Microbial identification by detection of ligation probes on DNA microarray

Microbes in natural and artificial environments as well as in the human body are a key part of the functional properties of these complex systems. The presence or absence of certain microbial taxa is a correlate of functional status like risk of disease or course of metabolic processes of a microbial community. As microbes are highly diverse and mostly notcultivable, molecular markers like gene sequences are a potential basis for detection and identification of key types. The goal of this thesis was to study molecular methods for identification of microbial DNA in order to develop a tool for analysis of environmental and clinical DNA samples. Particular emphasis was placed on specificity of detection which is a major challenge when analyzing complex microbial communities. The approach taken in this study was the application and optimization of enzymatic ligation of DNA probes coupled with microarray read-out for high-throughput microbial profiling. The results show that fungal phylotypes and human papillomavirus genotypes could be accurately identified from pools of PCR amplicons generated from purified sample DNA. Approximately 1 ng/μl of sample DNA was needed for representative PCR amplification as measured by comparisons between clone sequencing and microarray. A minimum of 0,25 amol/μl of PCR amplicons was detectable from amongst 5 ng/μl of background DNA, suggesting that the detection limit of the test comprising of ligation reaction followed by microarray read-out was approximately 0,04%. Detection from sample DNA directly was shown to be feasible with probes forming a circular molecule upon ligation followed by PCR amplification of the probe. In this approach, the minimum detectable relative amount of target genome was found to be 1% of all genomes in the sample as estimated from 454 deep sequencing results. Signal-to-noise of contact printed microarrays could be improved by using an internal microarray hybridization control oligonucleotide probe together with a computational algorithm. The algorithm was based on identification of a bias in the microarray data and correction of the bias as shown by simulated and real data. The results further suggest semiquantitative detection to be possible by ligation detection, allowing estimation of target abundance in a sample. However, in practise, comprehensive sequence information of full length rRNA genes is needed to support probe design with complex samples. This study shows that DNA microarray has the potential for an accurate microbial diagnostic platform to take advantage of increasing sequence data and to replace traditional, less efficient methods that still dominate routine testing in laboratories. The data suggests that ligation reaction based microarray assay can be optimized to a degree that allows good signal-tonoise and semiquantitative detection.

Eficácia de um protocolo de higiene bucal com utilização de solução de clorexidina a 0,12% na prevenção de pneumonias associadas à ventilação mecânica (PAVM) e os efeitos sobre a microbiota da mucosa bucal de pacientes internados em unidades de terapia intensiva

A presente investigação teve como objetivo avaliar a prática de cirurgiões dentistas em uma unidade de terapia intensiva (UTI) de um hospital militar, o estabelecimento de um protocolo de higiene oral e os seus efeitos sobre a redução de pneumonias associadas à ventilação mecânica (PAVM). As percepções da equipe da UTI sobre as atividades dos cirurgiões dentistas também foram avaliadas por meio de um questionário. O perfil de colonização microbiana da mucosa oral antes e depois do estabelecimento das medidas de higiene oral também foi avaliado tanto por diluição e plaqueamento em meios de cultura microbiológicos seletivos e enriquecidos e através da amplificação pelo método de PCR e eletroforese em gel desnaturante em gradiente (DGGE), subsequente ao sequenciamento dos amplicons. A carga microbiana foi avaliada após a contagem de placas de agar e através da amplificação por PCR em tempo real (qPCR) do gene rrs nas amostras. O protocolo de higiene oral, realizado pelos cirurgiões dentistas, foi capaz de reduzir a incidência de PAVM (p <0,05). O questionário revelou que a modificação da halitose foi percebida por 93,33% dos participantes. A redução da ocorrência das úlceras orais e dos lábios durante a internação dos pacientes foi observada por 80% da equipe da UTI. Foi observada a redução da produção das secreções nasais e bucais por 70% da equipe dos profissionais da UTI. Para 86,66% dos participantes a assistência aos pacientes tornou-se mais agradável após a instituição dos cuidados bucais. O protocolo, realizado com a utilização de solução 0,12% de clorexidina, não foi capaz de evitar a colonização da mucosa oral por patógenos microbianos usualmente encontrados no ambiente hospitalar tais como os bastonetes Gram-negativos entéricos e não fermentadores, nem foi capaz de eliminá-los quando tais micro-organismos já se encontravam presentes antes dos procedimentos de higiene bucal. Alguns Bastonetes Gram-positivos (Lactobacillus sp e corinebactérias) e Staphylococcus epidermidis permaneceram após a realização dos procedimentos. O protocolo de higiene oral permitiu a redução da carga microbiana na mucosa oral de 50% dos pacientes considerando-se o método de contagem microbiana e para 35% dos pacientes pela avaliação dos números de cópias de genes rrs através de qPCR. Em conclusão, o protocolo de higiene oral desenvolvido pelos cirurgiões dentistas foi capaz de reduzir a incidência de PAV na UTI, embora não tenha sido capaz de prevenir a colonização da mucosa oral por supostos patógenos microbianos. O protocolo de higiene oral com a participação ativa dos cirurgiões dentistas foi bem aceito pelos profissionais da UTI e foi capaz de melhorar a qualidade da assistência aos pacientes críticos.

