Within-host evolution of Burkholderia pseudomallei over a twelve-year chronic carriage infection

UNLABELLED: Burkholderia pseudomallei causes the potentially fatal disease melioidosis. It is generally accepted that B. pseudomallei is a noncommensal bacterium and that any culture-positive clinical specimen denotes disease requiring treatment. Over a 23-year study of melioidosis cases in Darwin, Australia, just one patient from 707 survivors has developed persistent asymptomatic B. pseudomallei carriage. To better understand the mechanisms behind this unique scenario, we performed whole-genome analysis of two strains isolated 139 months apart. During this period, B. pseudomallei underwent several adaptive changes. Of 23 point mutations, 78% were nonsynonymous and 43% were predicted to be deleterious to gene function, demonstrating a strong propensity for positive selection. Notably, a nonsense mutation inactivated the universal stress response sigma factor RpoS, with pleiotropic implications. The genome underwent substantial reduction, with four deletions in chromosome 2 resulting in the loss of 221 genes. The deleted loci included genes involved in secondary metabolism, environmental survival, and pathogenesis. Of 14 indels, 11 occurred in coding regions and 9 resulted in frameshift mutations that dramatically affected predicted gene products. Disproportionately, four indels affected lipopolysaccharide biosynthesis and modification. Finally, we identified a frameshift mutation in both P314 isolates within wcbR, an important component of the capsular polysaccharide I locus, suggesting virulence attenuation early in infection. Our study illustrates a unique clinical case that contrasts a high-consequence infectious agent with a long-term commensal infection and provides further insights into bacterial evolution within the human host.

IMPORTANCE: Some bacterial pathogens establish long-term infections that are difficult or impossible to eradicate with current treatments. Rapid advances in genome sequencing technologies provide a powerful tool for understanding bacterial persistence within the human host. Burkholderia pseudomallei is considered a highly pathogenic bacterium because infection is commonly fatal. Here, we document within-host evolution of B. pseudomallei in a unique case of human infection with ongoing chronic carriage. Genomic comparison of isolates obtained 139 months (11.5 years) apart showed a strong signal of adaptation within the human host, including inactivation of virulence and immunogenic factors, and deletion of pathways involved in environmental survival. Two global regulatory genes were mutated in the 139-month isolate, indicating extensive regulatory changes favoring bacterial persistence. Our study provides insights into B. pseudomallei pathogenesis and, more broadly, identifies parallel evolutionary mechanisms that underlie chronic persistence of all bacterial pathogens.

Role of CD4+ T cells in the regulation of the immune response against encapsulated Group B Streptococcus

Le Streptocoque de groupe B (GBS) est un important agent d’infection invasive pouvant mener à la mort et demeure la cause principale de septicémie néonatale à ce jour. Neuf sérotypes ont été officiellement décrits basés sur la composition de la capsule polysaccharidique (CPS). Parmi ces sérotypes, le type III est considéré le plus virulent et fréquemment associé aux maladies invasives graves, telle que la méningite. Malgré que plusieurs recherches aient été effectuées au niveau des interactions entre GBS type III et les cellules du système immunitaire innées, aucune information n’est disponible sur la régulation de la réponse immunitaire adaptative dirigée contre ce dernier. Notamment, le rôle de cellules T CD4+ dans l’immuno-pathogenèse de l’infection causée par GBS n’a jamais été étudié. Dans cet étude, trois différents modèles murins d’infection ont été développé pour évaluer l’activation et la modulation des cellules T CD4+ répondantes au GBS de type III : ex vivo, in vivo, et in vitro. Les résultats d’infections ex vivo démontrent que les splénocytes totaux répondent à l’infection en produisant des cytokines de type-1 pro-inflammatoires. Une forte production d’IL-10 accompagne cette cascade inflammatoire, probablement dans l’effort de l’hôte de maintenir l’homéostasie. Les résultats démontrent aussi que les cellules T sont activement recrutées par les cellules répondantes du système inné en produisant des facteurs chimiotactiques, tels que CXCL9, CXCL10, et CCL3. Plus spécifiquement, les résultats obtenus à partir des cellules isolées T CD4+ provenant des infections ex vivo ou in vivo démontrent que ces cellules participent à la production d’IFN-γ et de TNF-α ainsi que d’IL-2, suggérant un profil d’activation Th1. Les cellules isolées T CD4+ n’étaient pas des contributeurs majeurs d’IL-10. Ceci indique que cette cytokine immuno-régulatrice est principalement produite par les cellules de l’immunité innée de la rate de souris infectées. Le profil Th1 des cellules T CD4+ a été confirmé en utilisant un modèle in vitro. Nos résultats démontrent aussi que la CPS de GBS a une role immuno-modulateur dans le développement de la réponse Th1. En résumé, cette étude adresse pour la première fois, la contribution des cellules T CD4+ dans la production d’IFN-γ lors d’une infection à GBS et donc, dans le développement d’une réponse de type Th1. Ces résultats renforcent d’avantage le rôle central de cette cytokine pour un control efficace des infections causées par ce pathogène.

