A new green fluorescent protein-based bacterial biosensor for analysing phenanthrene fluxes.

The polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH)-degrading strain Burkholderia sp. RP007 served as host strain for the design of a bacterial biosensor for the detection of phenanthrene. RP007 was transformed with a reporter plasmid containing a transcriptional fusion between the phnS putative promoter/operator region and the gene encoding the enhanced green fluorescent protein (GFP). The resulting bacterial biosensor--Burkholderia sp. strain RP037--produced significant amounts of GFP after batch incubation in the presence of phenanthrene crystals. Co-incubation with acetate did not disturb the phenanthrene-specific response but resulted in a homogenously responding population of cells. Active metabolism was required for induction with phenanthrene. The magnitude of GFP induction was influenced by physical parameters affecting the phenanthrene flux to the cells, such as the contact surface area between solid phenanthrene and the aqueous phase, addition of surfactant, and slow phenanthrene release from Model Polymer Release System beads or from a water-immiscible oil. These results strongly suggest that the bacterial biosensor can sense different phenanthrene fluxes while maintaining phenanthrene metabolism, thus acting as a genuine sensor for phenanthrene bioavailability. A relationship between GFP production and phenanthrene mass transfer is proposed.

Quantitative proteomics identifies the membrane-associated peroxidase GPx8 as a cellular substrate of the hepatitis C virus NS3-4A protease.

The hepatitis C virus (HCV) NS3-4A protease is not only an essential component of the viral replication complex and a prime target for antiviral intervention but also a key player in the persistence and pathogenesis of HCV. It cleaves and thereby inactivates two crucial adaptor proteins in viral RNA sensing and innate immunity, mitochondrial antiviral signaling protein (MAVS) and TRIF, a phosphatase involved in growth factor signaling, T-cell protein tyrosine phosphatase (TC-PTP), and the E3 ubiquitin ligase component UV-damaged DNA-binding protein 1 (DDB1). Here we explored quantitative proteomics to identify novel cellular substrates of the NS3-4A protease. Cell lines inducibly expressing the NS3-4A protease were analyzed by stable isotopic labeling using amino acids in cell culture (SILAC) coupled with protein separation and mass spectrometry. This approach identified the membrane-associated peroxidase GPx8 as a bona fide cellular substrate of the HCV NS3-4A protease. Cleavage by NS3-4A occurs at Cys 11, removing the cytosolic tip of GPx8, and was observed in different experimental systems as well as in liver biopsies from patients with chronic HCV. Overexpression and RNA silencing studies revealed that GPx8 is involved in viral particle production but not in HCV entry or RNA replication. Conclusion: We provide proof-of-concept for the use of quantitative proteomics to identify cellular substrates of a viral protease and describe GPx8 as a novel proviral host factor targeted by the HCV NS3-4A protease. (Hepatology 2014;59:423-433).

A fluorescent hormone biosensor reveals the dynamics of jasmonate signalling in plants.

Activated forms of jasmonic acid (JA) are central signals coordinating plant responses to stresses, yet tools to analyse their spatial and temporal distribution are lacking. Here we describe a JA perception biosensor termed Jas9-VENUS that allows the quantification of dynamic changes in JA distribution in response to stress with high spatiotemporal sensitivity. We show that Jas9-VENUS abundance is dependent on bioactive JA isoforms, the COI1 co-receptor, a functional Jas motif and proteasome activity. We demonstrate the utility of Jas9-VENUS to analyse responses to JA in planta at a cellular scale, both quantitatively and dynamically. This included using Jas9-VENUS to determine the cotyledon-to-root JA signal velocities on wounding, revealing two distinct phases of JA activity in the root. Our results demonstrate the value of developing quantitative sensors such as Jas9-VENUS to provide high-resolution spatiotemporal data about hormone distribution in response to plant abiotic and biotic stresses.

Multi-analyte detection for biological fluids. Towards continous monitoring of glucose, ionized calcium and pH using a viscometric affinity biosensor.