DGGE with genomic DNA: Suitable for detection of numerically important organisms but not for identification of the most abundant organisms

Identification of all important community members as well as of the numerically dominant members of a community are key aspects of microbial community analysis of bioreactor samples. A systematic study was conducted with artificial consortia to test whether denaturing gradient gel electrophoresis (DGCE) is a reliable technique to obtain such community data under conditions where results would not be affected by differences in DNA extraction efficiency from cells. A total of 27 consortia were established by mixing DNA extracted from Escherichia coli K12, Burkholderia cepacia and Stenotrophomonas maltophilia in different proportions. Concentrations of DNA of single organisms in the consortia were either 0.04, 0.4 or 4 ng/mu l. DGGE-PCR of genomic DNA with primer sets targeted at the V3 and V6-V8 regions of the 16S rDNA failed to detect the three community members in only 7% of consortia, but provided incorrect information about dominance or co-dominance for 85% and 89% of consortia with the primer sets for the V6-V8 and V3 regions, respectively. The high failure rate in detection of dominant B. cepacia with the primers for the V6-V8 region was attributable to a single nucleoticle primer mismatch in the target sequences of both, the forward and reverse primer. Amplification bias in PCR of E. coli and S. maltophilia for the V6-V8 region and for all three organisms for the V3 region occurred due to interference of genomic DNA in PCR-DGGE, since a nested PCR approach, where PCR-DGGE was started from mixtures of 16S rRNA genes of the organisms, provided correct information about the relative abundance of original DNA in the sample. Multiple bands were not observed in pure culture amplicons produced with the V6-V8 primer pair, but pure culture V3 DGGE profiles of E. coli, S. maltophilia and B. cepacia contained 5, 3 and 3 bands, respectively. These results demonstrate DGGE was suitable for identification of all important community members in the three-membered artificial consortium, but not for identification of the dominant organisms in this small community. Multiple DGGE bands obtained for single organisms with the V3 primer pair could greatly confound interpretation of DGGE profiles. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Enrichment of the hydrogen-producing microbial community from marine intertidal sludge by different pretreatment methods

To determine the effects of pretreatment on hydrogen production and the hydrogen-producing microbial community, we treated the sludge from the intertidal zone of a bathing beach in Tianjin with four different pretreatment methods, including acid treatment, heat-shock, base treatment as well as freezing and thawing. The results showed that acid pretreatment significantly promoted the hydrogen production by sludge and provided the highest efficiency of hydrogen production among the four methods. The efficiency of the hydrogen production of the acid-pretreated sludge was 0.86 +/- 0.07 mol H-2/mol glucose (mean +/- S.E.), whereas that of the sludge treated with heat-shock, freezing and thawing, base method and control was 0.41 +/- 0.03 mol H-2/mol glucose, 0.17 +/- 0.01 mol H-2/mol glucose, 0.11 +/- 0.01 mol H-2/mol glucose and 0.20 +/- 0.04 mol H-2/mol glucose, respectively. The result of denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) showed that pretreatment methods altered the composition of the microbial community that accounts for hydrogen production. Acid and heat pretreatments were favorable to enrich the dominant hydrogen-producing bacterium, i.e. Clostridium sp., Enterococcus sp. and Bacillus sp., However, besides hydrogen-producing bacteria, much non-hydrogen-producing Lactobacillus sp. was also found in the sludge pretreated with base, freezing and thawing methods. Therefore, based on our results, we concluded that, among the four pretreatment methods using acid, heat-shock, base or freezing and thawing, acid pretreatment was the most effective method for promoting hydrogen production of microbial community. (C) 2009 Professor T. Nejat Veziroglu. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

CULTURE AND CULTURE INDEPENDANT IDENTIFICATION OF BACTERIAL COMMUNITIES IN THE CYSTIC FIBROSIS RESPIRATORY TRACT

Introduction and Aims: The identification of complex chronic polymicrobial infections, such as those observed in the cystic fibrosis (CF) airways, are often a diagnostic challenge. Few studies have compared culture-dependent methods with molecular identification making it hard to describe bacterial communities in a comprehensive manner. The aim of the study is to compare four different methods with respect to their similarities and differences in detection of bacteria. Methods: We compared41 sputum samples fromroutine clinical-culture, extended-culture (aerobic and anaerobic), and molecular identification such as Roche 454-FLX Titanium and T-RFLP to assess concurrence between methodologies in detecting bacteria. The agreement between methodologies in detecting either absence or presence of bacterial taxa was assessed by Kappa (κ) statistics. Results: The majority of bacterial taxa identified by culture were also identified with molecular analysis. In total 2, 60, 25, and 179 different bacterial taxa were identified with clinical-culture, extended-culture, T-RFLP and 454-FLX respectively. Clinical-culture, extended-culture and T-RFLP were poor predictors of species richness when compared to 454-FLX (p < 0.0001). Agreement between methods for detecting Pseudomonas sp. and Burkholderia sp. was good with κ ≥ 0.7 [p < 0.0001] and κ ≥ 0.9 [p < 0.0001] respectively. Detection of anaerobic bacteria, such as Prevotella sp. and Veillonella sp., was moderate between extended-culture and 454-FLX with κ = 0.461 [p < 0.0001] and κ = 0.311 [p = 0.032] respectively, and good between T-RFLP and 454-FLX with κ = 0.577 [p < 0.0001] and κ = 0.808 [p < 0.0001] respectively. Agreement between methods for other main bacterial taxa, such as Staphylcoccus sp. and Streptococcus sp., was poor with only a moderate agreement for detection of Streptococcus sp. observed between T-RFLP and 454-FLX (κ = 0.221 [p = 0.024]). Conclusions: This study demonstrates the increased sensitivity culture-independent microbial identification such as the 454-FLX have over clinical-culture, extended-culture and T-RFLP methodologies. The extended-culture detected majority of the most prevalent bacterial taxa associated with chronic colonisation of the CF airways which were also detected by culture-independent methodologies. However, agreement between methods in detecting number of potentially relevant bacteria is largely lacking.

