Interactions between feather-degrading bacteria and an avian host : zebra finches (Taeniopygia guttata)

Abstract: Birds harbor a variety of bacteria on their plumage, some of which can degrade feathers in vitro. Whether these keratinolytic bacteria are active on live birds and can effect feather degradation on birds is debatable. The effect of such bacteria on the body condition and behavior of birds, is unknown. Using a community of feather-degrading bacteria (EB), we investigate the interaction between the activity and load of such bacteria, on the morphology, body condition, and behavior of zebra finches (Taeniopygia guttata). In Chapter 2, we find that the elevated loads of such microbes lead to a reduction in the expression of morphological traits, such as male bill color (a sexually selected trait) and uropygial gland volume, without reducing body mass, or evoking a cellular immune response. We also suggest the presence of a carotenoid based defense response in hosts, to such elevated loads of microbes and document a sex-based difference in the source of carotenoids used for such a response. In Chapter 3, we investigated the effect of EB loads on male mate choice of zebra finches, wherein male choice of females with elevated and un-altered bacterial loads, varied with male size. We found that larger males preferred females with higher bacterial load and smaller males preferred females with lower bacterial load. Chapter 4 demonstrates that the presence of melanin in feathers reduces the growth and activity of the community of feather-degrading bacteria (EB) and that the EB community can effect feather degradation in humid conditions, without broth. Additional results also demonstrate that the EB community consists of bacteria that can attach themselves to feathers on live birds and those that can live freely on avian plumage. Finally, chapter 5 demonstrates that the self-maintenance, social and sexual behaviors of birds are implicated in the infection and horizontal transmission of bacteria. It also suggests a linked oral - faecal - genital mode of transmission of pathogens in birds. These results demonstrate that differential loads of normal flora of vertebrate hosts can effect changes in their morphology and behavior. They also shed light on the role of feather-degrading bacteria in the evolution of melanin polymorphism in birds and suggest that bacteria can be active on live birds. This thesis also highlights the importance of social and, sexual behaviors of birds, in epidemiology. Résumé: Les Oiseaux ont dans leur plumage diverses bactéries dont certaines dégradent les plumes in vitro, néanmoins. Il n'est pas clair, au vu de précédentes études, si ces bactéries kératinolytiques sont actives sur des oiseaux vivants, et si celles-ci dégradent effectivement le plumage de leur hôte, L'effet de ces bactéries sur la condition corporelle ainsi que le comportement des oiseaux n'est pas connu. A l'aide d'une communauté de bactéries dégradant les plumes (EB), non pathogènes, nous examinons les interactions entre l'activité et la charge bactérienne sur la morphologie, la condition corporelle et le comportement du diamant mandarins (Taeniopygia guttata). Dans le chapitre 2, nous montrons qu'une charge élevée de ces microbes mène à une réduction de l'expression de certains traits morphologiques, tels que la couleur du bec chez le mâle (un trait soumis à sélection sexuelle), ainsi que le volume de la glande uropygienne, sans qu'il y ait une réduction de la masse corporelle, ni déclenchement d'une réponse immune cellulaire. Nos données suggèrent la présence d'une défense chez l'hôte à des charges élevées de bactéries basée sur la présence de caroténoïdes. Nous montrons, de plus une différence liée au sexe dans la source des caroténoïdes utilisé pour cette réponse. Dans le chapitre 3 nous examinons l'influence de la charge bactérienne EB sur le choix des mâles chez le diamant mandarins. Des femelles avec une charge bactérienne normale et augmentée sont choisies par les mâles et ce choix varie avec la taille des mâles. Nous avons mis en évidence que les grands mâles préfèrent les femelles avec une charge bactérienne plus élevée. Les petits mâles préfèrent les femelles avec une charge bactérienne réduite. Le chapitre 4 démontre que la présence de mélanine dans les plumes réduit la croissance et l'activité de la communauté de bactéries dégradant le plumage (EB), et que cette communauté EB peut dégrader les plumes dans des conditions humides, sans milieu de culture liquide. De plus nous montrons que cette communauté consiste en des bactéries qui peuvent s'attacher sur les plumes d'oiseaux vivants ainsi que des bactéries libres. Pour finir nous montrons dans le chapitre 5 que la maintenance corporelle, l'interaction sociale et le comportement sexuel de ces oiseaux sont impliqués dans l'infection et la transmission horizontale de ces bactéries. Nos données suggèrent une transmission orale-fécale-génitale des pathogènes chez les oiseaux. Ces résultats montrent que des charges différentes de la flore bactérienne habituelle et non pathogène de vertébrés peuvent affecter leur morphologie et leur comportement. Ils éclaircissent également le rôle des bactéries dégradant les plumes dans l'évolution du polymorphisme mélanique chez les oiseaux et suggèrent que ces bactéries peuvent être actives sur des oiseaux vivants. Cette thèse souligne également l'importance du comportement social et sexuel des oiseaux dans l'épidémiologie.

