On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

Ultrasensitive reporter protein detection in genetically engineered bacteria.

We demonstrate the use of laser-induced fluorescence confocal spectroscopy to measure analyte-stimulated enhanced green fluorescent protein (egfp) synthesis by genetically modified Escherichia coli bioreporter cells. Induction is measured in cell lysates and, since the spectroscopic focal volume is approximately the size of one bioreporter cell, also in individual live bacteria. This is, to our knowledge, the first ever proof-of-concept work utilizing instrumentation with single-molecule detection capability to monitor bioreporter response. Although we use arsenic inducible bioreporters here, the method is extensible to gfp/egfp bioreporters that are responsive to other substances.

Intracellular bacteria and adverse pregnancy outcomes.

Clin Microbiol Infect 2011; 17: 1312-1322 ABSTRACT: This review considers the role of intracellular bacteria in adverse pregnancy outcomes, such as miscarriage, stillbirths, and preterm labour. The cause of miscarriage, stillbirth and preterm labour often remains unexplained. Intracellular bacteria that grow either poorly or not at all on media used routinely to detect human pathogens could be the aetiological agents of these obstetric conditions. For example, Listeria monocytogenes and Coxiella burnetti are intracellular bacteria that have a predilection for the fetomaternal unit and may induce fatal disease in the mother and/or fetus. Both are important foodborne or zoonotic pathogens in pregnancy. Preventive measures, diagnostic tools and treatment will be reviewed. Moreover, we will also address the importance in adverse pregnancy outcomes of other intracellular bacteria, including Brucella abortus and various members of the order Chlamydiales. Indeed, there is growing evidence that Chlamydia trachomatis, Chlamydia abortus and Chlamydia pneumoniae infections may also result in adverse pregnancy outcomes in humans and/or animals. Moreover, newly discovered Chlamydia-like organisms have recently emerged as new pathogens of both animals and humans. For example, Waddlia chondrophila, a Chlamydia-related bacterium isolated from aborted bovine fetuses, has also been implicated in human miscarriages. Future research should help us to better understand the pathophysiology of adverse pregnancy outcomes caused by intracellular bacteria and to determine the precise mode of transmission of newly identified bacteria, such as Waddlia and Parachlamydia. These emerging pathogens may represent the tip of the iceberg of a large number of as yet unknown intracellular pathogenic agents.

Physiology and transcriptome of the polycyclic aromatic hydrocarbon-degrading Sphingomonas sp. LH128 after long-term starvation.

The survival, physiology and gene expression profile of the phenanthrene-degrading Sphingomonas sp. LH128 was examined after an extended period of complete nutrient starvation and compared with a non-starved population that had been harvested in exponential phase. After 6 months of starvation in an isotonic solution, only 5 % of the initial population formed culturable cells. Microscopic observation of GFP fluorescent cells, however, suggested that a larger fraction of cells (up to 80 %) were still alive and apparently had entered a viable but non-culturable (VBNC) state. The strain displayed several cellular and genetic adaptive strategies to survive long-term starvation. Flow cytometry, microscopic observation and fatty acid methyl ester (FAME) analysis showed a reduction in cell size, a change in cell shape and an increase in the degree of membrane fatty acid saturation. Transcriptome analysis showed decreased expression of genes involved in ribosomal protein biosynthesis, chromosomal replication, cell division and aromatic catabolism, increased expression of genes involved in regulation of gene expression and efflux systems, genetic translocations, and degradation of rRNA and fatty acids. Those phenotypic and transcriptomic changes were not observed after 4 h of starvation. Despite the starvation situation, the polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) catabolic activity was immediate upon exposure to phenanthrene. We conclude that a large fraction of cells maintain viability after an extended period of starvation apparently due to tuning the expression of a wide variety of cellular processes. Due to these survival attributes, bacteria of the genus Sphingomonas, like strain LH128, could be considered as suitable targets for use in remediation of nutrient-poor PAH-contaminated environments.