Rôle essentiel des cellules dendritiques dans l'immunité innée face a des streptocoques encapsulés

Streptococcus du Groupe B (GBS) et Streptococcus suis sont deux pathogènes encapsulés qui induisent des pathologies similaires dont la méningite et la septicémie chez les animaux et/ou les humains. Les sérotypes III et V du GBS et les sérotypes 2 et 14 du S. suis (utilisés dans cette étude) sont parmi les plus prévalents et/ou les plus virulents. La capsule polysaccharidique (CPS) définit le sérotype et est considérée comme un facteur de virulence essentiel pour les deux espèces bactériennes. Malgré que plusieurs études aient été réalisées au niveau des interactions entre ces streptocoques et les cellules de l’immunité innée, aucune information n’est disponible sur la régulation de la réponse immunitaire contre ces pathogènes par les cellules dendritiques (DCs) et leur interactions avec d’autres cellules, notamment les cellules ‘natural killer’ (NK). Dans cette étude, différentes approches (in vitro, ex vivo et in vivo) chez la souris ont été développées pour caractériser les interactions entre les DCs, les cellules NK et GBS ou S. suis. L’utilisation de mutants non encapsulés a permis d’évaluer l’importance de la CPS dans ces interactions. Les résultats in vitro avec les DCs infectées par GBS ou S. suis ont démontré que ces deux pathogènes interagissent différemment avec ces cellules. GBS est grandement internalisé par les DCs, et ce, via de multiples mécanismes impliquant notamment les radeaux lipidiques et la clathrine. Le mécanisme d’endocytose utilisé aurait un effet sur la capacité du GBS à survivre intracellulairement. Quant au S. suis, ce dernier est très faiblement internalisé et, si le cas, rapidement éliminé à l’intérieur des DCs. GBS et S. suis activent les DCs via différents récepteurs et favorisent la production de cytokines et chimiokines ainsi que l’augmentation de l’expression de molécules de co-stimulation. Cette activation permet la production d’interferon-gamma (IFN-y) par les cellules NK. Cependant, GBS semble plus efficient à activer les DCs, et par conséquent, les cellules NK que S. suis. La production d’IFN-y, en réponse à la stimulation bactérienne, est principalement assurée par un contact direct entre les DCs et les cellules NK et ne dépend qu’en partie de facteurs solubles. De plus, nos résultats in vivo ont démontré que ces deux streptocoques induisent rapidement la libération d'IFN-y par les cellules NK lors de la phase aiguë de l'infection. Ceci suggère que les interactions entre les DCs et les cellules NK pourraient jouer un rôle dans le développement d’une réponse immune T auxiliaire de type 1 (T ‘helper’ 1 en anglais; Th1). Cependant, la capacité de S. suis à activer la réponse immunitaire in vivo est également plus faible que celle observée pour GBS. En effet, les CPSs de GBS et de S. suis jouent des rôles différents dans cette réponse. La CPS de S. suis empêche une activation optimale des DCs et des cellules NK alors que c’est l’opposé pour la CPS de GBS, indépendamment du sérotype évalué. En résumé, cette étude adresse pour la première fois la contribution des DCs et des cellules NK dans la réponse immunitaire innée lors d’une infection à GBS ou à S. suis et, par extension, dans le développement d’une réponse Th1. Nos résultats renforcent davantage le rôle central des DCs dans le contrôle efficace des infections causées par des bactéries encapsulées.