We present a viscometric affinity biosensor that can potentially allow continuous multi-analyte monitoring in biological fluids like blood or plasma. The sensing principle is based on the detection of viscosity changes of a polymeric solution which has a selective affinity for the analyte of interest. The chemico-mechanical sensor incorporates an actuating piezoelectric diaphragm, a sensing piezoelectric diaphragm and a flow-resisting microchannel for viscosity detection. A free-standing Anodic Alumina Oxide (AAO) porous nano-membrane is used as selective interface. A glucose-sensitive sensor was fabricated and extensively assessed in buffer solution. The sensor reversibility, stability and sensitivity were excellent during at least 65 hours. Results showed also a good degree of stability for a long term measurement (25 days). The sensor behaviour was furthermore tested in fetal bovine serum (FBS). The obtained results for glucose sensing are very promising, indicating that the developed sensor is a candidate for continuous monitoring in biological fluids. Sensitive solutions for ionized calcium and pH are currently under development and should allow multi-analyte sensing in the near future.

Miniaturized bacterial biosensor system for arsenic detection holds great promise for making integrated measurement device.

Combining bacterial bioreporters with microfluidics systems holds great promise for in-field detection of chemical or toxicity targets. Recently we showed how Escherichia coli cells engineered to produce a variant of green fluorescent protein after contact to arsenite and arsenate can be encapsulated in agarose beads and incorporated into a microfluidic chip to create a device for in-field detection of arsenic, a contaminant of well known toxicity and carcinogenicity in potable water both in industrialized and developing countries. Cell-beads stored in the microfluidics chip at -20°C retained inducibility up to one month and we were able to reproducibly discriminate concentrations of 10 and 50 μg arsenite per L (the drinking water standards for European countries and the United States, and for the developing countries, respectively) from the blank in less than 200 minutes. We discuss here the reasons for decreasing bioreporter signal development upon increased storage of cell beads but also show how this decrease can be reduced, leading to a faster detection and a longer lifetime of the device.

An automated microreactor for semi-continuous biosensor measurements.

Living bacteria or yeast cells are frequently used as bioreporters for the detection of specific chemical analytes or conditions of sample toxicity. In particular, bacteria or yeast equipped with synthetic gene circuitry that allows the production of a reliable non-cognate signal (e.g., fluorescent protein or bioluminescence) in response to a defined target make robust and flexible analytical platforms. We report here how bacterial cells expressing a fluorescence reporter ("bactosensors"), which are mostly used for batch sample analysis, can be deployed for automated semi-continuous target analysis in a single concise biochip. Escherichia coli-based bactosensor cells were continuously grown in a 13 or 50 nanoliter-volume reactor on a two-layered polydimethylsiloxane-on-glass microfluidic chip. Physiologically active cells were directed from the nl-reactor to a dedicated sample exposure area, where they were concentrated and reacted in 40 minutes with the target chemical by localized emission of the fluorescent reporter signal. We demonstrate the functioning of the bactosensor-chip by the automated detection of 50 μgarsenite-As l(-1) in water on consecutive days and after a one-week constant operation. Best induction of the bactosensors of 6-9-fold to 50 μg l(-1) was found at an apparent dilution rate of 0.12 h(-1) in the 50 nl microreactor. The bactosensor chip principle could be widely applicable to construct automated monitoring devices for a variety of targets in different environments.

Endothelial mineralocorticoid receptor activation mediates endothelial dysfunction in diet-induced obesity.

AIMS: Aldosterone plays a crucial role in cardiovascular disease. 'Systemic' inhibition of its mineralocorticoid receptor (MR) decreases atherosclerosis by reducing inflammation and oxidative stress. Obesity, an important cardiovascular risk factor, is an inflammatory disease associated with increased plasma aldosterone levels. We have investigated the role of the 'endothelial' MR in obesity-induced endothelial dysfunction, the earliest stage in atherogenesis. METHODS AND RESULTS: C57BL/6 mice were exposed to a normal chow diet (ND) or a high-fat diet (HFD) alone or in combination with the MR antagonist eplerenone (200 mg/kg/day) for 14 weeks. Diet-induced obesity impaired endothelium-dependent relaxation in response to acetylcholine, whereas eplerenone treatment of obese mice prevented this. Expression analyses in aortic endothelial cells isolated from these mice revealed that eplerenone attenuated expression of pro-oxidative NADPH oxidase (subunits p22phox, p40phox) and increased expression of antioxidative genes (glutathione peroxidase-1, superoxide dismutase-1 and -3) in obesity. Eplerenone did not affect obesity-induced upregulation of cyclooxygenase (COX)-1 or prostacyclin synthase. Endothelial-specific MR deletion prevented endothelial dysfunction in obese (exhibiting high 'endogenous' aldosterone) and in 'exogenous' aldosterone-infused lean mice. Pre-incubation of aortic rings from aldosterone-treated animals with the COX-inhibitor indomethacin restored endothelial function. Exogenous aldosterone administration induced endothelial expression of p22phox in the presence, but not in the absence of the endothelial MR. CONCLUSION: Obesity-induced endothelial dysfunction depends on the 'endothelial' MR and is mediated by an imbalance of oxidative stress-modulating mechanisms. Therefore, MR antagonists may represent an attractive therapeutic strategy in the increasing population of obese patients to decrease vascular dysfunction and subsequent atherosclerotic complications.

