Effect of glucose and glutamine on biofilm formation by several Candida species

Abstract

Biofilm formation is an important virulence factor that contributes greatly to Candida species pathogenicity. This virulence factor is dependent on several environmental factors including the available nutrients. Candida species survive in the oral environment through the catabolism of sugars, as glucose, and nitrogen assimilation, through the absorption of certain aminoacids as L-glutamine. There are several genes related with biofilm formation. The FKS1 gene encodes an membrane bound enzyme that produces β-1,3 glucan, a component of the biofilm matrix, from glucose. BCR1 gene is a fungal transcription factor that regulates the expression of important Candida adhesins. Thus, the aim of this study was to understand the effect of the glucose concentration variation as well as the presence of a nitrogen source (glutamine), in the biofilm formation by several Candida species. Total biomass quantification by crystal violet showed that only the oral isolates of Candida albicans and Candida parapsilosis biofilm production dependent upon the glucose level in the medium. The oral isolate of Candida tropicalis produced more biofilm for smaller amounts of glucose, whereas, C. glabrata strains were less able to form biofilm than any other studied strain. Analyzing the effect of glutamine on biofilms in terms of total biomass, only the oral isolate of C. parapsilosis was affected by the absence of glutamine from the medium. Scanning-Ellectron microscopy of the biofilms formed by C. albicans and C. parapsilosis, showed that the complexity and overall structural size of the biofilm increased when the glucose concentration was higher. It also showed, that glucose presence enhanced the development and growth of hyphal/filamentous forms. Genetic expression assessment through Real time PCR, showed that FKS1 gene expression was glucose dependent for both C. albicans and C. parapsilosis, and overall higher for C. albicans, hinting at a greater β-1,3 glucan incorporation on biofilm of this specie. BCR1 gene expression increased for higher glucose levels in the medium. However, when glucose was replaced by an equal amount of glutamine, the expression of this gene didn’t decrease for any of the studied strains, hinting that cell adhesion is not dependent on the presence of glucose, but may be dependent on nutrient concentration.

A formação de biofilmes é um importante factor de virulência que contribui para a patogenicidade de espécies do fungo Candida. Este factor de virulência está dependente de vários factores ambientais incluindo os nutrientes disponíveis. As espécies de Candida sobreviveram no ambiente oral através do catabolismo de açucares, como a glucose e assimilação de nitrogénio, através da absorção de certos aminoácidos como L-glutamina. Vários genes estão relacionados com a formação de biofilmes. O gene FKS1 codifica uma enzima da membrana celular que produz β-1,3 glucano, um componente da matriz dos biofilmes. O gene BCR1 está relacionado com a capacidade de adesão a superfícies das células. Assim sendo, o objectivo deste estudo foi entender a forma pela qual a variação da concentração de glucose bem como a presença de uma outra fonte de nitrogénio (glutamina), pode afectar a capacidade de formação de biofilmes por várias espécies de Candida. A quantificação da biomassa total mostrou que a produção de biofilme de só os isolados orais de Candida albicans e Candida parapsilosis foi dependente da quantidade de glucose no meio. O isolado oral de Candida tropicalis produziu mais biofilme para concentrações de glucose mais baixas. As estirpes de Candida glabrata foram as piores produtoras de biofilme. Analizando o efeito da glutamina na produção de biofilmes, foi possível verificar que só o isolado oral de C. parapsilosis foi afectado pela sua ausência do meio. A visualização dos biofilmes formados por microscopia electrónica de varrimento mostrou que tanto a complexidade como o tamanho das estruturas, a nível geral, aumentou com o aumento da concentração de glucose no meio, para estirpes de C.albicans e C. parapsilosis. Também mostrou que o aumento da concentração de glucose no meio fomentou o desenvolvimento de hifas /estruturas filamentosas para as estirpes destas espécies. A avaliação da expressão do gene FKS1 através de Real-time PCR mostrou que a expressão deste gene está dependente da glucosa em C. albicans e C. parapsilosis, sendo, em geral, superior para as estirpes de C. albicans. Isto aponta para a existência uma maior quantidade de β-1,3 glucano nas matrizes dos seus biofilmes. A expressão do gene BCR1 aumentou com a concentração de glucose, mas no entanto não parece ser afectada com a substituição da glucose por uma quantidade equivalente de glutamina no meio.