Impacts de la fertilisation phosphatée sur la biodiversité microbienne de sols agricoles

La fertilisation phosphatée est très répandue dans les pratiques agricoles Nord-Américaines. Bien que généralement très efficace pour augmenter la production végétale, son utilisation peut engendrer certaines contaminations environnementales. Afin de diminuer ce problème, plusieurs pratiques de gestion sont envisagées. Parmi celles-ci, on retrouve l’intéressante possibilité de manipuler la flore microbienne car cette dernière est reconnue pour son implication dans bons nombres de processus fondamentaux liés à la fertilité du sol. Cette étude a démontré que lors d’essais en champs, la forme de fertilisant ajouté au sol ainsi que la dose de phosphore (P) appliquée avaient un impact sur la distribution des microorganismes dans les différentes parcelles. Une première expérience menée sur une culture de luzerne en prairie semi-aride a montré que les échantillons provenant de parcelles ayant reçu différentes doses de P présentaient des différences significatives dans leurs communautés bactériennes et fongiques. La communauté de CMA est restée similaire entre les différents traitements. Une deuxième expérience fut menée pendant trois saisons consécutives afin de déterminer l’effet de différentes formes de fertilisation organiques et minérale ajustées selon une dose unique de P sur les populations bactériennes et fongiques d’une culture intensive de maïs en rotation avec du soja. Les résultats des analyses ont montrés que les populations varient selon le type de fertilisation reçu et que les changements sont indépendants du type de végétaux cultivé. Par contre, les populations microbiennes subissent une variation plus marquée au cours de la saison de culture. La technique de DGGE a permis d’observer les changements frappant la diversité microbienne du sol mais n’a permis d’identifier qu’une faible proportion des organismes en cause. Parallèlement à cette deuxième étude, une seconde expérience au même site fut menée sur la communauté de champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) puisqu’il s’agit d’organismes vivant en symbiose mutualiste avec la majorité des plantes et favorisant la nutrition de même que l’augmentation de la résistance aux stress de l’hôte. Ceci permit d’identifier et de comparer les différents CMA présents dans des échantillons de sol et de racines de maïs et soja. Contrairement aux bactéries et aux champignons en général, les CMA présentaient une diversité très stable lors des différents traitements. Par contre, au cours des trois années expérimentales, il a été noté que certains ribotypes étaient significativement plus liés au sol ou aux racines. Finalement, l’ensemble de l’étude a démontré que la fertilisation phosphatée affecte la structure des communautés microbiennes du sol dans les systèmes évalués. Cependant, lors de chaque expérience, la date d’échantillonnage jouait également un rôle prépondérant sur la distribution des organismes. Plusieurs paramètres du sol furent aussi mesurés et ils présentaient aussi une variation au cours de la saison. L’ensemble des interactions possibles entre ces différents paramètres qui, dans certains cas, variaient selon le traitement appliqué, aurait alors probablement plus d’impact sur la biodiversité microbienne que la seule fertilisation.

Occurrence of Actinobacillus actinomycetemcomitans in patients with chronic periodontitis, aggressive periodontitis, healthy subjects and children with gingivitis in two cities of the state of São Paulo, Brazil

The aim of this study was to determine the frequency of isolation of Actinobacillus actinomycetemcomitans (Aa) in 100 patients with chronic periodontitis, 14 patients with aggressive periodontitis, 142 pre-school children with gingivitis and 134 periodontally healthy subjects. Samples of subgingival plaque were taken using sterilized paper points introduced into periodontal pockets or gingival crevice for 60 seconds and inoculated on TSBV agar, which was incubated under anaerobiosis at 37°C, for 4 days. Microbial identification was performed through biochemical methods and morphocellular and morphocolonial analysis. Aa was detected in 40.3% of healthy subjects, 68% of patients with chronic periodontitis, 92.86% of patients with aggressive periodontitis and 40.14% of children with gingivitis. The rate of recovery of Aa in the tested human groups proved to be higher than previously reported and in agreement with participation of this facultative anaerobe as a member of native microbiota of the periodontium and its relation with aggressive and chronic periodontitis in Brazil.

Resistance to tetracycline and β-lactams and distribution of resistance markers in enteric microorganisms and pseudomonads isolated from the oral cavity

This study evaluated the occurrence of enteric bacteria and pseudomonads resistant to tetracycline and beta-lactams in the oral cavity of patients exhibiting gingivitis (n=89); periodontitis (n=79), periodontally healthy (n=50) and wearing complete dentures (n=41). Microbial identification and presence of resistance markers associated with the production of beta-lactamases and tetracycline resistance were performed by using biochemical tests and PCR. Susceptibility tests were carried out in 201 isolates of enteric cocci and rods. Resistance to ampicillin, amoxicillin/clavulanic acid, imipenem, meropenem and tetracycline was detected in 57.4%, 34.6%, 2.4%, 1.9% and 36.5% of the isolates, respectively. beta-lactamase production was observed in 41.2% of tested microorganisms, while the most commonly found beta-lactamase genetic determinant was gene bla(TEM). Tetracycline resistance was disseminated and a wide scope of tet genes were detected in all studied microbial genus.