Force-induced globule-coil transition in laminin binding protein and its role for viral-cell membrane fusion.

The specific interactions of the pairs laminin binding protein (LBP)-purified tick-borne encephalitis viral surface protein E and certain recombinant fragments of this protein, as well as West Nile viral surface protein E and certain recombinant fragments of that protein, are studied by combined methods of single-molecule dynamic force spectroscopy (SMDFS), enzyme immunoassay and optical surface waves-based biosensor measurements. The experiments were performed at neutral pH (7.4) and acid pH (5.3) conditions. The data obtained confirm the role of LBP as a cell receptor for two typical viral species of the Flavivirus genus. A comparison of these data with similar data obtained for another cell receptor of this family, namely human αVβ3 integrin, reveals that both these receptors are very important. Studying the specific interaction between the cell receptors in question and specially prepared monoclonal antibodies against them, we could show that both interaction sites involved in the process of virus-cell interaction remain intact at pH 5.3. At the same time, for these acid conditions characteristic for an endosome during flavivirus-cell membrane fusion, SMDFS data reveal the existence of a force-induced (effective already for forces as small as 30-70 pN) sharp globule-coil transition for LBP and LBP-fragments of protein E complexes. We argue that this conformational transformation, being an analog of abrupt first-order phase transition and having similarity with the famous Rayleigh hydrodynamic instability, might be indispensable for the flavivirus-cell membrane fusion process. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.

Differential contribution of mitochondria, NADPH oxidases, and glycolysis to region-specific oxidant stress in the anoxic-reoxygenated embryonic heart.

The ability of the developing myocardium to tolerate oxidative stress during early gestation is an important issue with regard to possible detrimental consequences for the fetus. In the embryonic heart, antioxidant defences are low, whereas glycolytic flux is high. The pro- and antioxidant mechanisms and their dependency on glucose metabolism remain to be explored. Isolated hearts of 4-day-old chick embryos were exposed to normoxia (30 min), anoxia (30 min), and hyperoxic reoxygenation (60 min). The time course of ROS production in the whole heart and in the atria, ventricle, and outflow tract was established using lucigenin-enhanced chemiluminescence. Cardiac rhythm, conduction, and arrhythmias were determined. The activity of superoxide dismutase, catalase, gutathione reductase, and glutathione peroxidase as well as the content of reduced and oxidized glutathione were measured. The relative contribution of the ROS-generating systems was assessed by inhibition of mitochondrial complexes I and III (rotenone and myxothiazol), NADPH oxidases (diphenylene iodonium and apocynine), and nitric oxide synthases (N-monomethyl-l-arginine and N-iminoethyl-l-ornithine). The effects of glycolysis inhibition (iodoacetate), glucose deprivation, glycogen depletion, and lactate accumulation were also investigated. In untreated hearts, ROS production peaked at 10.8 ± 3.3, 9 ± 0.8, and 4.8 ± 0.4 min (means ± SD; n = 4) of reoxygenation in the atria, ventricle, and outflow tract, respectively, and was associated with arrhythmias. Functional recovery was complete after 30-40 min. At reoxygenation, 1) the respiratory chain and NADPH oxidases were the main sources of ROS in the atria and outflow tract, respectively; 2) glucose deprivation decreased, whereas glycogen depletion increased, oxidative stress; 3) lactate worsened oxidant stress via NADPH oxidase activation; 4) glycolysis blockade enhanced ROS production; 5) no nitrosative stress was detectable; and 6) the glutathione redox cycle appeared to be a major antioxidant system. Thus, the glycolytic pathway plays a predominant role in reoxygenation-induced oxidative stress during early cardiogenesis. The relative contribution of mitochondria and extramitochondrial systems to ROS generation varies from one region to another and throughout reoxygenation.

