The effects of environmental factors on biomass and microcystin production by the freshwater cyanobacterial genera Microcystis and Anabaena

Several cyanobacterial genera produce the hepatotoxins, microcystins. Microcystins are produced only in cells that have microcystin synthetase gene (mcy) clusters, which encode enzyme complexes involved in microcystin biosynthesis. Microcystin-producing and nonmicrocystin-producing genotypes of single cyanobacterial genus may occur simultaneously in situ. Previously, the effects of environmental factors on the growth and microcystin production of cyanobacteria have mainly been studied by means of isolated cyanobacteria cultures in the laboratory. Studies in the field have been difficult, owing to the lack of methods to identify and quantify the different genotypes. In this study, genus-specific microcystin synthetase E (mcyE) gene primers were designed and a method to identify and quantify the mcyE copy numbers was developed and used in situ. Microcystis and Anabaena mcyE genes were observed in two Finnish lakes. Microcystis appeared to be the most abundant microcystin producer in Lake Tuusulanjärvi and in one basin of Lake Hiidenvesi. Because the most potent microcystin-producing genus of a lake can be identified, it will be possible in the future to design genus-targeted strategies for lake restoration. Effects of P and N concentrations on the biomass of microcystin-producing and nonmicrocystin-producing Microcystis strains and an Anabaena strain were studied in cultures. P and N concentrations and their combined effect increased cyanobacterial biomass of all Microcystis strains. The biomass of microcystin-producing Microcystis was higher than that of nonmicrocystin-producing strains at high nutrient concentrations. The P concentration increased Anabaena biomass, but the effect of N concentration was statistically insignificant for growth yield, probably due to the ability of the genus to fix molecular N2. P and N concentrations and combined nutrients caused an increase in cellular microcystin concentrations of the Microcystis strain cultivated in chemostat cultures. Cyanobacteria are able to hydrolyse nutrients from organic matter through extracellular enzyme activities. Leucine aminopeptidase (LAP) activity was observed in an axenic N2-fixing Anabaena strain grown in batch cultures. The P concentration caused a statistically significant increase in LAP activity, whereas the effect of N concentration was insignificant. The highest LAP activities were observed in the most eutrophic basins of Lake Hiidenvesi. LAP activity probably originated mostly from attached heterotrophic bacteria and less from cyanobacteria.

Genetic diversity and microcystin production by Anabaena in the Gulf of Finland, Baltic Sea