Hydrocarbon biomarkers in the Topla-Mezica zinc-lead deposits, northern Karavanke/Drau Range, Slovenia: Paleoenvironment at the site of ore formation

The Mississippi Valley-type zinc and lead deposits at Topla (250,150 metric tons (t) of ore grading 1.0 wt % Zn and 3.3 wt % Pb) and Mezica (19 million metric tons (Mt) of ore grading 5.3 wt % Pb and 2.7 wt % Zn) occur within the Middle to Upper Triassic platform carbonate rocks of the northern Karavanke/Drau Range geotectonic units of the Eastern Alps, Slovenia. The ore and host rocks of these deposits have been investigated by a combination of inorganic and organic geochemical methods to determine major, trace, and rare earth element (REE) concentrations, hydrocarbon distribution, and stable isotope ratios of carbonates, kerogen, extractable organic matter, and individual hydrocarbons. These data combined with sedimentological evidence provide insight into the paleoenvironmental conditions at the site of ore formation. The carbonate isotope composition, the REE patterns, and the distribution of hydrocarbon biomarkers (normal alkanes and steranes) suggest a marine depositional environment. At Topla, a relatively high concentration of redox sensitive trace elements (V, Mo, U) in the host dolostones and REE patterns parallel to that of the North American shale composite suggest that sediments were deposited in a reducing environment. Anoxic conditions enhanced the preservation of organic matter and resulted in relatively higher total organic carbon contents (up to 0.4 wt %). The isotopic composition of the kerogen (delta C-13(kerogon) = -29.4 to -25.0 parts per thousand, delta N-15(kerogen) = -.13.6 to 6.8 parts per thousand) suggests that marine algae and/or bacteria were the main source of organic carbon with a very minor contribution from detrital continental plants and a varying degree of alteration. Extractable organic matter from Topla ore is generally depleted in C-13 compared to the associated kerogen, which is consistent with an indigenous source of the bitumens. The mineralization correlates with delta N-15(kerogen) values around 0 per mil, C-13 depleted kerogen, C-13 enriched n-heptadecane, and relatively high concentrations of bacteria] hydrocarbon biomarkers, indicating a high cyanobacterial biomass at the site of ore formation. Abundant dissimilatory sulfate-reducing bacteria, feeding on the cyanobacterial remains, led to accumulation of biogenic H2S in the pore water of the sediments. This biogenic H2S was mainly incorporated into sedimentary organic matter and diagenetic pyrite. Higher bacterial activity at the ore site also is indicated by specific concentration ratios of hydrocarbons, which are roughly correlated with total Pb plus Zn contents. This correlation is consistent with mixing of hydrothermal metal-rich, fluids and local bacteriogenic sulfide sulfur. The new geochemical data provide supporting evidence that Topla is a low-temperature Mississippi Valley-type deposit formed in an anoxic supratidal saline to hypersaline environment. A laminated cyanobacterial mat, with abundant sulfate-reducing bacteria was the main site of sulfate reduction.

The Role of Secretory Immunoglobulin A in the Natural Sensing of Commensal Bacteria by Mouse Peyer's Patch Dendritic Cells.

The mammalian gastrointestinal (GI) tract harbors a diverse population of commensal species collectively known as the microbiota, which interact continuously with the host. From very early in life, secretory IgA (SIgA) is found in association with intestinal bacteria. It is considered that this helps to ensure self-limiting growth of the microbiota and hence participates in symbiosis. However, the importance of this association in contributing to the mechanisms ensuring natural host-microorganism communication is in need of further investigation. In the present work, we examined the possible role of SIgA in the transport of commensal bacteria across the GI epithelium. Using an intestinal loop mouse model and fluorescently labeled bacteria, we found that entry of commensal bacteria in Peyer's patches (PP) via the M cell pathway was mediated by their association with SIgA. Preassociation of bacteria with nonspecific SIgA increased their dynamics of entry and restored the reduced transport observed in germ-free mice known to have a marked reduction in intestinal SIgA production. Selective SIgA-mediated targeting of bacteria is restricted to the tolerogenic CD11c(+)CD11b(+)CD8(-) dendritic cell subset located in the subepithelial dome region of PPs, confirming that the host is not ignorant of its resident commensals. In conclusion, our work supports the concept that SIgA-mediated monitoring of commensal bacteria targeting dendritic cells in the subepithelial dome region of PPs represents a mechanism whereby the host mucosal immune system controls the continuous dialogue between the host and commensal bacteria.