Resistance to oxidative stress is associated with metastasis in mucocutaneous leishmaniasis.

Mucocutaneous leishmaniasis (MCL) in South and Central America is characterized by the dissemination (metastasis) of Leishmania Viannia subgenus parasites from a cutaneous lesion to nasopharyngeal tissues. Little is known about the pathogenesis of MCL, especially with regard to the virulence of the parasites and the process of metastatic dissemination. We previously examined the functional relationship between cytoplasmic peroxiredoxin and metastatic phenotype using highly, infrequently, and nonmetastatic clones isolated from an L. (V.) guyanensis strain previously shown to be highly metastatic in golden hamsters. Distinct forms of cytoplasmic peroxiredoxin were identified and found to be associated with the metastatic phenotype. We report here that peroxidase activity in the presence of hydrogen peroxide and infectivity differs between metastatic and nonmetastatic L. (V.) guyanensis clones. After hydrogen peroxide treatment or heat shock, peroxiredoxin was detected preferentially as dimers in metastatic L. (V.) guyanensis clones and in L. (V.) panamensis strains from patients with MCL, compared with nonmetastatic parasites. These data provide evidence that resistance to the first microbicidal response of the host cell by Leishmania promastigotes is linked to peroxiredoxin conformation and may be relevant to intracellular survival and persistence, which are prerequisites for the development of metastatic disease.

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.

Dibenzofuran degradation by Sphingomonas wittichii RW1 under environmental stresses