Applicazione della spettrometria di massa MALDI-TOF in microbiologia clinica

Riassunto La spettrometria di massa (MS) nata negli anni ’70 trova oggi, grazie alla tecnologia Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight (MALDI-TOF), importanti applicazioni in diversi settori: biotecnologico (per la caratterizzazione ed il controllo di qualità di proteine ricombinanti ed altre macromolecole), medico–clinico (per la diagnosi di laboratorio di malattie e per lo sviluppo di nuovi trattamenti terapeutici mirati), alimentare ed ambientale. Negli ultimi anni, questa tecnologia è diventata un potente strumento anche per la diagnosi di laboratorio in microbiologia clinica, rivoluzionando il flusso di lavoro per una rapida identificazione di batteri e funghi, sostituendo l’identificazione fenotipica convenzionale basata su saggi biochimici. Attualmente mediante MALDI-TOF MS sono possibili due diversi approcci per la caratterizzazione dei microrganismi: (1) confronto degli spettri (“mass spectra”) con banche dati contenenti profili di riferimento (“database fingerprints”) e (2) “matching” di bio-marcatori con banche dati proteomiche (“proteome database”). Recentemente, la tecnologia MALDI-TOF, oltre alla sua applicazione classica nell’identificazione di microrganismi, è stata utilizzata per individuare, indirettamente, meccanismi di resistenza agli antibiotici. Primo scopo di questo studio è stato verificare e dimostrare l’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF MS mediante approccio di comparazione degli spettri di differenti microrganismi di interesse medico per i quali l’identificazione risultava impossibile a causa della completa assenza o presenza limitata, di spettri di riferimento all’interno della banca dati commerciale associata allo strumento. In particolare, tale scopo è stato raggiunto per i batteri appartenenti a spirochete del genere Borrelia e Leptospira, a miceti filamentosi (dermatofiti) e protozoi (Trichomonas vaginalis). Secondo scopo di questo studio è stato valutare il secondo approccio identificativo basato sulla ricerca di specifici marcatori per differenziare parassiti intestinali di interesse medico per i quali non è disponibile una banca dati commerciale di riferimento e la sua creazione risulterebbe particolarmente difficile e complessa, a causa della complessità del materiale biologico di partenza analizzato e del terreno di coltura nei quali questi protozoi sono isolati. Terzo ed ultimo scopo di questo studio è stata la valutazione dell’applicabilità della spettrometria di massa con tecnologia MALDI-TOF per lo studio delle resistenze batteriche ai carbapenemi. In particolare, è stato messo a punto un saggio di idrolisi dei carbapenemi rilevata mediante MALDI-TOF MS in grado di determinare indirettamente la produzione di carbapenemasi in Enterobacteriaceae. L’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF mediante l’approccio di comparazione degli spettri è stata dimostrata in primo luogo per batteri appartenenti al genere Borrelia. La banca dati commerciale dello strumento MALDI-TOF MS in uso presso il nostro laboratorio includeva solo 3 spettri di riferimento appartenenti alle specie B. burgdorferi ss, B. spielmani e B. garinii. L’implementazione del “database” con specie diverse da quelle già presenti ha permesso di colmare le lacune identificative dovute alla mancanza di spettri di riferimento di alcune tra le specie di Borrelia più diffuse in Europa (B. afzelii) e nel mondo (come ad esempio B. hermsii, e B. japonica). Inoltre l’implementazione con spettri derivanti da ceppi di riferimento di specie già presenti nel “database” ha ulteriormente migliorato l’efficacia identificativa del sistema. Come atteso, il ceppo di isolamento clinico di B. lusitaniae (specie non presente nel “database”) è stato identificato solo a livello di genere corroborando, grazie all’assenza di mis-identificazione, la robustezza della “nuova” banca dati. I risultati ottenuti analizzando i profili proteici di ceppi di Borrelia spp. di isolamento clinico, dopo integrazione del “database” commerciale, indicano che la tecnologia MALDI-TOF potrebbe essere utilizzata come rapida, economica ed affidabile alternativa ai metodi attualmente utilizzati per identificare ceppi appartenenti a questo genere. Analogamente, per il genere Leptospira dopo la creazione ex-novo della banca dati “home-made”, costruita con i 20 spettri derivati dai 20 ceppi di riferimento utilizzati, è stata ottenuta una corretta identificazione a livello di specie degli stessi ceppi ri-analizzati in un esperimento indipendente condotto in doppio cieco. Il dendrogramma costruito con i 20 MSP-Spectra implementati nella banca dati è formato da due rami principali: il primo formato dalla specie non patogena L. biflexa e dalla specie a patogenicità intermedia L. fainei ed il secondo che raggruppa insieme le specie patogene L. interrogans, L. kirschneri, L. noguchii e L. borgpetersenii. Il secondo gruppo è ulteriormente suddiviso in due rami, contenenti rispettivamente L. borgpetersenii in uno e L. interrogans, L. kirschneri e L. noguchii nell’altro. Quest’ultimo, a sua volta, è suddiviso in due rami ulteriori: il primo comprendente la sola specie L. noguchii, il secondo le specie L. interrogans e L. kirshneri non separabili tra loro. Inoltre, il dendrogramma costruito con gli MSP-Spectra dei ceppi appartenenti ai generi Borrelia e Leptospira acquisiti in questo studio, e appartenenti al genere Brachyspira (implementati in un lavoro precedentemente condotto) mostra tre gruppi principali separati tra loro, uno per ogni genere, escludendo possibili mis-identificazioni tra i 3 differenti generi di spirochete. Un’analisi più approfondita dei profili proteici ottenuti dall’analisi ha mostrato piccole differenze per ceppi della stessa specie probabilmente dovute ai diversi pattern proteici dei distinti sierotipi, come confermato dalla successiva analisi statistica, che ha evidenziato picchi sierotipo-specifici. È