A quorum sensing small volatile molecule promotes antibiotic tolerance in bacteria.

Bacteria can be refractory to antibiotics due to a sub-population of dormant cells, called persisters that are highly tolerant to antibiotic exposure. The low frequency and transience of the antibiotic tolerant "persister" trait has complicated elucidation of the mechanism that controls antibiotic tolerance. In this study, we show that 2' Amino-acetophenone (2-AA), a poorly studied but diagnostically important small, volatile molecule produced by the recalcitrant gram-negative human pathogen Pseudomonas aeruginosa, promotes antibiotic tolerance in response to quorum-sensing (QS) signaling. Our results show that 2-AA mediated persister cell accumulation occurs via alteration of the expression of genes involved in the translational capacity of the cell, including almost all ribosomal protein genes and other translation-related factors. That 2-AA promotes persisters formation also in other emerging multi-drug resistant pathogens, including the non 2-AA producer Acinetobacter baumannii implies that 2-AA may play an important role in the ability of gram-negative bacteria to tolerate antibiotic treatments in polymicrobial infections. Given that the synthesis, excretion and uptake of QS small molecules is a common hallmark of prokaryotes, together with the fact that the translational machinery is highly conserved, we posit that modulation of the translational capacity of the cell via QS molecules, may be a general, widely distributed mechanism that promotes antibiotic tolerance among prokaryotes.

Intestinal bacteria condition dendritic cells to promote IgA production.

Immunoglobulin (Ig) A represents the predominant antibody isotype produced at the intestinal mucosa, where it plays an important role in limiting the penetration of commensal intestinal bacteria and opportunistic pathogens. We show in mice that Peyer's Patch-derived dendritic cells (PP-DC) exhibit a specialized phenotype allowing the promotion of IgA production by B2 cells. This phenotype included increased expression of the retinaldehyde dehydrogenase 1 (RALDH1), inducible nitric oxide synthase (iNOS), B cell activating factor of the tumor necrosis family (BAFF), a proliferation-inducing ligand (APRIL), and receptors for the neuropeptide vasoactive intestinal peptide (VIP). The ability of PP-DC to promote anti-CD40 dependent IgA was partially dependent on retinoic acid (RA) and transforming growth factor (TGF)-beta, whilst BAFF and APRIL signaling were not required. Signals delivered by BAFF and APRIL were crucial for CD40 independent IgA production, although the contribution of B2 cells to this pathway was minimal. The unique ability of PP-DC to instruct naïve B cells to differentiate into IgA producing plasma cells was mainly imparted by the presence of intestinal commensal bacteria, and could be mimicked by the addition of LPS to the culture. These data indicate that exposure to pathogen-associated molecular patterns present on intestinal commensal bacteria condition DC to express a unique molecular footprint that in turn allows them to promote IgA production.

Systemic antibody responses to gut commensal bacteria during chronic HIV-1 infection.