Sphingomonas wittichii is a gram-negative Alpha-proteobacterium, capable of degrading xenobiotic compounds such as dibenzofuran (DBF), dibenzo-p-dioxin, carbazole, 2-hydroxybiphenyl or nitro diphenyl ether herbicides. The metabolism of strain RW1 has been the subject of previous studies and a number of genes involved in DBF degradation have been characterized. It is known that RW1 posseses a unique initial DBF dioxygenase (encoded by the dxnAl gene) that catalyzes the first step in the degradation pathway. None of the organisms known to be able to degrade DBF have a similar dioxygenase, the closest match being the DBF dioxygenase from Rhodococcus sp. with an overall amino acid similarity of 45%. Genes participating in the conversion of the metabolite salicylate via the ortho-cleavage pathway to TCA cycle intermediates were identified as well. Apart from this scarce information, however, there is a lack of global knowledge on the genes that are involved in DBF degradation by strain RW1 and the influence of environmental stresses on DBF-dependent global gene expression. A global analysis is necessary, because it may help to better understand the behaviour of the strain under field conditions and suggest improvements for the current bioaugmentation practice. Chapter 2 describes the results of whole-genome analysis to characterize the genes involved in DBF degradation by RW1. Micro-array analysis allowed us to detect differences in gene transcription when strain RW1 was exposed to DBF. This was complemented by ultra-high throughput sequencing of mutants no longer capable of growing on salicylate and DBF. Some of the genes of the ortho-cleavage pathway were induced 2 to 4 times in the presence of DBF, as well as the initial DBF dioxygenase. However two gene clusters, named 4925 and 5102 were induced up to 19 times in response to DBF induction. The cluster 4925 is putatively participating in a meta-cleavage pathway while the cluster 5102 might be part of a gentisate pathway. The three pathways, ortho-cleavage, meta-cleavage and gentisate pathway seem to be active in parallel when strain RW1 is exposed to DBF, presenting evidence for a redundancy of genes for DBF degradation in the genome of RW1. Chapter 3 focuses on exploiting genetic tools to construct bioreporters representative for DBF degradation in RW1. A set of basic tools for genetic manipulation in Sphingomonas wittichii RW1 was tested and optimized. Both plasmids and mini-transposons were evaluated for their ability to be maintained in RW1 with or without antibiotic selection pressure, and for their ability to lead to fluorescent protein expression in strain RW1 from a constitutive promoter. Putative promoter regions of three of the previously found DBF-induced genes (Swit_4925, Swit_5102 and Swit_4897-dxnAl) were then used to construct eg/^-bioreporters in RW1. Chapter 4 describes the use of the constructed RW1-based bioreporter strains for examining the expression of the DBF degradation pathway genes under microcosm conditions. The bioreporter strains were first exposed to different carbon sources in liquid culture to calibrate the egfp induction. Contrary to our expectations from micro-array analysis only the construct with the promoter from gene cluster 4925 responded to DBF, whereas the other two constructs did not show specific induction with DBF. The response from the bioreporters was subsequently tested for sensitivity to water stress, given that this could have an important impact in soils. Exposure to liquid cultures with decreasing water potential, achieved by NaCl or PEG addition to the growth media, showed that eGFP expression in RW1 from the promoter regions 4925 and 5102 was not directly influenced by water stress, but only through an overall reduction in growth rate. In contrast, expression of eGFP from the dxnAl or an uspA promoter was also directly dependent on the extent of water stress. The RW1 with the 4925 construct was subsequently used in soil microcosms to evaluate DBF bioavailability to the cells in presence or absence of native microbiota or other contaminated material. We found that RW1 could grow on DBF added to soil, but bioreporter expression suggested that competition with native microbiota for DBF intermediates may limit its ability to proliferate to a maximum. Chapter 5 describes the results from the experiments carried out to more specifically detect genes of RW1 that might be implicated in water stress resistance. Hereto we created transposon mutagenesis libraries in RW1, either with a classical mini-Tn5 or with a variant that would express egfp when the transposon would insert in a gene induced under water stress. Classical mutant libraries were screened by replica plating under high and low water stress conditions (achieved by adding NaCl to the agar medium). In addition, we screened for smaller microcolonies formed by mutants in agarose beads that could be analized with flow cytometry. A number of mutants impaired to grow on NaCl-supplemented media were recovered and the transposon insertion sites sequenced. In a second procedure we screened by flow cytometry for mutants with a higher eGFP production after exposure to growth medium with higher NaCl concentrations. Mutants from both libraries rarely overlapped. Discovered gene functions of the transposon insertions pointed to compatible solute synthesis (glutamate and proline), cell membrane synthesis and modification of cell membrane composition. The results obtained in the present study give us a more complete picture of the mechanisms of DBF degradation by S. wittichii RW1, how it reacts to different DBF availability and how the DBF catabolic activity may be affected by the conditions found in contaminated environments. - Sphingomonas wittichii est une alpha-protéobactérie gram-négative, capable de dégrader des composés xénobiotiques tels que le dibenzofurane (DBF), la dibenzo-p-dioxine, le carbazole, le 2-hydroxybiphényle ou les herbicides dérivés du nitro-diphényléther. Le métabolisme de la souche RW1 a fait l'objet d'études antérieures et un certain nombre de gènes impliqués dans la dégradation du DBF ont été caractérisés. Il est connu que RW1 possède