Dicarboxylic amino acids and glycine-betaine regulate chaperone-mediated protein-disaggregation under stress.

Active protein-disaggregation by a chaperone network composed of ClpB and DnaK + DnaJ + GrpE is essential for the recovery of stress-induced protein aggregates in vitro and in Escherichia coli cells. K-glutamate and glycine-betaine (betaine) naturally accumulate in salt-stressed cells. In addition to providing thermo-protection to native proteins, we found that these osmolytes can strongly and specifically activate ClpB, resulting in an increased efficiency of chaperone-mediated protein disaggregation. Moreover, factors that inhibited the chaperone network by impairing the stability of the ClpB oligomer, such as natural polyamines, dilution, or high salt, were efficiently counteracted by K-glutamate or betaine. The combined protective, counter-negative and net activatory effects of K-glutamate and betaine, allowed protein disaggregation and refolding under heat-shock temperatures that otherwise cause protein aggregation in vitro and in the cell. Mesophilic organisms may thus benefit from a thermotolerant osmolyte-activated chaperone mechanism that can actively rescue protein aggregates, correctly refold and maintain them in a native state under heat-shock conditions.

Hydrogen isotope fractionations between amphiboles, micas, and fluids in alkaline igneous intrusions

RÉSUMÉ DE LA THÈSE Les teneurs des amphiboles en éléments majeurs et en isotopes stables ont été analysées dans plusieurs complexes ignés alcalins et hyperalcalins, dans le but de déterminer l'importance des variations de composition des minéraux pour le fractionnement isotopique de l'hydrogène dans un système naturel minéral-magma-fluide. Cette étude se concentre principalement sur les syénites néphéliniques de complexes intrusifs alcalins bien connus mais à chimie variable, dont les amphiboles, ainsi que d'autres silicates hydratés tels que micas et eudialytes, lorsque cela était possible, ont été séparés. L'intérêt principal s'est porté sur le complexe alcalin d'Ilímaussaq de la Province du Gardar, au Sud du Groenland. Dans une optique de comparaison, nous avons collecté et analysé d'autres échantillons provenant du complexe de Tugtutôq (Sud Groenland), des complexes de Khibina et Lovozero (Péninsule de Kola, Russie), du Mont St-Hilaire et du Mont Royal (Canada) et de 6 autres du nord-ouest de la Namibie (Cape Cross, Okenyenya, Messum, Etaneno, Kalkfeld,et Okorusu). Les compositions isotopiques de l'hydrogène des amphiboles des ces différentes zones présentent de grandes variations (-227 à -700/00), ce qui est atypique pour des magmas d'origine mantellique. Les valeurs comprises entre -80 et -400/00 indiquent une provenance du manteau. Ces larges variations de compositions ainsi que l'extrême appauvrissement en isotope lourd de l'hydrogène (D), en comparaison avec d'autres roches ignées, semblent être propres.aux roches alcalines et hyperalcalines de ce type, ce qui indiquerait un processus commun. Les différents complexes alcalins choisis présentent un large intervalle de composition chimique des amphiboles. La caractérisation des amphiboles par microscopie électronique et par spectroscopie Mössbauer contribuent à observer le contrôle du Fe sur le fractionnement des isotopes de l'hydrogène. En effet, cela a mis en évidence un contrôle du Fe sur le fractionnement et même, dans le cas du complexe hyperalcalin d'Ilímaussaq, une relation entre le rapport Fei3+/FeT et les variations du rapport D/H. Les complexes étudiés diffèrent de par leur index agpaïtique (Na+K/Al) et également de par leur contenu en fer. Les plus hautes valeurs en Fe (27-35 wt%) et en éléments alcalins dans les amphiboles, ainsi que les teneurs de D/H les plus basses et leur grande variation, sont celles du complexe d'Ilímaussaq. Les amphiboles de la Péninsule de Kola et du Canada sont similaires, mais toutefois moins appauvries en D. En ce qui concerne les amphiboles des complexes du NO de la Namibie, elles présentent des compositions isotopiques de l'hydrogène magmatiques normales (-73 à -100 0/00), contiennent moins de Fe (15-17 wt%) et sont fortement enrichies en Ca et moins en Na. Dans ce cas, l'alcalinité est moins importante en comparaison des autres complexes étudiés. En dehors des teneurs en éléments alcalins des amphiboles, l'alcalinité des fluides s'avère également un facteur important, ce