stato, infatti, possibile mediante la creazione di un modello statistico dedicato ottenere un “pattern” di picchi discriminanti in grado di differenziare a livello di sierotipo sia i ceppi di L. interrogans sia i ceppi di L. borgpetersenii saggiati, rispettivamente. Tuttavia, non possiamo concludere che i picchi discriminanti da noi riportati siano universalmente in grado di identificare il sierotipo dei ceppi di L. interrogans ed L. borgpetersenii; i picchi trovati, infatti, sono il risultato di un’analisi condotta su uno specifico pannello di sierotipi. È stato quindi dimostrato che attuando piccoli cambiamenti nei parametri standardizzati come l’utilizzo di un modello statistico e di un programma dedicato applicato nella routine diagnostica è possibile utilizzare la spettrometria di massa MALDI-TOF per una rapida ed economica identificazione anche a livello di sierotipo. Questo può significativamente migliorare gli approcci correntemente utilizzati per monitorare l’insorgenza di focolai epidemici e per la sorveglianza degli agenti patogeni. Analogamente a quanto dimostrato per Borrelia e Leptospira, l’implementazione della banca dati dello spettrometro di massa con spettri di riferimento di miceti filamentosi (dermatofiti) si è rilevata di particolare importanza non solo per l’identificazione di tutte le specie circolanti nella nostra area ma anche per l’identificazione di specie la cui frequenza nel nostro Paese è in aumento a causa dei flussi migratori dalla zone endemiche (M. audouinii, T. violaceum e T. sudanense). Inoltre, l’aggiornamento del “database” ha consentito di superare la mis-identificazione dei ceppi appartenenti al complesso T. mentagrophytes (T. interdigitale e T. mentagrophytes) con T. tonsurans, riscontrata prima dell’implementazione della banca dati commerciale. Il dendrogramma ottenuto dai 24 spettri implementati appartenenti a 13 specie di dermatofiti ha rivelato raggruppamenti che riflettono quelli costruiti su base filogenetica. Sulla base dei risultati ottenuti mediante sequenziamento della porzione della regione ITS del genoma fungino non è stato possibile distinguere T. interdigitale e T. mentagrophytes, conseguentemente anche gli spettri di queste due specie presentavano picchi dello stesso peso molecoalre. Da sottolineare che il dendrogramma costruito con i 12 profili proteici già inclusi nel database commerciale e con i 24 inseriti nel nuovo database non riproduce l’albero filogenetico per alcune specie del genere Tricophyton: gli spettri MSP già presenti nel database e quelli aggiunti delle specie T. interdigitale e T. mentagrophytes raggruppano separatamente. Questo potrebbe spiegare le mis-identificazioni di T. interdigitale e T. mentagrophytes con T. tonsurans ottenute prima dell’implementazione del database. L’efficacia del sistema identificativo MALDI-TOF è stata anche dimostrata per microrganismi diversi da batteri e funghi per i quali la metodica originale è stata sviluppata. Sebbene tale sistema identificativo sia stato applicato con successo a Trichomonas vaginalis è stato necessario apportare modifiche nei parametri standard previsti per l’identificazione di batteri e funghi. Le interferenze riscontrate tra i profili proteici ottenuti per i due terreni utilizzati per la coltura di questo protozoo e per i ceppi di T. vaginalis hanno, infatti, reso necessario l’utilizzo di nuovi parametri per la creazione degli spettri di riferimento (MSP-Spectra). L’importanza dello sviluppo del nuovo metodo risiede nel fatto che è possibile identificare sulla base del profilo proteico (e non sulla base di singoli marcatori) microorganismi cresciuti su terreni complessi che potrebbero presentare picchi nell'intervallo di peso molecolare utilizzato a scopo identificativo: metaboliti, pigmenti e nutrienti presenti nel terreno possono interferire con il processo di cristallizzazione e portare ad un basso punteggio identificativo. Per T. vaginalis, in particolare, la “sottrazione” di picchi dovuti a molecole riconducibili al terreno di crescita utilizzato, è stata ottenuta escludendo dall'identificazione l'intervallo di peso molecolare compreso tra 3-6 kDa, permettendo la corretta identificazione di ceppi di isolamento clinico sulla base del profilo proteico. Tuttavia, l’elevata concentrazione di parassita richiesta (105 trofozoiti/ml) per una corretta identificazione, difficilmente ottenibile in vivo, ha impedito l’identificazione di ceppi di T. vaginalis direttamente in campioni clinici. L’approccio identificativo mediante individuazione di specifici marcatori proteici (secondo approccio identificativo) è stato provato ed adottato in questo studio per l’identificazione e la differenziazione di ceppi di Entamoeba histolytica (ameba patogena) ed Entamoeba dispar (ameba non patogena), specie morfologiacamente identiche e distinguibili solo mediante saggi molecolari (PCR) aventi come bersaglio il DNA-18S, che codifica per l’RNA della subunità ribosomiale minore. Lo sviluppo di tale applicazione ha consentito di superare l’impossibilità della creazione di una banca dati dedicata, a causa della complessità del materiale fecale di partenza e del terreno di coltura impiagato per l’isolamento, e di identificare 5 picchi proteici in grado di differenziare E. histolytica da E. dispar. In particolare, l’analisi statistica ha mostrato 2 picchi specifici per E. histolytica e 3 picchi specifici per E. dispar. L’assenza dei 5 picchi discriminanti trovati per E. histolytica e E. dispar nei profili dei 3 differenti terreni di coltura utilizzati in questo studio (terreno axenico LYI-S-2 e terreno di Robinson con e senza E. coli) permettono di considerare questi picchi buoni marcatori in grado di differenziare le due specie. La corrispondenza dei picchi con il PM di due specifiche proteine di E. histolytica depositate in letteratura (Amoebapore A e un “unknown putative protein” di E. histolytica ceppo di riferimento HM-1:IMSS-A) conferma la specificità dei picchi di E. histolytica