une unique dioxygénase DBF initiale (codée par le gène dxnAl) qui catalyse la première étape de la voie de dégradation. Aucun des organismes connus pour être capables de dégrader le DBF n'a de dioxygénase similaire. L'enzyme la plus proche étant la DBF dioxygénase de Rhodococcus sp. avec 45% d'acides aminés conservés. Les gènes qui participent à la transformation du salicylate en métabolites intermédiaires du cycle de Krebs par la voie ort/io-cleavage ont aussi été identifiés. Outre ces informations lacunaires, il y a un manque de connaissances sur l'ensemble des gènes impliqués dans la dégradation du DBF par la souche RW1 ainsi que l'effet des stress environnementaux sur l'expression génétique globale, en présence du DBF. Une analyse globale est nécessaire, car elle peut aider à mieux comprendre le comportement de la souche dans les conditions de terrain et de proposer des améliorations pour l'utilisation de la bio-augmentation comme technique de bio-remédiation. Le chapitre 2 décrit les résultats de l'analyse du génome pour caractériser les gènes impliqués dans la dégradation du DBF par RW1. Une analyse de micro-arrays nous a permis de détecter des différences dans la transcription des gènes lorsque la souche RW1 a été exposée au DBF. L'analyse a été complétée par le criblage à ultra-haut débit de mutants qui n'étaient plus capables de croître avec le salicylate ou le DBF comme seule source de carbone. Certains des gènes de la voie ortho-cleavage, dont la DBF dioxygénase initiale, ont xî été induits 2 à 4 fois, en présence du DBF. Cependant, deux groupes de gènes, nommés 4925 et 5102 ont été induits jusqu'à 19 fois en réponse au DBF. Le cluster 4925 participe probablement dans une voie de meta-cleavage tandis que le cluster 5102 pourrait faire partie d'une voie du gentisate. Les trois voies, ortho-cleavage, meta-cleavage et la voie du gentisate semblent être activées en parallèle lorsque la souche RW1 est exposée au DBF, ce qui représente une redondance de voies pour la dégradation du DBF dans le génome de RW1. Le chapitre 3 se concentre sur l'exploitation des outils génétiques pour la construction de biorapporteurs de la dégradation du DBF par RW1. Un ensemble d'outils de base pour la manipulation génétique dans Sphingomonas wittichii RW1 a été testé et optimisé. Deux plasmides et mini-transposons ont été évalués pour leur capacité à être maintenu dans RW1 avec ou sans pression de sélection par des antibiotiques, et pour leur capacité à exprimer la protéine fluorescente verte (eGFP) dans la souche RW1. Les trois promoteurs des gènes Swit_4925, Swit_5102 et Swit_4897 (dxnAl), induits en réponse au DBF, ont ensuite été utilisés pour construire des biorapporteurs dans RW1. Le chapitre 4 décrit l'utilisation des souches biorapportrices construites pour l'analyse de l'expression des gènes de la voie de dégradation du DBF dans des microcosmes avec différents types de sols. Les souches biorapportrices ont d'abord été exposées à différentes sources de carbone en cultures liquides afin de calibrer l'induction de la eGFP. La construction avec le promoteur du gène 4925 a permis une réponse au DBF. Mais contrairement à nos attentes, basées sur les résultats de l'analyse des micro-arrays, les deux autres constructions n'ont pas montré d'induction spécifique au DBF. La réponse des biorapporteurs a ensuite été testée pour la sensibilité au stress hydrique, étant donné que cela pourrait avoir un impact important dans les microcosmes. La diminution du potentiel hydrique en culture liquide est obtenue par addition de NaCl ou de PEG au milieu de croissance. Nous avons montré que l'expression de la eGFP contrôlée par les promoteurs 4925 et 5102 n'était pas directement influencée par le stress hydrique, mais seulement par une réduction globale des taux de croissance. En revanche, l'expression de la eGFP dépendante des promoteurs dxnAl et uspA était aussi directement dépendante de l'ampleur du stress hydrique. La souche avec la construction 4925 a été utilisée par la suite dans des microcosmes avec différents types de sols pour évaluer la biodisponibilité du DBF en présence ou absence des microbes indigènes et d'autres composés contaminants. Nous avons constaté que RW1 pouvait se développer si le DBF a été ajouté au sol, mais l'expression de la eGFP par le biorapporteur suggère que la compétition avec la microbiota indigène pour les métabolites intermédiaires du DBF peut limiter sa capacité à proliférer de manière optimale. Le chapitre 5 décrit les résultats des expériences réalisées afin de détecter spécifiquement les gènes de RW1 qui pourraient être impliquées dans la résistance au stress hydrique. Ici on a crée des bibliothèques de mutants de RW1 par transposon, soit avec un mini-Tn5 classique ou avec une variante qui exprime la eGFP lorsque le transposon s'insère dans un gène induit par le stress hydrique. Les bibliothèques de mutants ont été criblées par la méthode classique de repiquage sur boîtes, dans des conditions de stress hydrique élevé (obtenu par l'addition de NaCl dans les boîtes). En outre, nous avons criblé des micro¬colonies dans des billes d'agarose qui ont pu être analysées par cytométrie de flux. Un certain nombre de mutants déficients à croître sur des milieux supplémentés avec du NaCl ont été isolés et les sites d'insertion du transposon séquencés. Dans une deuxième procédure nous avons criblé par cytométrie de flux des mutants avec une production de eGFP supérieure, après exposition à un milieu de croissance avec une concentration élevée de NaCl. Les mutants obtenus dans les deux bibliothèques n'étaient pas similaires. Les fonctions des gènes où se trouvent les insertions de transposons sont impliqués dans la synthèse de solutés compatibles (glutamate et de la proline), dans la synthèse de la membrane cellulaire et dans la modification de la composition de la membrane cellulaire. Les résultats obtenus dans la présente étude nous donnent une image plus complète des mécanismes de dégradation du DBF par S. wittichii RW1, comment cette souche réagit à la disponibilité du DBF et comment l'activité catabolique peut être affectée par les conditions rencontrées dans des environnements contaminés.