qui est cohérent avec certaines suggestions à partir de systèmes expérimentaux. Afin de mieux contraindre ce facteur, des expériences d'échanges hydrothermaux entre les amphiboles et les fluides de salinité différente ont été effectuées en simulant des conditions naturelles. L'approximation d'amphiboles naturelles de complexes ignés alcalins, couplée aux expériences d'échange, aide à préciser les facteurs contrôlant le fractionnement des isotopes de l'hydrogène dans les roches alcalines. Les valeurs extrêmement basses de 3D des amphiboles de ces complexes alcalins peuvent être dues à une combinaison de différents facteurs, telles qu'une haute alcalinité, une haute teneur en Fe et une faible profondeur d'intrusion. Les grandes variations ainsi que les faibles valeurs de SD des amphiboles étudiées peuvent résulter d'un processus magmatique interne et il est peu probable que de l'eau météorique soit impliquée et/ou que le dégazage magmatique ait joué un rôle. THESIS ABSTRACT Major element and stable isotope compositions of amphiboles were analyzed from a number of alkaline and peralkaline igneous complexes in order to determine the importance of compositional variations in minerals to hydrogen isotope fractionations in natural mineral-melt-fluid systems. The thesis mainly focuses on nepheline syenites of well-studied, but chemically variable alkaline intrusive rocks, from which amphiboles and, if possible, other hydrous silicates such as micas and eudialytes were separated. The system of primary interest was the alkaline Ilímaussaq Complex of the Gardar Province of South Greenland. For the purpose of comparison additional samples were collected and examined from the Tugtutôq Complex (South Greenland), the Khibina and Lovozero Complexes (Kola Peninsular, Russia), Mount St-Hilaire and Mount Royal (Canada) and six further complexes from NW Namibia (Cape Cross, Okenyenya, Messum, Etaneno, Kalkfeld, and Okorusu). The hydrogen isotope compositions of amphiboles from the localities studied differ greatly, which is atypical for amphiboles from mantle, range between - 227 and - 700/00 (latter compatible with a simple mantle origin). As this wide range in compositions and the extreme depletion in the heavy hydrogen isotope (D) content relative to other igneous rocks appear to be unique to alkaline to peralkaline rocks of this type, a common process is indicated. The different alkaline complexes chosen cover a wide range of amphibole chemical compositions. Detailed chemical characterization of amphiboles by electron microprobe and Mössbauer spectroscopy analyses helped to constrain the control of Fe on the H-isotope fractionations. Complete characterization of the chemical compositions of the amphiboles support Fe-control on fractionations and at least for the peralkaline Ilímaussaq complex a relationship between Fe3+/FeT ratios and variations in D/H. The studied complexes differ in their agpaitic index (Na+K/Al) and also in their Fe-content. The most iron (27-35 wt. %) and alkaline element rich amphiboles, with the lowermost D/H ratio, as well with very wide range, are the ones from Ilímaussaq complex. Similar, but less D depleted amphiboles are from the Kola Peninsula and the Canadian localities. The complexes described from NW Namibia have amphiboles with normal magmatic hydrogen isotope composition (-730/00 to -1000/00), and have less Fe-content (15-17 wt. %), and are more Ca-and less Na-rich. In this case alkalinity is not that important in comparison to the other studied complexes. Beside the alkaline element contents in the amphiboles, the alkalinity of the fluids has been found to be an important factor, in conjunction with earlier suggestions from experimental systems. To further constrain this factor, hydrothermal exchange experiments between amphiboles and fluids of different salinity simulating natural conditions were performed. The approach of examining natural amphiboles from alkaline igneous complexes in parallel to performing exchange experiments - helped to further constrain the factors controlling the H-isotope fractionations in alkaline rocks. The observed changes between the hydrogen and oxygen isotope compositions of amphiboles and fluids before and after the experiments suggest that another phase was produced during the experiments, which influenced the final hydrogen isotope composition of the system. This presumably hydrous phase has