identificati mediante analisi MALDI-TOF MS. Lo stesso riscontro non è stato possibile per i picchi di E. dispar in quanto nessuna proteina del PM di interesse è presente in GenBank. Tuttavia, va ricordato che non tutte le proteine E. dispar sono state ad oggi caratterizzate e depositate in letteratura. I 5 marcatori hanno permesso di differenziare 12 dei 13 ceppi isolati da campioni di feci e cresciuti in terreno di Robinson confermando i risultati ottenuti mediante saggio di Real-Time PCR. Per un solo ceppo di isolamento clinico di E. histolytica l’identificazione, confermata mediante sequenziamento della porzione 18S-rDNA, non è stata ottenuta mediante sistema MALDI-TOF MS in quanto non sono stati trovati né i picchi corrispondenti a E. histolytica né i picchi corrispondenti a E. dispar. Per questo ceppo è possibile ipotizzare la presenza di mutazioni geno/fenotipiche a livello delle proteine individuate come marcatori specifici per E. histolytica. Per confermare questa ipotesi sarebbe necessario analizzare un numero maggiore di ceppi di isolamento clinico con analogo profilo proteico. L’analisi condotta a diversi tempi di incubazione del campione di feci positivo per E. histolytica ed E. dipar ha mostrato il ritrovamento dei 5 picchi discriminanti solo dopo 12 ore dall’inoculo del campione nel terreno iniziale di Robinson. Questo risultato suggerisce la possibile applicazione del sistema MALDI-TOF MS per identificare ceppi di isolamento clinico di E. histolytica ed E. dipar nonostante la presenza di materiale fecale che materialmente può disturbare e rendere difficile l’interpretazione dello spettro ottenuto mediante analisi MALDI-TOF MS. Infine in questo studio è stata valutata l’applicabilità della tecnologia MALDI-TOF MS come saggio fenotipico rapido per la determinazione di ceppi produttori di carbapenemasi, verificando l'avvenuta idrolisi del meropenem (carbapeneme di riferimento utilizzato in questo studio) a contatto con i ceppi di riferimento e ceppi di isolamento clinico potenzialmente produttori di carbapenemasi dopo la messa a punto di un protocollo analitico dedicato. Il saggio di idrolisi del meropenem mediante MALDI-TOF MS ha dimostrato la presenza o l’assenza indiretta di carbapenemasi nei 3 ceppi di riferimento e nei 1219 (1185 Enterobacteriaceae e 34 non-Enterobacteriaceae) ceppi di isolamento clinico inclusi nello studio. Nessuna interferenza è stata riscontrata per i ceppi di Enterobacteriaceae variamente resistenti ai tre carbapenemi ma risultati non produttori di carbapenemasi mediante i saggi fenotipici comunemente impiegati nella diagnostica routinaria di laboratorio: nessuna idrolisi del farmaco è stata infatti osservata al saggio di idrolisi mediante MALDI-TOF MS. In un solo caso (ceppo di K. pneumoniae N°1135) è stato ottenuto un profilo anomalo in quanto presenti sia i picchi del farmaco intatto che quelli del farmaco idrolizzato. Per questo ceppo resistente ai tre carbapenemi saggiati, negativo ai saggi fenotipici per la presenza di carbapenemasi, è stata dimostrata la presenza del gene blaKPC mediante Real-Time PCR. Per questo ceppo si può ipotizzare la presenza di mutazioni a carico del gene blaKPC che sebbene non interferiscano con il suo rilevamento mediante PCR (Real-Time PCR positiva), potrebbero condizionare l’attività della proteina prodotta (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia negativi) riducendone la funzionalità come dimostrato, mediante analisi MALDI-TOF MS, dalla presenza dei picchi relativi sia all’idrolisi del farmaco sia dei picchi relativi al farmaco intatto. Questa ipotesi dovrebbe essere confermata mediante sequenziamento del gene blaKPC e successiva analisi strutturale della sequenza amminoacidica deducibile. L’utilizzo della tecnologia MALDI-TOF MS per la verifica dell’avvenuta idrolisi del maropenem è risultato un saggio fenotipico indiretto in grado di distinguere, al pari del test di Hodge modificato impiegato comunemente nella routine diagnostica in microbiologia, un ceppo produttore di carbapenemasi da un ceppo non produttore sia per scopi diagnostici che per la sorveglianza epidemiologica. L’impiego del MALDI-TOF MS ha mostrato, infatti, diversi vantaggi rispetto ai metodi convenzionali (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia) impiegati nella routine diagnostica di laboratorio i quali richiedono personale esperto per l’interpretazione del risultato e lunghi tempi di esecuzione e di conseguenza di refertazione. La semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questa tecnica un metodo accurato e rapido. Inoltre, il metodo risulta conveniente dal punto di vista economico, con un costo totale stimato di 1,00 euro per ceppo analizzato. Tutte queste considerazioni pongono questa metodologia in posizione centrale in ambito microbiologico anche nel caso del rilevamento di ceppi produttori di carbapenemasi. Indipendentemente dall’approccio identificativo utilizzato, comparato con i metodi convenzionali il MALDI-TOF MS conferisce in molti casi un guadagno in termini di tempo di lavoro tecnico (procedura pre-analititca per la preparazione dei campioni) e di tempo di ottenimento dei risultati (procedura analitica automatizzata). Questo risparmio di tempo si accentua quando sono analizzati in contemporanea un maggior numero di isolati. Inoltre, la semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questo un metodo di identificazione accurato e rapido risultando più conveniente anche dal punto di vista economico, con un costo totale di 0,50 euro (materiale consumabile) per ceppo analizzato. I risultati ottenuti dimostrano che la spettrometria di massa MALDI-TOF sta diventando uno strumento importante in microbiologia clinica e sperimentale, data l’elevata efficacia identificativa, grazie alla disponibilità sia di nuove banche dati commerciali sia di aggiornamenti delle stesse da parte di diversi utenti, e la possibilità di rilevare con successo anche se in modo indiretto le antibiotico-resistenze.