Rôle des cellules dendritiques dans la modulation de la réponse immunitaire de l'hôte contre Streptococcus suis

Streptococcus suis est un important pathogène porcin et agent zoonotique responsable de méningites et de septicémies. À ce jour, les mécanismes impliqués dans la réponse immunitaire de l’hôte lors de l’infection par S. suis sont peu connus; et il en est de même pour les stratégies utilisées par S. suis afin de déjouer cette réponse. L’augmentation de l’incidence et de la sévérité des cas humains souligne le besoin d’une meilleure compréhension des interactions entre S. suis et le système immunitaire afin de générer une réponse immunitaire efficace contre ce pathogène. Les cellules dendritiques (DCs) sont de puissantes cellules présentatrices d’antigènes qui stimulent les lymphocytes T et B, assurant la liaison entre l’immunité innée et l’immunité adaptative. L’objectif principal de ce projet était d’évaluer le rôle joué par différents facteurs de virulence de S. suis sur la modulation de la fonction des DCs et de la réponse T-dépendante. Nous avons examiné l’effet des facteurs clés pour la virulence de S. suis, dont la capsule polysaccharidique (CPS), les modifications de la paroi cellulaire (D-alanylation de l’acide lipotéichoïque et N-déacétylation du peptidoglycane) et la toxine suilysine, sur l’activation et la maturation de DCs murines dérivées de la moelle osseuse (bmDCs). Suite à l’infection par S. suis, les bmDCs sont activées et subissent un processus de maturation caractérisé par l’augmentation de l’expression de molécules de co-stimulation et la production de cytokines pro-inflammatoires. La CPS est le principal facteur interférant avec la production de cytokines, même si les modifications de la paroi cellulaire et la suilysine peuvent également moduler la production de certaines cytokines. Enfin, la CPS, les modifications de la paroi cellulaire et la suilysine interfèrent avec la déposition du complément à la surface des bactéries et, en conséquence, avec le « killing » dépendant du complément. Les résultats ont été confirmés à l’aide de bmDCs porcines. Nous avons aussi voulu identifier les récepteurs cellulaires impliqués dans la reconnaissance de S. suis par les DCs. Nous avons démontré que la production de cytokines et l’expression des molécules de co-stimulation par les DCs sont fortement dépendantes de la signalisation par MyD88, suggérant que les DCs reconnaissent S. suis et deviennent activées majoritairement via la signalisation par les récepteurs de type Toll (TLRs). En effet, on remarque une diminution de la production de plusieurs cytokines ainsi que de l’expression de certaines molécules de co-stimulation chez les DCs TLR2-/- ou TLR2-/- et TLR9-/- double négatives. Finalement, le récepteur NOD2 semblait jouer un rôle partiel dans l’activation des DCs suite à une infection par S. suis.Enfin, nous avons évalué les conséquences de la modulation des fonctions des DCs sur le développement de la réponse T-dépendante. Les splénocytes totaux produisent plusieurs cytokines en réponse à S. suis. Des analyses in vivo et ex vivo ont permis d’observer l’implication des cellules T CD4+ et le développement d’une réponse de type « T helper » 1 (TH1) bien que la quantité de cytokines TH1 produites lors de l’infection in vivo par S. suis demeure assez basse. La CPS de S. suis interfère avec la production de plusieurs cytokines par les cellules T in vitro. Expérimentalement, l’infection induite par S. suis résulte en de faibles niveaux de production d’anticorps anti-S. suis, mais aussi d’anticorps dirigés contre l’ovalbumine utilisée comme antigène rapporteur. Cette interférence est corrélée avec la sévérité des signes cliniques, suggérant que S. suis interfère avec le développement d’une réponse immunitaire adaptative appropriée qui serait requise pour contrôler la progression de l’infection. Les résultats de cette étude mèneront à une meilleure compréhension de la réponse immunitaire de l’hôte lors de l’infection par S. suis.

