Umeå University's logo

Bacteria rarely live alone. Instead, they exist in complex communities where interactions between neighbouring cells affect their survival, adaptation, and ability to thrive in a shared environment. These interactions range from cooperative behaviours that help bacteria survive together to antagonistic strategies that suppress competing microorganisms. Understanding how bacteria balance cooperation and competition is important for explaining microbial community behaviour, especially in biofilms associated with chronic and recurrent infections.

Biofilms are a major challenge in healthcare because they are difficult to treat and often resist antibiotics. They are involved in many diseases, including catheter-associated urinary tract infections (CAUTI), ventilator-associated pneumonia (VAP), chronic wound infections, and infections associated with medical devices. These infections often involve multiple bacterial species coexisting at the same site. However, it is still not fully understood what determines whether bacteria compete, coexist, or support each other's survival.

This thesis studies how bacterial communities interact in different environments, focusing on how nutrient conditions, metabolic adaptation, and antagonistic behaviour shape bacterial survival. Using clinical isolates, laboratorystrains, biofilm models, metabolomics, and screening methods, this work examines interactions ranging from cooperationvia shared metabolism (Papers I-III) to direct chemical competition via growth inhibition (Paper IV).

Paper I studied the growth of Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa in mono- and dual-cultures using clinical isolates from patients with VAP. Prior growth of S. aureus did not help P. aeruginosa subsequently attach to a surface. However, growing the two species together altered the bacterial growth, biofilm formation, the balance between species, and their metabolism. Higher biofilm biomass did not necessarily mean both species benefited equally; viable cell counts indicated that P. aeruginosa grew more than S. aureus in dual-species biofilms in the presence of glucose. These effects clearly depended on nutrient conditions and differed between clinical isolates and laboratory reference strains, showing that each patient's microenvironment can shape how bacteria survive.

Paper II studied interactions between Escherichia coli and P. aeruginosa under conditions similar to those in a urinary catheter. In an artificial urine medium, P. aeruginosa was the dominant species in dual-species biofilms, while nutrient-rich conditions allowed E. coli to compete more effectively or even become dominant in co-culture. Metabolomics analyses showed that both species adapted differently under varying growth conditions, and that their co-culture metabolic profile differed from those of either monoculture. This suggests that nutrient availability, together with how each species adjusts its metabolism, determines which species becomes dominant in catheter-associated biofilms.

Paper III, building on these findings, used a criss-cross sequential cultivation method to test whether the two species exchange metabolites directly. It was observed that E. coli consistently released succinate, which was later taken up by P. aeruginosa, showing a clear producer–consumer relationship. Other metabolites, including citrate, itaconate, cadaverine,and phenylalanine, showed patterns suggesting additional, more complex forms of metabolic exchange or species-specificmetabolism. These results suggested that nutrient sharing between species helps explain how these two clinically relevant bacteria coexist in nutrient-poor, host-associated environments, such as those in CAUTI. Unlike these cooperative interactions, bacterial communities can also be shaped by competition.

Paper IV studied the ability of marine bacteria to produce antimicrobial compounds as an example of this competitive strategy. One Bacillus subtilis isolate excreted compounds with antibacterial activity against other bacterial species, indicating that competition is an important survival strategy and that this isolate could be a potential source of new antibacterial compounds.

Overall, this thesis demonstrated that bacteria could interact in many different ways, from sharing nutrients and adapting together to actively suppressing one another. Which strategy occurs depends on the bacterial species involved and the environment they live in, showing that bacteria adjust their behaviour rather than relying on a single fixed way of coexisting. These findings offer new insight into how microbial communities function and may help improve the treatment of biofilm-related infections and also the discovery of new antibacterial compounds.

Bakterier lever sällan ensamma. Istället existerar de i komplexa samhällen där interaktioner mellan närliggande celler påverkar deras överlevnad, anpassning och förmåga att trivas i en delad miljö. Dessa interaktioner sträcker sig från samarbetsbeteenden som hjälper bakterier att överleva tillsammans till antagonistiska strategier som hämmar konkurrerande mikroorganismer. Att förstå hur bakterier balanserar samarbete och konkurrens är viktigt för att förklara hur mikrobiella samhällen beter sig, särskilt i biofilmer kopplade till kroniska och återkommande infektioner.