also influenced the Fe3 +/Fe2+ ratio of the amphiboles, which became more oxidized. The extremely low SD values of amphiboles in these alkaline complexes may be due to a combination of different factors such as high alkalinity, high Fe-content, and shallow intrusion depths. This wide range and the low SD values of the amphiboles studied might be a result of internal, magmatic processes and it is unlikely that meteoric water was involved and/or magmatic degassing played an important role. RÉSUMÉ DE LA THÈSE (pour le grand public) Fractionnement isotopique de l'hydrogène entre amphiboles, micas et fluides dans des intrusions alcalines Zsófia Wáczek Directeur de thèse, Prof. Torsten W. Vennemann Institut de Minéralogie et Géochimie, Université de Lausanne Les roches alcalines et celles qui leurs sont associées sont des sources importantes de nombreux minéraux et minerais, tels l'apatite, le niobium, le diamant et autres pierres précieuses. Cette étude se concentre sur des complexes alcalins localisés dans le sud du Groenland, au Canada, dans la péninsule de Kola en Russie et au nord-ouest de la Namibie. Ces complexes sont composés de roches ayant cristallisé à partir de magmas et de fluides très enrichis en alcalins. Cet enrichissement permet la précipitation de minéraux inhabituels riches en potassium et/ou sodium, telles les amphiboles sodiques, également enrichies en fer. Les amphiboles étudiées ont des compositions calciques, sodi-calciques et sodiques, qui reflètent leurs différents environnements de formation. Des études précédentes ont révélé une large gamme de rapports isotopiques de l'hydrogène dans les amphiboles de roches hyperalcalines, dont certains extrêmement bas. Cette variation importante est très intrigante, sachant que des valeurs entre -40 et -800/00 correspondent à des silicates ignés hydratés et non altérés, alors que des valeurs descendant jusqu'a -1500/00 nécessiteraient une altération par de l'eau météorique et/ou une contamination par les roches environnantes ou des sédiments riches en matière organique. Dans lé cas précis du complexe d'Ilímaussaq (sud du Groenland), aucune de ces explications n'a pu être démontrée et des valeurs encore plus faibles ont été trouvées. Le complexe d'Ilímaussaq présente des valeurs de rapport isotopique de l'hydrogène entre -227 et -500/00 dans les amphiboles. Une origine mantellique permet d'expliquer les valeurs élevées, mais d'autres processus doivent entrer en jeu pour engendrer les valeurs les plus négatives. C'est à l'identification de ces processus que nous nous sommes attachés dans ce travail. Les grandes variations observées dans les teneurs en fer et dans le rapport Fe3+/FeT des roches et des minéraux de ces complexes sont corrélées avec d'autres paramètres chimiques, tels que la composition isotopique de l'hydrogène dans les amphiboles. Nous avons dès lors abordé les questions suivantes: quelle est la relation entre la teneur en fer des amphiboles et leur composition isotopique? Que nous apprennent les changements de la teneur en fer et les changements dans le rapport Fe3+/FeT sur les processus pétrologiques dans ces roches? Pour répondre à ces questions, nous avons analysé les compositions isotopiques de l'oxygène et de l'hydrogène dans les amphiboles et d'autres silicates hydratés. La composition chimique et le rapport Fe3+/FeT des amphiboles ont également été déterminés. Des expériences hydrothermales simulant des conditions naturelles ont été entreprises afin de mieux comprendre les processus de fractionnement isotopiques dans ces systèmes très alcalins. Nos conclusions sont les suivantes: (1) Les valeurs extrêmement faibles ainsi que les larges variations des rapports isotopiques de l'hydrogène des amphiboles de ces complexes alcalins sont dues à une combinaison de facteurs tels que la forte alcalinité, la haute teneur en fer et la profondeur très faible de l'intrusion. (2) Ces valeurs sont probablement le résultat de processus magmatiques internes. (3) Il est peu probable que les eaux météoriques et/ou le dégazage magmatique aient joué un rôle lors de la formation de ces amphiboles. (4) Certaines corrélations, en accord avec les études précédentes, ont pu être trouvées au niveau des concentrations en fer. (5) Dans le cas du complexe d'Ilímaussaq exclusivement, une relation a été trouvée entre le rapport Fe3+/FeT et la composition isotopique de l'hydrogène des amphiboles.