BACKGROUND: Human systemic antibody responses to commensal microbiota are not well characterised during health and disease. Of particular interest is the analysis of their potential modulation caused by chronic HIV-1 infection which is associated with sustained enteropathy and systemic B cell disturbances reflected by impaired B cell responses and chronic B cell hyperactivity. The mechanisms underlying B cell hyperactivation and the specificities of the resulting hypergammaglobulinaemia are only poorly understood. METHODS: By a technique referred to as live bacterial FACS (fluorescence-activated cell sorting), the present study investigated systemic antibody responses to several gut and skin commensal bacteria as well as Candida albicans in longitudinal plasma and serum samples from healthy donors, chronic HIV-1-infected individuals with or without diarrhoea and patients with inflammatory bowel disease (IBD). RESULTS: The data show that systemic antibody responses to the commensal microbiota were abundantly present in humans and remained remarkably stable over years. Overall systemic antibody responses to gut commensal bacteria were not affected during chronic HIV-1 infection, with titres decreasing when normalised to elevated plasma immunoglobulin G (IgG) levels found in patients with HIV. In contrast, increases in the titres of high affinity antimicrobiota antibodies were detected in patients with IBD, demonstrating that conditions with known increased intestinal permeability and aberrant mutualism can induce changes in antibody titres observed in these assays. CONCLUSION: Neither HIV-associated enteropathy nor B cell dysfunction impact on the high-affinity systemic antibody responses to gut commensal bacteria. HIV-associated hypergammaglobulinaemia is therefore unlikely to be driven by induction of antimicrobiota antibodies.

Escherichia coli variants in periprosthetic joint infection: diagnostic challenges with sessile bacteria and sonication.

The diagnostic yield of prosthetic joint-associated infection is hampered by the phenotypic change of bacteria into a sessile and resistant form, also called biofilm. With sonication, adherent bacteria can be dislodged from the prosthesis. Species identification may be difficult because of their variations in phenotypic appearance and biochemical reaction. We have studied the phenotypic, genotypic, and biochemical properties of Escherichia coli variants isolated from a periprosthetic joint infection. The strains were collected from synovial fluid, periprosthetic tissue, and fluid from the explanted and sonicated prosthesis. Isolates from synovial fluid revealed a normal phenotype, whereas a few variants from periprosthetic tissue and all isolates from sonication fluid showed different morphological features (including small-colony variants). All isolates from sonication fluid were beta-galactosidase negative and nonmotile; most were indole negative. Because of further variations in biochemical properties, species identification was false or not possible in 50% of the isolates included in this study. In contrast to normal phenotypes, variants were resistant to aminoglycosides. Typing of the isolates using pulsed-field gel electrophoresis yielded nonidentical banding patterns, but all strains were assigned to the same clonal origin when compared with 207 unrelated E. coli isolates. The bacteria were repeatedly passaged on culture media and reanalyzed. Thereafter, most variants reverted to normal phenotype and regained their motility and certain biochemical properties. In addition, some variants displayed aminoglycoside susceptibility after reversion. Sonication of an explanted prosthesis allows insight into the lifestyle of bacteria in biofilms. Since sonication fluid also reveals dislodged sessile forms, species identification of such variants may be misleading.

JNK3 is abundant in insulin-secreting cells and protects against cytokine-induced apoptosis.

AIMS/HYPOTHESIS: In insulin-secreting cells, activation of the c-Jun NH(2)-terminal kinase (JNK) pathway triggers apoptosis. Whereas JNK1 and JNK2 are ubiquitously produced, JNK3 has been described exclusively in neurons. This report aims to characterise the expression and role in apoptosis of the three JNK isoforms in insulin-secreting cells exposed to cytokines. METHODS: Sections of human and mouse pancreases were used for immunohistochemistry studies with isoform-specific anti-JNK antibodies. Human, pig, mouse and rat pancreatic islets were isolated by enzymatic digestion and RNA or protein extracts were prepared. RNA and protein levels were determined by quantitative RT-PCR and western blotting respectively, using JNK-isoform-specific primers and isoform-specific antibodies; activities of the three JNK isoforms were determined by kinase assays following quantitative immunoprecipitation/depletion of JNK3. JNK silencing was performed with small interfering RNAs and apoptotic rates were determined in INS-1E cells by scoring cells displaying pycnotic nuclei. RESULTS: JNK3 and JNK2 mRNAs are the predominant isoforms expressed in human pancreatic islets. JNK3 is nuclear while JNK2 is also cytoplasmic. In INS-1E cells, JNK3 knockdown increases c-Jun levels and caspase-3 cleavage and sensitises cells to cytokine-induced apoptosis; in contrast, JNK1 or JNK2 knockdown is protective. CONCLUSIONS/INTERPRETATION: In insulin-secreting cells, JNK3 plays an active role in preserving pancreatic beta cell mass from cytokine attacks. The specific localisation of JNK3 in the nucleus, its recruitment by cytokines, and its effects on key transcription factors such as c-Jun, indicate that JNK3 is certainly an important player in the transcriptional control of genes expressed in insulin-secreting cells.