Etude du développement de la réponse humorale dirigée contre la capsule polysaccharidique de Streptococcus suis et Streptococcus du groupe B

Streptococcus suis et Streptococcus du groupe B (GBS) sont deux bactéries encapsulées qui induisent des pathologies similaires chez l’homme et/ou l’animal, incluant septicémies et méningites. La capsule polysaccharidique (CPS) est un facteur de virulence clé de ces deux pathogènes et les anticorps (Ac) anti-CPS présentent un bon potentiel protecteur. Néanmoins, ces molécules sont faiblement immunogéniques et les mécanismes de la génération de la réponse humorale anti-CPS demeurent méconnus. L’objectif principal de cette thèse était d’évaluer les caractéristiques et les mécanismes du développement de la réponse Ac dirigée spécifiquement contre les CPS de S. suis et GBS, ainsi que l’effet de la biochimie de la CPS dans cette réponse. Nous avons étudié S. suis types 2 et 14 et GBS types III et V, dont les CPS présentent plusieurs similarités dans leurs compositions et leurs structures, incluant la présence d’acide sialique, un sucre potentiellement immunosuppresseur, tout en possédant une antigénicité propre. Nous avons tout d’abord analysé la nature de la réponse Ac anti-CPS sérique face à la bactérie entière. Les souris infectées par S. suis développent une réponse très faible (S. suis type 2) voire insignifiante (S. suis type 14) de profil isotypique restreint à l’IgM et sont incapables de monter une réponse mémoire efficace face à une seconde infection. Un profil similaire est obtenu chez le porc infecté par S. suis type 2. On détecte des titres d’IgM anti-CPS significatifs chez les souris infectées par GBS (type III ou V). Toutefois, la magnitude de la réponse reste globalement faible et aucune commutation de classe n’est observée. Nous avons ensuite examiné l’influence de la biochimie de la CPS sur ces profils de réponse en conduisant des expériences avec la CPS hautement purifiée de ces pathogènes. Tandis que la CPS de GBS type III administrée aux souris conserve des propriétés immunogéniques similaires à celles observées durant l’infection par la bactérie intacte, les CPS de S. suis type 2 et GBS type V perdent toute capacité à induire une réponse Ac spécifique. L’analyse de l’interaction in vitro des CPS avec les cellules dendritiques (DC) murines, des acteurs clés dans la détection des pathogènes et l’orchestration des réponses immunitaires subséquentes, révèle que ces molécules stimulent la production de niveaux conséquents de chémokines via différents récepteurs. Néanmoins, les CPS sont inaptes à induire la sécrétion de cytokines et elles interfèrent avec la capacité des DC à exprimer BAFF, une cytokine clé dans la différenciation des lymphocytes B en plasmocytes. L’utilisation de CPS chimiquement désialylées démontre que l’acide sialique ne joue aucun rôle immunosuppresseur majeur dans le développement de la réponse Ac dirigée contre les CPS purifiées de S. suis ou GBS, ni sur l’interaction des CPS avec les DC in vitro, ni sur profil de la réponse in vivo. D’autres propriétés biochimiques intrinsèques à ces CPS seraient responsables de l’inaptitude de l’hôte infecté à monter une réponse Ac adéquate et les identifier constituera un outil précieux pour une meilleure compréhension de l’immunopathogénèse de S. suis et GBS ainsi que pour développer des moyens de lutte efficaces contre ces bactéries.

Removal of metal ions from aqueous solution by chelating polymeric hydrogel

Polysaccharide natural seed coat from the tree Magonia pubescens, in the form of hydrogel was used to remove metals in aqueous solution. Swelling tests indicate that seed coat presents hydrogel behavior, with maximum water absorption of 292 g water/g. Adsorption experiments performed using Na(+), Mg(2+), K(+), Ca(2+), Cr(3+), Fe(3+) and Zn(2+) demonstrated that the polysaccharide structure has a high capacity to extract these ions from the aqueous solution. Scanning electron microscopy revealed significant morphological changes of the material before and after water contact. Differential scanning calorimetry measurements indicate a signal shift of the water evaporation temperature in the material with adsorbed zinc. X-ray photoelectron spectroscopy analysis combined with theoretical studies by the density functional theory and on Hartree-Fock (HF) level evidence that the metallic ions were adsorbed through coordination with hydroxyl groups of polysaccharide. In the case of Zn(2+) the lowest HF energy was observed for the tetracoordination mode, where Zn(2+) is coordinated by two hydroxyl groups and two water molecules.