Biofilmer utgör en stor utmaning inom sjukvården eftersom de är svåra att behandla och ofta motstår antibiotika. De är inblandade i många sjukdomar, inklusive kateterassocierade urinvägsinfektioner (CAUTI), respiratorassocierad pneumoni (VAP), kroniska sårinfektioner och infektioner kopplade till medicintekniska implantat. Dessa infektioner involverar ofta flera bakteriearter som lever tillsammans på samma plats. Det är dock fortfarande inte helt klarlagt vad som avgör om bakterier konkurrerar, samexisterar eller stödjer varandras överlevnad.

Denna avhandling studerar hur bakteriella samhällen interagerar i olika miljöer, med fokus på hur näringsförhållanden, metabolisk anpassning och antagonistiskt beteende formar bakteriers överlevnad. Genom att använda kliniska isolat, laboratoriestammar, biofilmsmodeller, metabolomik och screeningmetoder undersöker detta arbete interaktioner som sträcker sig från samarbete via delad metabolism (Artikel I–III) till direkt kemisk konkurrens via tillväxthämning (Artikel IV).

I Artikel I studerades tillväxten av Staphylococcus aureus och Pseudomonas aeruginosa som monokulturer och växande tillsammans. Kliniska isolat från patienter med VAP användes. Tidigare påväxt av S. aureus på en yta underlättade inte den efterföljande vidhäftningen av P. aeruginosa. Att odla de två arterna tillsammans förändrade dock bakterietillväxten, biofilmsbildningen, balansen mellan arterna och deras metabolism. Mer biofilm innebar inte nödvändigtvis att båda arterna gynnades lika mycket; kvantifiering av antalet celler visade att P. aeruginosa växte mer än S. aureus i närvaro av glukos. Dessa effekter berodde på näringsförhållandena och skilde sig mellan kliniska isolat och laboratoriereferensstammar, vilket visar att varje patients inre mikromiljö kan påverka hur bakterier överlever.

I Artikel II studerades interaktioner mellan Escherichia coli och P. aeruginosa under förhållanden som liknar de i en urinkateter. I ett konstgjort urinmedium var P. aeruginosa den dominerande arten i biofilmer med två arter. Näringsrika förhållanden gjorde det däremot möjligt för E. coli att konkurrera mer effektivt och till och med bli dominerande. Metabolitanalyser visade att båda arterna anpassade sig på olika sätt under olika tillväxtförhållanden och att deras metaboliska profil i samodling skilde sig från den i respektive monokultur. Detta tyder på att både näringstillgång och på vilket sätt varje art justerar sin metabolism, avgör vilken art som blir dominerande i kateterassocierade biofilmer.

Utifrån dessa resultat gjordes i Artikel III en korsvis sekventiell odling för att testa om de två arterna direkt utbyter metaboliter. Det observerades att E. coli konsekvent frisatte succinat, som senare togs upp av P. aeruginosa. Detta visade ett tydligt producent–konsumentförhållande mellan bakterierna. Andra metaboliter, inklusive citrat, itakonat, kadaverin och fenylalanin, uppvisade mönster som tyddes till andra, mer komplexa former av utbyte eller artspecifik metabolism. Dessa resultat tyder på att näringsutbyte mellan arterna bidrar till att förklara hur dessa två kliniskt relevanta bakterier samexisterar i näringsfattiga förhållanden, såsom vid CAUTI.

Till skillnad från dessa samarbetsinriktade interaktioner kan bakteriella samhällen även formas av konkurrens. I Artikel IV studerades marina bakteriers förmåga att producera antimikrobiella föreningar som ett exempel på denna konkurrensstrategi. Ett isolat av Bacillus subtilis utsöndrade enzymer med antibakteriell aktivitet mot andra bakteriearter, vilket indikerar att konkurrens är en viktig överlevnadsstrategi. Det visar även att detta isolat skulle kunna vara en potentiell källa till nya antibakteriella föreningar.