Granular layer in the periplasmic space of gram-positive bacteria and fine structures of Enterococcus gallinarum and Streptococcus gordonii septa revealed by cryo-electron microscopy of vitreous sections.

High-resolution structural information on optimally preserved bacterial cells can be obtained with cryo-electron microscopy of vitreous sections. With the help of this technique, the existence of a periplasmic space between the plasma membrane and the thick peptidoglycan layer of the gram-positive bacteria Bacillus subtilis and Staphylococcus aureus was recently shown. This raises questions about the mode of polymerization of peptidoglycan. In the present study, we report the structure of the cell envelope of three gram-positive bacteria (B. subtilis, Streptococcus gordonii, and Enterococcus gallinarum). In the three cases, a previously undescribed granular layer adjacent to the plasma membrane is found in the periplasmic space. In order to better understand how nascent peptidoglycan is incorporated into the mature peptidoglycan, we investigated cellular regions known to represent the sites of cell wall production. Each of these sites possesses a specific structure. We propose a hypothetic model of peptidoglycan polymerization that accommodates these differences: peptidoglycan precursors could be exported from the cytoplasm to the periplasmic space, where they could diffuse until they would interact with the interface between the granular layer and the thick peptidoglycan layer. They could then polymerize with mature peptidoglycan. We report cytoplasmic structures at the E. gallinarum septum that could be interpreted as cytoskeletal elements driving cell division (FtsZ ring). Although immunoelectron microscopy and fluorescence microscopy studies have demonstrated the septal and cytoplasmic localization of FtsZ, direct visualization of in situ FtsZ filaments has not been obtained in any electron microscopy study of fixed and dehydrated bacteria.

Detection of live and antibiotic-killed bacteria by quantitative real-time PCR of specific fragments of ribosomal RNA