Alginato bacteriano: aspectos tecnológicos, características e produção

Alginate is a biopolymer used for a variety of industrial applications, for example, in the textiles, cosmetics, foods, agricultural and biotechnological industries. This biopolymer is traditionally extracted from some brown seaweeds (Phaeophyceae) and can be produced by bacteria isolated from soil, as Azotobacter vinelandii, like capsular polysaccharide using glucose, sucrose, among others as carbon sources. The main difference between the alginate of seaweed and the bacterial ones, is the biggest degree of acetylation of this last one, with great influence in the gel force. These chemical characteristics and production of bacterial alginate are presented in this work.

Removal of metal ions from aqueous solution by chelating polymeric hydrogel

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Obtaining of xanthan gum impregnated of cellulose microfibrils derived from sugarcane bagasse

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Studio dell'attività idrolitica di glucomannano ad opera di alcuni preparati enzimatici industriali

Over the last few decades, polysaccharides have gained increasing attention in the biomedical and drug delivery fields. Among them, glucomannan (GM) has become a particularly interesting polymer in the nutraceutical, pharmaceutical and cosmeceutical field, however the high molecular weight of this natural polymer is the cause of the limits to its application that reflected in a poor solubility in water.Reduce the molecular weight could improve its use and at the same time does not eliminate its properties. In this study, we investigated the ability of enzymes to hydrolyze the polysaccharide structure of glucomannan by two commercial enzymes: Fungamyl Super AX and Celluclast BG. The purpose of the thesis was to identify the enzymatic activity and the process parameters ( pH and temperature) that influence the catalytic activity of the enzymes, the molecular size and the viscosity of products released after enzymatic hydrolysis of glucomannan.

Use of diagnostic microarrays for determination of virulence gene patterns of Escherichia coli K1, a major cause of neonatal meningitis

Forty Escherichia coli strains isolated primarily from neonatal meningitis, urinary tract infections and feces were screened for the presence of virulence genes with a newly developed microarray on the array tube format. A total of 32 gene probes specific for extraintestinal as well as intestinal E. coli pathotypes were included. Eighty-eight percent of the analyzed strains were positive for the K1-specific probe on the microarray and could be confirmed with a specific antiserum against the K1 capsular polysaccharide. The gene for the hemin receptor ChuA was predominantly found in 95% of strains. Other virulence genes associated with K1 and related strains were P, S, and F1C fimbriae specific for extraintestinal E. coli, the genes for aerobactin, the alpha-hemolysin and the cytotoxic necrotizing factor. In two strains, the O157-specific catalase gene and the gene for the low-molecular-weight heat-stable toxin AstA were detected, respectively. A total of 19 different virulence gene patterns were observed. No correlation was observed between specific virulence gene patterns and a clinical outcome. The data indicate that virulence genes typical of extraintestinal E. coli are predominantly present in K1 strains. Nevertheless, some of them can carry virulence genes known to be characteristic of intestinal E. coli. The distribution and combination of virulence genes show that K1 isolates constitute a heterogeneous group of E. coli.

Camel Streptococcus agalactiae populations are associated with specific disease complexes and acquired the tetracycline resistance gene tetM via a Tn916-like element

Camels are the most valuable livestock species in the Horn of Africa and play a pivotal role in the nutritional sustainability for millions of people. Their health status is therefore of utmost importance for the people living in this region. Streptococcus agalactiae, a Group B Streptococcus (GBS), is an important camel pathogen. Here we present the first epidemiological study based on genetic and phenotypic data from African camel derived GBS. Ninety-two GBS were characterized using multilocus sequence typing (MLST), capsular polysaccharide typing and in vitro antimicrobial susceptibility testing. We analysed the GBS using Bayesian linkage, phylogenetic and minimum spanning tree analyses and compared them with human GBS from East Africa in order to investigate the level of genetic exchange between GBS populations in the region. Camel GBS sequence types (STs) were distinct from other STs reported so far. We mapped specific STs and capsular types to major disease complexes caused by GBS. Widespread resistance (34%) to tetracycline was associated with acquisition of the tetM gene that is carried on a Tn916-like element, and observed primarily among GBS isolated from mastitis. The presence of tetM within different MLST clades suggests acquisition on multiple occasions. Wound infections and mastitis in camels associated with GBS are widespread and should ideally be treated with antimicrobials other than tetracycline in East Africa.