From community approaches to single-cell genomics: the discovery of ubiquitous hyperhalophilic Bacteroidetes generalists

The microbiota of multi-pond solar salterns around the world has been analyzed using a variety of culture-dependent and molecular techniques. However, studies addressing the dynamic nature of these systems are very scarce. Here we have characterized the temporal variation during 1 year of the microbiota of five ponds with increasing salinity (from 18% to >40%), by means of CARD-FISH and DGGE. Microbial community structure was statistically correlated with several environmental parameters, including ionic composition and meteorological factors, indicating that the microbial community was dynamic as specific phylotypes appeared only at certain times of the year. In addition to total salinity, microbial composition was strongly influenced by temperature and specific ionic composition. Remarkably, DGGE analyses unveiled the presence of most phylotypes previously detected in hypersaline systems using metagenomics and other molecular techniques, such as the very abundant Haloquadratum and Salinibacter representatives or the recently described low GC Actinobacteria and Nanohaloarchaeota. In addition, an uncultured group of Bacteroidetes was present along the whole range of salinity. Database searches indicated a previously unrecognized widespread distribution of this phylotype. Single-cell genome analysis of five members of this group suggested a set of metabolic characteristics that could provide competitive advantages in hypersaline environments, such as polymer degradation capabilities, the presence of retinal-binding light-activated proton pumps and arsenate reduction potential. In addition, the fairly high metagenomic fragment recruitment obtained for these single cells in both the intermediate and hypersaline ponds further confirm the DGGE data and point to the generalist lifestyle of this new Bacteroidetes group.

Bulk sediment characteristics and geomicrobiology of sediment core 5022-1J from Laguna Potrok Aike, southern Patagonia

Living microorganisms inhabit every environment of the biosphere but only in the last decades their importance governing biochemical cycles in deep sediments has been widely recognized. Most investigations have been accomplished in the marine realm whereas there is a clear paucity of comparable studies in lacustrine sediments. One of the main challenges is to define geomicrobiological proxies that can be used to identify different microbial signals in the sediments. Laguna Potrok Aike, a maar lake located in Southeastern Patagonia, has an annually not stratifying cold water column with temperatures ranging between 4 and 10 °C, and most probably an anoxic water/sediment interface. These unusual features make it a peculiar and interesting site for geomicrobiological studies. Living microbial activity within the sediments was inspected by the first time in a sedimentary core retrieved during an ICDP-sponsored drilling operation. The main goals to study this cold subsaline environment were to characterize the living microbial consortium; to detect early diagenetic signals triggered by active microbes; and to investigate plausible links between climate and microbial populations. Results from a meter long gravity core suggest that microbial activity in lacustrine sediments can be sustained deeper than previously thought due to their adaptation to both changing temperature and oxygen availability. A multi-proxy study of the same core allowed defining past water column conditions and further microbial reworking of the organic fraction within the sediments. Methane content shows a gradual increase with depth as a result of the fermentation of methylated substrates, first methanogenic pathway to take place in the shallow subsurface of freshwater and subsaline environments. Statistical analyses of DGGE microbial diversity profiles indicate four clusters for Bacteria reflecting layered communities linked to the oxidant type whereas three clusters characterize Archaea communities that can be linked to both denitrifiers and methanogens. Independent sedimentary and biological proxies suggest that organic matter production and/or preservation have been lower during the Medieval Climate Anomaly (MCA) coinciding with a low microbial colonization of the sediments. Conversely, a reversed trend with higher organic matter content and substantial microbial activity characterizes the sediments deposited during the Little Ice Age (LIA). Thus, the initial sediments deposited during distinctive time intervals under contrasting environmental conditions have to be taken into account to understand their impact on the development of microbial communities throughout the sediments and their further imprint on early diagenetic signals.