Sammantaget visade denna avhandling att bakterier kan interagera på många olika sätt, från att dela näringsämnen och anpassa sig tillsammans till att aktivt hämma varandra. Vilken strategi som förekommer beror på vilka bakteriearter som är inblandade och miljön de lever i, vilket visar att bakterier anpassar sitt beteende istället för att förlita sig på ett enda fast sätt att samexistera. Dessa fynd ger nya insikter i hur mikrobiella samhällen fungerar och kan bidra till förbättrad behandling av biofilmrelaterade infektioner samt till upptäckten av nya antibakteriella föreningar.

Бактерії зрідка існують ізольовано від інших бактерій. У природі та в організмі людини вони зазвичай формують складні багатовидові спільноти, у яких постійно взаємодіють між собою. Ці взаємодії можуть бути як кооперативними, коли бактерії підтримують одна одну, наприклад, обмінюючись поживними речовинами або пристосовуючись до присутності інших мікроорганізмів, так і конкурентними, коли вони борються за простір і поживні ресурси або виробляють речовини, що пригнічують ріст своїх суперників. Саме баланс між кооперацією та конкуренцією визначає склад мікробних спільнот, їхню здатність виживати в різних умовах і брати участь у розвитку інфекцій.

Особливе значення такі взаємодії мають у біоплівках — структурованих спільнотах бактерій, що прикріплені до поверхонь та оточені захисним позаклітинним матриксом, який складається переважно з полісахаридів, білків, позаклітинної ДНК та інших компонентів, вироблених самими бактеріями. Така організація забезпечує бактеріям захист від антибіотиків, факторів імунної системи та несприятливих умов навколишнього середовища. Саме тому біоплівки є однією з головних причин хронічних і рецидивуючих інфекцій. Вони часто утворюються в сечових катетерах, медичних імплантатах, хронічних ранах, а також у дихальних шляхах пацієнтів, найчастіше із вентилятор-асоційованою пневмонією (ВАП). Більшість таких інфекцій спричиняється не одним, а кількома видами бактерій, однак досі недостатньо зрозуміло, які фактори визначають, чи будуть різні види співпрацювати, співіснувати або конкурувати між собою задля спільного виживання в середовищі.

Метою цієї дисертації було дослідити механізми взаємодії між бактеріями в багатовидових спільнотах, зосередившись на ролі поживного середовища, метаболічній адаптації та антагоністичних механізмах. Для цього використовували клінічні ізоляти бактерій, отримані від пацієнтів, лабораторні штами для порівняння результатів, моделі моно- та змішаних біоплівок, методи газової хроматографії з мас-спектрометрією для аналізу метаболітів, а також мікробіологічні та біохімічні методи скринінгу. Робота складається з чотирьох взаємопов'язаних досліджень (Статті I–IV), які послідовно розкривають різні типи взаємодії бактерій — від кооперації через метаболічний обмін до прямої хімічної конкуренції.

У першому дослідженні (Стаття I) вивчали взаємодію між клінічними штамами Staphylococcus aureus і Pseudomonas aeruginosa — двома бактеріями, які часто одночасно виявляються та виділяються з пацієнтів із ВАП. Досліджували як послідовний ріст бактерій, коли один вид колонізує поверхню раніше за інший, так і їх одночасне культивування. Було встановлено, що попередній ріст S. aureus не сприяв подальшому прикріпленню P. aeruginosa до поверхні у цьому середовищі. Водночас спільне культивування змінювало швидкість росту бактерій, утворення біоплівки, співвідношення між видами та їхній метаболізм. Підрахунок життєздатних клітин показав, що зростання загальної біомаси біоплівки не обов'язково приносить однакову користь усім її членам. За наявності глюкози в середовищі P. aeruginosa отримувала конкурентну перевагу над S. aureus у біоплівці, хоча обидва види брали участь у її формуванні. Крім того, характер взаємодії залежав не лише від складу поживного середовища, а й від конкретних клінічних ізолятів, що свідчить про важливу роль індивідуальних особливостей бактерій і мікросередовища інфекції пацієнта, до якого ці бактеріальні штами пристосувалися.