Large scale variation in Enterococcus faecalis illustrated by the genome analysis of strain OG1RF.

BACKGROUND: Enterococcus faecalis has emerged as a major hospital pathogen. To explore its diversity, we sequenced E. faecalis strain OG1RF, which is commonly used for molecular manipulation and virulence studies. RESULTS: The 2,739,625 base pair chromosome of OG1RF was found to contain approximately 232 kilobases unique to this strain compared to V583, the only publicly available sequenced strain. Almost no mobile genetic elements were found in OG1RF. The 64 areas of divergence were classified into three categories. First, OG1RF carries 39 unique regions, including 2 CRISPR loci and a new WxL locus. Second, we found nine replacements where a sequence specific to V583 was substituted by a sequence specific to OG1RF. For example, the iol operon of OG1RF replaces a possible prophage and the vanB transposon in V583. Finally, we found 16 regions that were present in V583 but missing from OG1RF, including the proposed pathogenicity island, several probable prophages, and the cpsCDEFGHIJK capsular polysaccharide operon. OG1RF was more rapidly but less frequently lethal than V583 in the mouse peritonitis model and considerably outcompeted V583 in a murine model of urinary tract infections. CONCLUSION: E. faecalis OG1RF carries a number of unique loci compared to V583, but the almost complete lack of mobile genetic elements demonstrates that this is not a defining feature of the species. Additionally, OG1RF's effects in experimental models suggest that mediators of virulence may be diverse between different E. faecalis strains and that virulence is not dependent on the presence of mobile genetic elements.

A nearly idealized 6 '-O-methylated t-carrageenan from the Australian red alga Claviclonium ovatum (Acrotylaceae, Gigartinales)

The polysaccharides extracted from Claviclonium ovatum were studied by a combination of compositional assays, reductive partial hydrolysis, linkage analysis, Fourier Transform infrared (FTIR) spectroscopy, and C-13, H-1, and C-13/H-1 heteronuclear multiple quantum correlation (HMQC) two-dimensional nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. The chemical and spectroscopic data showed that the alkali-modified C. ovatum polysaccharides are composed of a nearly idealized repeating unit of 6'-O-methylcarrabiose 2,4'-disulfate (the repeating unit of 6-O-methylated iota-earrageenan), although some minor components were also present. The C. ovatum galactans are the most highly methylated carrageenans reported. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Effet de Streptococcus Suis sur la capacité de présentation antigénique de cellules dendritiques

Streptococcus suis est un important pathogène porcin et humain, causant méningites et septicémies. Des études suggèrent que S. suis dispose de facteurs de virulence, notamment sa capsule polysaccharidique (CPS), qui lui permettent de moduler les fonctions des cellules dendritiques (DCs), situées à l’interface entre l’immunité innée et adaptative. Les difficultés à développer un vaccin efficace suggèrent aussi une altération de la voie T dépendante. L’objectif général du projet était d’évaluer l’effet de S. suis sur l’activation des cellules T CD4+ ainsi que sur la capacité de présentation antigénique des DCs. Nous avons étudié dans un modèle murin in vivo la réponse T CD4+ mémoire lors d’infections primaire et secondaire. Une faible réponse mémoire centrale a été obtenue, suggérant que la réponse adaptative générée contre S. suis est limitée. Étant donné l’importance du complexe majeur d’histocompatibilité (MHC) de classe II dans la présentation antigénique, nous avons évalué in vitro et in vivo l’expression de ces molécules chez les DCs. Une modulation de l’expression du MHC-II par S. suis a été observée. L’analyse de la transcription de gènes impliqués dans la régulation transcriptionnelle et post-transcriptionnelle du MHC-II nous permet de suggérer que S. suis régule à la baisse la synthèse de nouvelles molécules et favorise leur dégradation lysosomale. Cette stratégie, dans laquelle la CPS ne jouerait qu’un rôle partiel, permettrait à S. suis d’échapper à la réponse adaptative T dépendante. Les résultats de cette étude fourniront de nouvelles perspectives dans la compréhension de la réponse adaptative lors de l’infection par S. suis.