el fago ayudante, la escisión del genoma del huésped, la replicación mediante círculo rodante, el empaquetamiento en la cápside y el examen de su papel en la resistencia del huésped bacteriano. Además, profundizará en la relación estructura-función de varias proteínas AlpA reguladoras putativas identificadas en un amplio espectro de satélites.
Carine Diarra (Manager de Laboratorio)
Carine se encarga de gestionar diversos aspectos de las operaciones del laboratorio, como el pedido de suministros, el mantenimiento del inventario de existencias y la coordinación de la colecta de microorganismos. Además de sus tareas administrativas, participa activamente en la realización de experimentos a gran escala para avanzar en proyectos de investigación específicos.
En la actualidad, Carine colabora con Jeff, nuestro becario de verano, en la investigación de la dinámica de infección de fagos pertenecientes a la familia Schizotequatrovirus. Su investigación se centra en examinar los patrones de infección tanto a nivel poblacional como unicelular, empleando técnicas clásicas de virología junto con métodos de microscopía de lapso de tiempo y citometría. Este estudio se ve facilitado por los recursos proporcionados por la plataforma de microscopía y citometría del CIB.
Martin Lamarche (Asesor Científico)
Martin se encarga de supervisar el desarrollo de enfoques de biología molecular para fagos y vibrios, incluida la formación del personal. Empleamos técnicas de sustitución alélica para manipular genes bacterianos relacionados con fenotipos específicos. En nuestra investigación de los genes de fagos relacionados con la infección, utilizaremos herramientas genéticas como la recombinación homóloga y sistemas de contra-selección basados en CRISPR, colaborando con Damien Piel del laboratorio de Alexander Harm en ETH Zürich. Martin gestiona nuestra máquina de PCR digital de gotas (Biorad QX600) y personaliza los protocolos para adaptarlos a nuestras preguntas de investigación y sistemas modelo específicos.
Actualmente, colabora con Charles Bernard del laboratorio de Eduardo Rocha en el Instituto Pasteur, centrándose en la caracterización de los elementos de defensa y antidefensa implicados en la coevolución vibrio-fago.
Dario Cueva (Estudiante de doctorado)
A partir de nuestro trabajo publicado (Piel et al., 2022) poseemos ahora una clara comprensión de los componentes genéticos específicos que merecen nuestra atención para monitorear los linajes que coevolucionan en «tiempo real» en el medio ambiente. En concreto, hemos identificado clados anidados dentro de V. crassostreae y especies de fagos que demuestran una adsorción concordante. También hemos demostrado que la coevolución depende de las defensas bacterianas y las contradefensas de los fagos. Armados con este conocimiento, ampliamos nuestra iniciativa de muestreo de series temporales dentro de una granja de ostras para probar nuestra hipótesis de que la depredación por fagos virulentos afecta a la dinámica de infección de V. crassostreae por dos razones: reduce la densidad de patógenos y selecciona cepas de vibrios menos virulentas y resistentes a los fagos.
El proyecto de Darío forma parte del estudio sobre la dinámica ecoevolutiva de los fagos en la naturaleza. Empleando ddPCR, Darío evaluará sistemáticamente la abundancia de cada clado de vibrio y especie de fago a lo largo del tiempo y el espacio para demostrar formalmente que el florecimiento del depredador coincide con el declive de la presa. Centrándose en el clado V1, Darío explorará el origen y las consecuencias del pequeño tamaño del genoma de estas cepas.
Jeff Liang (Post-Doc)
Jeff trabajará en el análisis bioinformático de las colecciones de datos acumuladas tras años de investigación del grupo de Le Roux sobre este sistema fago-vibrio. Su investigación se centrará en los fundamentos genéticos de las diferencias entre cepas en cuanto a patología y ecología en cepas emparentadas de V. crassostreae. Las especies del género Vibrio suelen presentar un pangenoma abierto y altos niveles de transferencia horizontal de genes, características que probablemente contribuyen a la adaptación de las especies a sus nichos ecológicos.
Aunque se sabe que la agrupación de estas cepas por alineaciones del genoma central está interrelacionada con la virulencia y la susceptibilidad a los fagos, se desconoce la contribución de la diversidad a través del genoma accesorio. El proyecto de Jeff indagará en la dinámica evolutiva del sistema estratificado ostra-vibrio-fago mediante enfoques comparativos de genética de poblaciones y ecología inversa. Esto incluirá evaluaciones de la presión de selección histórica, inferencias de patrones de historia poblacional y evaluaciones filogeográficas de poblaciones recombinantes. Estos estudios se llevarán a cabo en colaboración con el grupo Shapiro de la Universidad McGill y el grupo Rocha del Instituto Pasteur.