Descripción del análisis microbológico realizado mediante maldi-tof en muestras de la fundación santa fe de Bogotá.

Introducción: La rápida detección e identificación bacteriana es fundamental para el manejo de los pacientes críticos que presentan una patología infecciosa, esto requiere de métodos rápidos para el inicio de un correcto tratamiento. En Colombia se usan pruebas microbiología convencional. No hay estudios de espectrofotometría de masas en análisis de muestras de pacientes críticos en Colombia. Objetivo general: Describir la experiencia del análisis microbiológico mediante la tecnología MALDI-TOF MS en muestras tomadas en la Fundación Santa Fe de Bogotá. Materiales y Métodos: Entre junio y julio de 2013, se analizaron 147 aislamientos bacterianos de muestras clínicas, las cuales fueron procesadas previamente por medio del sistema VITEK II. Los aislamientos correspondieron a 88 hemocultivos (60%), 28 urocultivos (19%), y otros cultivos 31 (21%). Resultados: Se obtuvieron 147 aislamientos con identificación adecuada a nivel de género y/o especie así: en el 88.4% (130 muestras) a nivel de género y especie, con una concordancia del 100% comparado con el sistema VITEK II. El porcentaje de identificación fue de 66% en el grupo de bacilos gram negativos no fermentadores, 96% en enterobacterias, 100% en gérmenes fastidiosos, 92% en cocos gram positivos, 100% bacilos gram negativos móviles y 100% en levaduras. No se encontró ninguna concordancia en bacilos gram positivos y gérmenes del genero Aggregatibacter. Conclusiones: El MALDI-TOF es una prueba rápida para la identificación microbiológica de género y especie que concuerda con los resultados obtenidos de manera convencional. Faltan estudios para hacer del MALDI-TOF MS la prueba oro en identificación de gérmenes.

Preliminary identification of dehalogenation specificities exhibited by dehalorespiring bacteria from a marine microbial community

The ability of a previously PCB-enriched microbial culture from Venice Lagoon marine sediments to dechlorinate pentachlorophenol (PCP) and 2,3,5-trichlorophenol (2,3,5-TCP) was confirmed under anaerobic conditions in microcosms consisting of site water and sediment. Dechlorination activities against Aroclor 1254 PCB mixture were also confirmed as control. Pentachlorophenol was degraded to 2,4,6-TCP (75.92±0.85 mol%), 3,5-DCP (6.40±0.75 mol%), and phenol (15.40±0.87 mol%). From the distribution of the different dechlorination products accumulated in the PCP-spiked cultures over time, two dechlorination pathways for PCP were proposed: (i) PCP to 2,3,4,6-TeCP, then to 2,4,6-TCP through the removal of both meta double-flanked chlorine substituents (main pathway); (ii) alternately, PCP to 2,3,5,6-TeCP, 2,3,5-TCP, 3,5-DCP, then phenol, through the removal of the para double-flanked chlorine, followed by ortho single-flanked chlorines, and finally meta unflanked chlorines (minor pathway). Removal of meta double-flanked chlorines is thus preferred over all other substituents. 2,3,5-TCP, that completely lacks double-flanked chlorines, was degraded to 3,5-DCP through removal of the ortho single-flanked chlorine, with a 99.6% reduction in initial concentration of 2,3,5-TCP by week 14. 16S rRNA PCR-DGGE using Chloroflexi-specific primers revealed a different role of the two microorganisms VLD-1 and VLD-2, previously identified as dechlorinators in the Aroclor 1254 PCB-enriched community, in the dehalogenation of chlorophenols. VLD-1 was observed both in PCP- and TCP-dechlorinating communities, whereas VLD-2 only in TCP-dechlorinating communities. This indicates that VLD-1 and VLD-2 may both dechlorinate ortho single-flanked chlorines, but only VLD-1 is able to remove double-flanked meta or para chlorines.

PCR-DGGE analysis of intestinal bacteria and effect of Bacillus spp. on intestinal microbial diversity in kuruma shrimp (Marsupenaeus japonicus)

In this study, the intestinal microbiota of kuruma shrimp (Marsupenaeus japonicus) was examined by molecular analysis of the 16S rDNA to identify the dominant intestinal bacteria and to investigate the effects of Bacillus spp. on intestinal microbial diversity. Samples of the intestines of kuruma shrimp fed normal feed and Bacillus spp. amended feed. PCR and denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) analyses were then performed on DNA extracted directly from the guts. Population fingerprints of the predominant organisms were generated by DGGE analysis of the universal V3 16S rDNA amplicons, and distinct bands in the gels were sequenced. The results suggested that the gut of kuruma shrimp was dominated by Vibrio sp. and uncultured gamma proteobacterium. Overall, the results of this study suggest that PCR-DGGE is a possible method of studying the intestinal microbial diversity of shrimp.