Друге дослідження (Стаття II) було присвячене взаємодії між клінічними штамами Escherichia coli та P. aeruginosa в умовах штучного сечового середовища, що імітує середовище сечового катетера. Зазначені штами були одночасно виділені з пацієнтів із катетер-асоційованою інфекцією сечовивідних шляхів (КАІСВШ). Було показано, що доступність поживних речовин у середовищі є одним із ключових факторів, що визначають структуру бактеріальної спільноти. У середовищі штучної сечі, де поживних речовин було відносно мало, домінувала P. aeruginosa у змішаній біоплівці, тоді як в іншому, більш поживному середовищі, E. coli могла ефективніше конкурувати або навіть переважати P. aeruginosa у змішаній біоплівці. Аналіз метаболітів показав, що кожен вид по-різному перебудовує свій обмін речовин залежно від умов росту, а метаболічний профіль змішаної культури є унікальним і не є простою сумою профілів окремих бактеріальних штамів. Це свідчить про те, що під час співіснування у змішаних біоплівках бактерії активно змінюють метаболізм у відповідь на присутність іншого виду, формуючи новий стан бактеріальної спільноти.

На основі цих результатів у третьому дослідженні (Стаття III) було безпосередньо перевірено, чи здатні клінічні КАІСВШ штами бактерій обмінюватися продуктами свого метаболізму між собою, що потенційно віддзеркалює взаємодію бактерій у спільній біоплівці під час інфекції. Для цього використовували метод послідовного культивування КАІСВШ-штамів, за якого один клінічний штам ріс у середовищі, у якому раніше ріс другий, для того, щоб дослідити, чи використовуватиме пересаджений штам продукти метаболізму попереднього штаму як джерело енергії. Було встановлено, що E. coli послідовно продукує бурштинову кислоту (сукцинат), яку потім споживає P. aeruginosa. Це стало прямим підтвердженням взаємодії за принципом «продуцент–споживач» і засвідчило, що продукти життєдіяльності одного виду можуть слугувати поживними речовинами для іншого. Крім того, для інших метаболітів, таких як кадаверин, фенілаланін, лимонна (цитрат) і метиленбурштинова (ітаконат) кислоти, були виявлені закономірності, що свідчать про існування складніших і, ймовірно, видоспецифічних механізмів метаболічного обміну. Отримані результати демонструють, що обмін метаболітами є одним із механізмів, який дозволяє КАІСВШ-штамам співіснувати та ефективніше використовувати обмежені поживні ресурси в умовах, характерних для організму людини під час КАІСВШ.

На відміну від попередніх робіт, присвячених переважно кооперативним взаємодіям, четверте дослідження (Стаття IV) розглядало конкуренцію між бактеріями. У роботі досліджували морські бактерії (виділені з поверхонь мідій із Одеського узбережжя Чорного моря) як потенційне джерело нових антибактеріальних сполук. Було встановлено, що морський ізолят Bacillus subtilis продукує позаклітинні речовини з антибактеріальною активністю, здатні пригнічувати ріст інших бактерій, зокрема, було протестовано вплив надосадової рідини штаму B. subtilis на представників переважно грампозитивних клінічних ВАП-штамів, а саме S. aureus зі Статті І. Ці результати демонструють, що конкуренція є не менш важливим механізмом формування бактеріальних спільнот, ніж кооперація, а також підтверджують біотехнологічну перспективність використання природних мікроорганізмів як джерела нових антибактеріальних сполук для боротьби зі зростаючою антибіотикорезистентністю.

Таким чином, результати дисертації показують, що взаємодія між бактеріями є динамічним процесом, який залежить від виду мікроорганізмів, доступності поживних речовин і умов навколишнього середовища. Залежно від цих чинників бактерії можуть адаптувати свій метаболізм, обмінюватися продуктами життєдіяльності, спільно формувати біоплівки або, навпаки, конкурувати шляхом синтезу антимікробних сполук для захисту спільної біоплівки від бактерій-конкурентів або ж для регулювання росту й розвитку біоплівки шляхом пригнічення росту членів спільної біоплівки з метою збереження ресурсів чи використання елементів зруйнованих клітин для подальшого розвитку спільної біоплівки за стресових умов. Сукупність отриманих результатів поглиблює сучасне розуміння функціонування багатовидових бактеріальних спільнот і демонструє, що кооперація та конкуренція є взаємодоповнювальними механізмами, які визначають їхню структуру й поведінку. Водночас дослідження конкурентних взаємодій морських бактерій демонструє перспективність природних антимікробних механізмів як основи для подальшого пошуку нових антибактеріальних сполук.