Syanobakteerit (sinilevät) ovat olleet Itämeressä koko nykymuotoisen Itämeren ajan, sillä paleolimnologiset todisteet niiden olemassaolosta Itämeren alueella ovat noin 7000 vuoden takaa. Syanobakteerien massaesiintymät eli kukinnat ovat kuitenkin sekä levinneet laajemmille alueille että tulleet voimakkaimmiksi viimeisten vuosikymmenien aikana. Tähän on osasyynä ihmisten aiheuttama kuormitus, joka rehevöittää Itämerta. Suomenlahti, jota tämä tutkimus käsittelee, on kärsinyt tästä rehevöitymiskehityksestä muita Itämeren altaita enemmän. Syanobakteerit muodostavat jokakesäisiä kukintoja Suomenlahdella - niin sen avomerialueilla kuin rannoillakin. Yleisimmät kukintoja muodostavat syanobakteerisuvut ovat Nodularia, Anabaena ja Aphanizomenon. Kukinnat aiheuttavat paitsi esteettistä haittaa myös terveydellisen riskitekijän. Niiden myrkyllisyys liitetään usein Nodularia-suvun tuottamaan nodulariini-maksamyrkkyyn. Itämeren Aphanizomenon-suvun on todettu olevan myrkytön. Vaikka Itämeren kukintoja aiheuttavista Nodularia- ja Aphanizomenon-syanobakteereista tiedetään varsin paljon, on molekyylimenetelmiin pohjautuva syanobakteeritutkimus ohittanut Itämeren Anabaena-suvun monelta osin. Tämän työn tarkoituksena oli syventää käsitystämme Itämeren Anabaena-syanobakteerista, sen mahdollisesta myrkyllisyydestä, geneettisestä monimuotoisuudesta ja fylogeneettisista sukulaisuussuhteista. Tässä työssä eristettiin 49 planktista Anabaena-kantaa, joista viisi tuottivat mikrokystiinejä. Tämä oli ensimmäinen yksiselitteinen todiste, että Itämeren Anabaena tuottaa maksamyrkyllisiä mikrokystiini-yhdisteitä. Jokainen eristetty myrkyllinen Anabaena-kanta tuotti useita mikrokystiini-variantteja. Lisäksi mikrokystiinejä löydettiin kukintanäytteistä, joissa oli myrkkyä syntetisoivia geenejä sisältäneitä Anabaena-syanobakteereita. Myrkkyjä löydettiin molempina tutkimusvuosina 2003 ja 2004. Myrkkyjen esiintyminen ei siten ollut vain yksittäinen ilmiö. Tässä työssä saimme viitteitä siitä, että maksamyrkyllinen Anabaena-syanobakteeri esiintyisi vähäsuolaisissa vesissä. Tämä riippuvuussuhde jää kuitenkin tulevien tutkimuksien selvitettäväksi. Tässä työssä havaittiin mikrokystiinisyntetaasi-geenien inaktivoituminen Itämeren Anabaena-kannassa ja kukintanäytteissä. Kuvasimme Anabaena-kannan mikrokystiinisyntetaasigeenien sisältä insertioita, jotka hyvin todennäköisesti inaktivoivat myrkyntuoton. Insertion sisältäneeltä kannalta löysimme kuitenkin kaikki mikrokystiinisyntetaasigeenit osoittaen, että geenien olemassaolo ei välttämättä varmista kannan mikrokystiinintuottoa. Mielenkiintoista oli se, että inaktivaation aiheuttavia insertioita löytyi kukintanäytteistä molemmilta tutkimusvuosilta. Vastaavia insertioita ei kuitenkaan löydetty makean veden Anabaena-kannoista tai järvinäytteistä. On yleistä, että syanobakteerikukinnoista löytyy usean syanobakteerisuvun edustajia. Myrkyllisiä sukuja tai lajeja ei voida kuitenkaan erottaa mikroskooppisesti myrkyttömistä. Käsillä olevassa tutkimuksessa kehitettiin molekyylimenetelmä, jolla on mahdollista määrittää kukinnan mahdollisesti maksamyrkylliset syanobakteerisuvut. Tätä menetelmää sovellettiin Itämeren kukintojen tutkimiseen. Itämeren pintavesistä ja ranta-alueiden pohjasta eristetyt Anabaena-kannat osoittautuivat geneettisesti monimuotoisiksi. Tämä Anabaena-syanobakteerien geneettinen monimuotoisuus vahvistettiin monistamalla geenejä suoraan kukintanäytteistä ilman kantojen eristystä. Makeiden vesien ja Itämeren Anabaena-kannat ovat geneettisesti hyvin samankaltaisia. Geneettisissä vertailuissa kävi kuitenkin ilmi, että pohjassa elävien Anabaena-kantojen geneettinen monimuotoisuus oli suurempaa kuin pintavesistä eristettyjen kantojen. Itämeren Anabaena-kantojen sekvenssit muodostivat omia ryhmiä sukupuun sisällä, jolloin on mahdollista, että nämä edustavat Itämeren omia Anabaena-ekotyyppejä. Tämä tutkimus oli ensimmäinen, jossa uusin molekyylimenetelmin systemaattisesti selvitettiin Itämeren Anabaena-syanobakteerin geneettistä populaatiorakennetta, fylogeniaa ja myrkyntuottoa. Tulevaisuudessa monitorointitutkimuksissa on otettava huomioon myös Itämeren Anabaena-syanobakteerin mahdollinen maksamyrkyntuotto – erityisesti vähäsuolaisemmilla rannikkovesillä.

Pentitol phosphate dehydrogenases: Discovery, characterization and use in D-arabitol and xylitol production by metabolically engineered Bacillus subtilis