RÉSUMÉ Le but d'un traitement antimicrobien est d'éradiquer une infection bactérienne. Cependant, il est souvent difficile d'en évaluer rapidement l'efficacité en utilisant les techniques standard. L'estimation de la viabilité bactérienne par marqueurs moléculaires permettrait d'accélérer le processus. Ce travail étudie donc la possibilité d'utiliser le RNA ribosomal (rRNA) à cet effet. Des cultures de Streptococcus gordonii sensibles (parent Wt) et tolérants (mutant Tol 1) à l'action bactéricide de la pénicilline ont été exposées à différents antibiotiques. La survie bactérienne au cours du temps a été déterminée en comparant deux méthodes. La méthode de référence par compte viable a été comparée à une méthode moléculaire consistant à amplifier par PCR quantitative en temps réel une partie du génome bactérien. La cible choisie devait refléter la viabilité cellulaire et par conséquent être synthétisée de manière constitutive lors de la vie de la bactérie et être détruite rapidement lors de la mort cellulaire. Le choix s'est porté sur un fragment du gène 16S-rRNA. Ce travail a permis de valider ce choix en corrélant ce marqueur moléculaire à la viabilité bactérienne au cours d'un traitement antibiotique bactéricide. De manière attendue, les S. gordonii sensibles à la pénicilline ont perdu ≥ 4 log10 CFU/ml après 48 heures de traitement par pénicilline alors que le mutant tolérant Tol1 en a perdu ≥ 1 log10 CFU/ml. De manière intéressant, la quantité de marqueur a augmenté proportionnellement au compte viable durant la phase de croissance bactérienne. Après administration du traitement antibiotique, l'évolution du marqueur dépendait de la capacité de la bactérie à survivre à l'action de l'antibiotique. Stable lors du traitement des souches tolérantes, la quantité de marqueur détectée diminuait de manière proportionnelle au compte viable lors du traitement des souches sensibles. Cette corrélation s'est confirmée lors de l'utilisation d'autres antibiotiques bactéricides. En conclusion, l'amplification par PCR du RNA ribosomal 16S permet d'évaluer rapidement la viabilité bactérienne au cours d'un traitement antibiotique en évitant le recours à la mise en culture dont les résultats ne sont obtenus qu'après plus de 24 heures. Cette méthode offre donc au clinicien une évaluation rapide de l'efficacité du traitement, particulièrement dans les situations, comme le choc septique, où l'initiation sans délai d'un traitement efficace est une des conditions essentielles du succès thérapeutique. ABSTRACT Assessing bacterial viability by molecular markers might help accelerate the measurement of antibiotic-induced killing. This study investigated whether ribosomal RNA (rRNA) could be suitable for this purpose. Cultures of penicillin-susceptible and penicillin-tolerant (Tol1 mutant) Streptococcus gordonii were exposed to mechanistically different penicillin and levofloxacin. Bacterial survival was assessed by viable counts, and compared to quantitative real-time PCR amplification of either the 16S-rRNA genes (rDNA) or the 16S rRNA, following reverse transcription. Penicillin-susceptible S. gordonii lost ≥ 4 log10 CFU/ml of viability over 48 h of penicillin treatment. In comparison, the Toll mutant lost ≤ 1 log10 CFU/ml. Amplification of a 427-base fragment of 16S rDNA yielded amplicons that increased proportionally to viable counts during bacterial growth, but did not decrease during drug-induced killing. In contrast, the same 427-base fragment amplified from 16S rDNA paralleled both bacterial growth and drug-induced killing. It also differentiated between penicillin-induced killing of the parent and the Toll mutant (≥4 log10 CFU/ml and ≤1 lo10 CFU/ml, respectively), and detected killing by mechanistically unrelated levofloxacin. Since large fragments of polynucleotides might be degraded faster than smaller fragments the experiments were repeated by amplifying a 119-base region internal to the origina1 427-base fragment. The amount of 119-base amplicons increased proportionally to viability during growth, but remained stable during drug treatment. Thus, 16S rRNA was a marker of antibiotic-induced killing, but the size of the amplified fragment was critical to differentiate between live and dead bacteria.

Where microbiology meets microengineering: design and applications of reporter bacteria.

Bacteria have long been the targets for genetic manipulation, but more recently they have been synthetically designed to carry out specific tasks. Among the simplest of these tasks is chemical compound and toxicity detection coupled to the production of a quantifiable reporter signal. In this Review, we describe the current design of bacterial bioreporters and their use in a range of assays to measure the presence of harmful chemicals in water, air, soil, food or biological specimens. New trends for integrating synthetic biology and microengineering into the design of bacterial bioreporter platforms are also highlighted.

Field testing of arsenic in groundwater samples of Bangladesh using a test kit based on lyophilized bioreporter bacteria.

A test kit based on living, lyophilized bacterial bioreporters emitting bioluminescence as a response to arsenite and arsenate was applied during a field campaign in six villages across Bangladesh. Bioreporter field measurements of arsenic in groundwater from tube wells were in satisfying agreement with the results of spectroscopic analyses of the same samples conducted in the lab. The practicability of the bioreporter test in terms of logistics and material requirements, suitability for high sample throughput, and waste disposal was much better than that of two commercial chemical test kits that were included as references. The campaigns furthermore demonstrated large local heterogeneity of arsenic in groundwater, underscoring the use of well switching as an effective remedy to avoid high arsenic exposure.