Copper, selenium, zinc, and thiamine balances during continuous venovenous hemodiafiltration in critically ill patients.

BACKGROUND: Acute renal failure is a serious complication in critically ill patients and frequently requires renal replacement therapy, which alters trace element and vitamin metabolism. OBJECTIVE: The objective was to study trace element balances during continuous renal replacement therapy (CRRT) in intensive care patients. DESIGN: In a prospective randomized crossover trial, patients with acute renal failure received CRRT with either sodium bicarbonate (Bic) or sodium lactate (Lac) as a buffering agent over 2 consecutive 24-h periods. Copper, selenium, zinc, and thiamine were measured with highly sensitive analytic methods in plasma, replacement solutions, and effluent during 8-h periods. Balances were calculated as the difference between fluids administered and effluent losses and were compared with the recommended intakes (RI) from parenteral nutrition. RESULTS: Nineteen sessions were conducted in 11 patients aged 65 +/- 10 y. Baseline plasma concentrations of copper were normal, whereas those of selenium and zinc were below reference ranges; glutathione peroxidase was in the lower range of normal. The replacement solutions contained no detectable copper, 0.01 micromol Se/L (Bic and Lac), and 1.42 (Bic) and 0.85 (Lac) micromol Zn/L. Micronutrients were detectable in all effluents, and losses were stable in each patient; no significant differences were found between the Bic and Lac groups. The 24-h balances were negative for selenium (-0.97 micromol, or 2 times the daily RI), copper (-6.54 micromol, or 0.3 times the daily RI), and thiamine (-4.12 mg, or 1.5 times the RI) and modestly positive for zinc (20.7 micromol, or 0.2 times the RI). CONCLUSIONS: CRRT results in significant losses and negative balances of selenium, copper, and thiamine, which contribute to low plasma concentrations. Prolonged CRRT is likely to result in selenium and thiamine depletion despite supplementation at recommended amounts.

Recombinant " Physcomitrella patens " as a sensitive tool to study heat sensing and heat-shock signal transduction in plants