The ultimate goal of this study has been to construct metabolically engineered microbial strains capable of fermenting glucose into pentitols D-arabitol and, especially, xylitol. The path that was chosen to achieve this goal required discovery, isolation and sequencing of at least two pentitol phosphate dehydrogenases of different specificity, followed by cloning and expression of their genes and characterization of recombinant arabitol and xylitol phosphate dehydrogenases. An enzyme of a previously unknown specificity, D-arabitol phosphate dehydrogenase (APDH), was discovered in Enterococcus avium. The enzyme was purified to homogenity from E. avium strain ATCC 33665. SDS/PAGE revealed that the enzyme has a molecular mass of 41 ± 2 kDa, whereas a molecular mass of 160 ± 5 kDa was observed under non-denaturing conditions implying that the APDH may exist as a tetramer with identical subunits. Purified APDH was found to have narrow substrate specificity, converting only D-arabitol 1-phosphate and D-arabitol 5-phosphate into D-xylulose 5-phosphate and D-ribulose 5-phosphate, respectively, in the oxidative reaction. Both NAD+ and NADP+ were accepted as co-factors. Based on the partial protein sequences, the gene encoding APDH was cloned. Homology comparisons place APDH within the medium chain dehydrogenase family. Unlike most members of this family, APDH requires Mn2+ but no Zn2+ for enzymatic activity. The DNA sequence surrounding the gene suggests that it belongs to an operon that also contains several components of phosphotransferase system (PTS). The apparent role of the enzyme is to participate in arabitol catabolism via the arabitol phosphate route similar to the ribitol and xylitol catabolic routes described previously. Xylitol phosphate dehydrogenase (XPDH) was isolated from Lactobacillus rhamnosus strain ATCC 15820. The enzyme was partially sequenced. Amino acid sequences were used to isolate the gene encoding the enzyme. The homology comparisons of the deduced amino acid sequence of L. rhamnosus XPDH revealed several similar enzymes in genomes of various species of Gram-positive bacteria. Two enzymes of Clostridium difficile and an enzyme of Bacillus halodurans were cloned and their substrate specificities together with the substrate specificity of L. rhamnosus XPDH were compared. It was found that one of the XPDH enzymes of C. difficile and the XPDH of L. rhamnosus had the highest selectivity towards D-xylulose 5-phosphate. A known transketolase-deficient and D-ribose-producing mutant of Bacillus subtilis (ATCC 31094) was further modified by disrupting its rpi (D-ribose phosphate isomerase) gene to create D-ribulose- and D-xylulose-producing strain. Expression of APDH of E. avium and XPDH of L. rhamnosus and C. difficile in D-ribulose- and D-xylulose-producing strain of B. subtilis resulted in strains capable of converting D-glucose into D-arabitol and xylitol, respectively. The D-arabitol yield on D-glucose was 38 % (w/w). Xylitol production was accompanied by co-production of ribitol limiting xylitol yield to 23 %.

Improving outcome of childhood bacterial meningitis by simplified treatment : Experience from Angola

Background Acute bacterial meningitis (BM) continues to be an important cause of childhood mortality and morbidity, especially in developing countries. Prognostic scales and the identification of risk factors for adverse outcome both aid in assessing disease severity. New antimicrobial agents or adjunctive treatments - except for oral glycerol - have essentially failed to improve BM prognosis. A retrospective observational analysis found paracetamol beneficial in adult bacteraemic patients, and some experts recommend slow β-lactam infusion. We examined these treatments in a prospective, double-blind, placebo-controlled clinical trial. Patients and methods A retrospective analysis included 555 children treated for BM in 2004 in the infectious disease ward of the Paediatric Hospital of Luanda, Angola. Our prospective study randomised 723 children into four groups, to receive a combination of cefotaxime infusion or boluses every 6 hours for the first 24 hours and oral paracetamol or placebo for 48 hours. The primary endpoints were 1) death or severe neurological sequelae (SeNeSe), and 2) deafness. Results In the retrospective study, the mortality of children with blood transfusion was 23% (30 of 128) vs. without blood transfusion 39% (109 of 282; p=0.004). In the prospective study, 272 (38%) of the children died. Of those 451 surviving, 68 (15%) showed SeNeSe, and 12% (45 of 374) were deaf. Whereas no difference between treatment groups was observable in primary endpoints, the early mortality in the infusion-paracetamol group was lower, with the difference (Fisher s exact test) from the other groups at 24, 48, and 72 hours being significant (p=0.041, 0.0005, and 0.005, respectively). Prognostic factors for adverse outcomes were impaired consciousness, dyspnoea, seizures, delayed presentation, and absence of electricity at home (Simple Luanda Scale, SLS); the Bayesian Luanda Scale (BLS) also included abnormally low or high blood glucose. Conclusions New studies concerning the possible beneficial effect of blood transfusion, and concerning longer treatment with cefotaxime infusion and oral paracetamol, and a study to validate our simple prognostic scales are warranted.