Native folding of aggregation-prone recombinant proteins in Escherichia coli by osmolytes, plasmid- or benzyl alcohol-overexpressed molecular chaperones.

When massively expressed in bacteria, recombinant proteins often tend to misfold and accumulate as soluble and insoluble nonfunctional aggregates. A general strategy to improve the native folding of recombinant proteins is to increase the cellular concentration of viscous organic compounds, termed osmolytes, or of molecular chaperones that can prevent aggregation and can actively scavenge and convert aggregates into natively refoldable species. In this study, metal affinity purification (immobilized metal ion affinity chromatography [IMAC]), confirmed by resistance to trypsin digestion, was used to distinguish soluble aggregates from soluble nativelike proteins. Salt-induced accumulation of osmolytes during induced protein synthesis significantly improved IMAC yields of folding-recalcitrant proteins. Yet, the highest yields were obtained with cells coexpressing plasmid-encoded molecular chaperones DnaK-DnaJ-GrpE, ClpB, GroEL-GroES, and IbpA/B. Addition of the membrane fluidizer heat shock-inducer benzyl alcohol (BA) to the bacterial medium resulted in similar high yields as with plasmid-mediated chaperone coexpression. Our results suggest that simple BA-mediated induction of endogenous chaperones can substitute for the more demanding approach of chaperone coexpression. Combined strategies of osmolyte-induced native folding with heat-, BA-, or plasmid-induced chaperone coexpression can be thought to optimize yields of natively folded recombinant proteins in bacteria, for research and biotechnological purposes.

Chemical chaperones regulate molecular chaperones in vitro and in cells under combined salt and heat stresses.

Salt and heat stresses, which are often combined in nature, induce complementing defense mechanisms. Organisms adapt to high external salinity by accumulating small organic compounds known as osmolytes, which equilibrate cellular osmotic pressure. Osmolytes can also act as "chemical chaperones" by increasing the stability of native proteins and assisting refolding of unfolded polypeptides. Adaptation to heat stress depends on the expression of heat-shock proteins, many of which are molecular chaperones, that prevent protein aggregation, disassemble protein aggregates, and assist protein refolding. We show here that Escherichia coli cells preadapted to high salinity contain increased levels of glycine betaine that prevent protein aggregation under thermal stress. After heat shock, the aggregated proteins, which escaped protection, were disaggregated in salt-adapted cells as efficiently as in low salt. Here we address the effects of four common osmolytes on chaperone activity in vitro. Systematic dose responses of glycine betaine, glycerol, proline, and trehalose revealed a regulatory effect on the folding activities of individual and combinations of chaperones GroEL, DnaK, and ClpB. With the exception of trehalose, low physiological concentrations of proline, glycerol, and especially glycine betaine activated the molecular chaperones, likely by assisting local folding in chaperone-bound polypeptides and stabilizing the native end product of the reaction. High osmolyte concentrations, especially trehalose, strongly inhibited DnaK-dependent chaperone networks, such as DnaK+GroEL and DnaK+ClpB, likely because high viscosity affects dynamic interactions between chaperones and folding substrates and stabilizes protein aggregates. Thus, during combined salt and heat stresses, cells can specifically control protein stability and chaperone-mediated disaggregation and refolding by modulating the intracellular levels of different osmolytes.