SUMMARY When exposed to heat stress, plants display a particular set of cellular and molecular responses, such as chaperones expression, which are highly conserved in all organisms. In chapter 1, I studied the ability of heat shock genes to become transiently and abundantly induced under various temperature regimes. To this aim, I designed a highly sensitive heat-shock dependent conditional gene expression system in the moss Physcomitrella patens, using the soybean heatinducible promoter (hsp17.3B). Heat-induced expression of various reporter genes was over three orders of magnitude, in tight correlation with the intensity and duration of the heat treatments. By performing repeated heating/cooling cycles, a massive accumulation of recombinant proteins was obtained. Interestingly, the hsp17.3B promoter was also activated by specific organic chemicals. Thus, in chapter 2, I took advantage of the extreme sensitivity of this promoter to small temperature variations to further address the role of various natural and organic chemicals and develop a plant based-bioassay that can serve as an early warning indicator of toxicity by pollutants and heavy metals. A screen of several organic pollutants from textile and paper industry showed that chlorophenols as well as sulfonated anthraquinones elicited a heat shock like response at noninducing temperatures. Their effects were synergistically amplified by mild elevated temperatures. In contrast to standard methods of pollutant detection, this plant-based biosensor allowed to monitor early stress-responses, in correlation with long-term toxic effect, and to attribute effective toxicity thresholds for pollutants, in a context of varying environmental cues. In chapter 3, I deepened the study of the primary mechanism by which plants sense mild temperature variations and trigger a cellular signal leading to the heat shock response. In addition to the above described heat-inducible reporter line, I generated a P. patens transgenic line to measure, in vivo, variations of cytosolic calcium during heat treatment, and another line to monitor the role of protein unfolding in heat-shock sensing and signalling. The heat shock signalling pathway was found to be triggered by the plasma membrane, where temperature up shift specifically induced the transient opening of a putative high afimity calcium channel. The calcium influx triggered a signalling cascade leading to the activation of the heat shock genes, independently on the presence of misfolded proteins in the cytoplasm. These results strongly suggest that changes in the fluidity of the plasma membrane are the primary trigger of the heatshocksignalling pathway in plants. The present thesis contributes to the understanding of the basic mechanism by which plants perceive and respond to heat and chemical stresses. This may contribute to developing appropriate better strategies to enhance plant productivity under the increasingly stressful environment of global warming. RÉSUME Les plantes exposées à des températures élevées déclenchent rapidement des réponses cellulaires qui conduisent à l'induction de gènes codant pour les heat shock proteins (HSPs). En fonction de la durée d'exposition et de la vitesse à laquelle la température augmente, les HSPs sont fortement et transitoirement induites. Dans le premier chapitre, cette caractéristique aété utilisée pour développer un système inductible d'expression de gènes dans la mousse Physcomitrella patens. En utilisant plusieurs gènes rapporteurs, j'ai montré que le promoteur du gène hsp17.3B du Soja est activé d'une manière. homogène dans tous les tissus de la mousse proportionnellement à l'intensité du heat shock physiologique appliqué. Un très fort taux de protéines recombinantes peut ainsi être produit en réalisant plusieurs cycles induction/recovery. De plus, ce promoteur peut également être activé par des composés organiques, tels que les composés anti-inflammatoires, ce qui constitue une bonne alternative à l'induction par la chaleur. Les HSPs sont induites pour remédier aux dommages cellulaires qui surviennent. Étant donné que le promoteur hsp17.3B est très sensible à des petites augmentations de température ainsi qu'à des composés chimiques, j'ai utilisé les lignées développées dans le chapitre 1 pour identifier des polluants qui déclenchent une réaction de défense impliquant les HSPs. Après un criblage de plusieurs composés, les chlorophénols et les antraquinones sulfonés ont été identifiés comme étant activateurs du promoteur de stress. La détection de leurs effets a été réalisée seulement après quelques heures d'exposition et corrèle parfaitement avec les effets toxiques détectés après de longues périodes d'exposition. Les produits identifiés montrent aussi un effet synergique avec la température, ce qui fait du biosensor développé dans ce chapitre un bon outil pour révéler les effets réels des polluants dans un environnement où les stress chimiques sont combinés aux stress abiotiques. Le troisième chapitre est consacré à l'étude des mécanismes précoces qui permettent aux plantes de percevoir la chaleur et ainsi de déclencher une cascade de signalisation spécifique qui aboutit à l'induction des gènes HSPs. J'ai généré deux nouvelles lignées afin de mesurer en temps réel les changements de concentrations du calcium cytosolique ainsi que l'état de dénaturation des protéines au cours du heat shock. Quand la fluidité de la membrane augmente après élévation de la température, elle semble induire l'ouverture d'un canal qui permet de faire entrer le calcium dans les cellules. Ce dernier initie une cascade de signalisation qui finit par activer la transcription des gènes HSPs indépendamment de la dénaturation de protéines cytoplasmiques. Les résultats présentés dans ce chapitre montrent que la perception de la chaleur se fait essentiellement au niveau de la membrane plasmique qui joue un rôle majeur dans la régulation des gènes HSPs. L'élucidation des mécanismes par lesquels les plantes perçoivent les signaux environnementaux est d'une grande utilité pour le développement de nouvelles stratégies afin d'améliorer la productivité des plantes soumises à des conditions extrêmes. La présente thèse contribue à décortiquer la voie de signalisation impliquée dans la réponse à la chaleur.