Antibiotic resistant bacteria/genes dissemination in lacustrine sediments highly increased following cultural eutrophication of Lake Geneva (Switzerland).

This study investigates faecal indicator bacteria (FIB), multiple antibiotic resistant (MAR), and antibiotic resistance genes (ARGs), of sediment profiles from different parts of Lake Geneva (Switzerland) over the last decades. MARs consist to expose culturable Escherichia coli (EC) and Enterococcus (ENT) to mixed five antibiotics including Ampicillin, Tetracycline, Amoxicillin, Chloramphenicol and Erythromycin. Culture-independent is performed to assess the distribution of ARGs responsible for, β-lactams (blaTEM; Amoxicillin/Ampicillin), Streptomycin/Spectinomycin (aadA), Tetracycline (tet) Chloramphenicol (cmlA) and Vancomycin (van). Bacterial cultures reveal that in the sediments deposited following eutrophication of Lake Geneva in the 1970s, the percentage of MARs to five antibiotics varied from 0.12% to 4.6% and 0.016% to 11.6% of total culturable EC and ENT, respectively. In these organic-rich bacteria-contaminated sediments, the blaTEM resistant of FIB varied from 22% to 48% and 16% to 37% for EC and ENT respectively, whereas the positive PCR assays responsible for tested ARGs were observed for EC, ENT, and total DNA from all samples. The aadA resistance gene was amplified for all the sediment samples, including those not influenced by WWTP effluent water. Our results demonstrate that bacteria MARs and ARGs highly increased in the sediments contaminated with WWTP effluent following the cultural eutrophication of Lake Geneva. Hence, the human-induced changing limnological conditions highly enhanced the sediment microbial activity, and therein the spreading of antibiotic resistant bacteria and genes in this aquatic environment used to supply drinking water in a highly populated area. Furthermore, the presence of the antibiotic resistance gene aadA in all the studied samples points out a regional dissemination of this emerging contaminant in freshwater sediments since at least the late nineteenth century.

Characterization of fecal indicator bacteria in sediments cores from the largest freshwater lake of Western Europe (Lake Geneva, Switzerland)

This study characterized the fecal indicator bacteria (FIB), including Escherichia coli (E. coli) and Enteroccocus (ENT), disseminated over time in the Bay of Vidy, which is the most contaminated area of Lake Geneva. Sediments were collected from a site located at similar to 500 m from the present waste water treatment plant (WWTP) outlet pipe, in front of the former WWTP outlet pipe, which was located at only 300 m from the coastal recreational area (before 2001). E. coil and ENT were enumerated in sediment suspension using the membrane filter method. The FIB characterization was performed for human Enterococcus faecalis (E. faecalis) and Enterococcus faecium (E. faecium) and human specific bacteroides by PCR using specific primers and a matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS). Bacterial cultures revealed that maximum values of 35.2 x 10(8) and 6.6 x 10(6) CFU g(-1) dry sediment for E. coil and ENT, respectively, were found in the sediments deposited following eutrophication of Lake Geneva in the 1970s. whereas the WWTP started operating in 1964. The same tendency was observed for the presence of human fecal pollution: the percentage of PCR amplification with primers ESP-1/ESP-2 for E. faecalis and E. faecium indicated that more than 90% of these bacteria were from human origin. Interestingly, the PCR assays for specific-human bacteroides HF183/HF134 were positive for DNA extracted from all isolated strains of sediment surrounding WWPT outlet pipe discharge. The MALDI-TOF MS confirmed the presence of general E. coli and predominance E. faecium in isolated strains. Our results demonstrated that human fecal bacteria highly increased in the sediments contaminated with WWTP effluent following the eutrophication of Lake Geneva. Additionally, other FIB cultivable strains from animals or adapted environmental strains were detected in the sediment of the bay. The approaches used in this research are valuable to assess the temporal distribution and the source of the human fecal pollution in aquatic environments. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

Bacterial overgrowth during treatment with omeprazole compared with cimetidine: a prospective randomised double blind study.

BACKGROUND: Gastric and duodenal bacterial overgrowth frequently occurs in conditions where diminished acid secretion is present. Omeprazole inhibits acid secretion more effectively than cimetidine and might therefore more frequently cause bacterial overgrowth. AIM: This controlled prospective study compared the incidence of gastric and duodenal bacterial overgrowth in patients treated with omeprazole or cimetidine. METHODS: 47 outpatients with peptic disease were randomly assigned to a four week treatment regimen with omeprazole 20 mg or cimetidine 800 mg daily. Gastric and duodenal juice were obtained during upper gastrointestinal endoscopy and plated for anaerobic and aerobic organisms. RESULTS: Bacterial overgrowth (> or = 10(5) cfu/ml) was present in 53% of the patients receiving omeprazole and in 17% receiving cimetidine (p < 0.05). The mean (SEM) number of gastric and duodenal bacterial counts was 6.0 (0.2) and 5.0 (0.2) respectively in the omeprazole group and 4.0 (0.2) and 4.0 (0.1) in the cimetidine group (p < 0.001 and < 0.01; respectively). Faecal type bacteria were found in 30% of the patients with bacterial overgrowth. Basal gastric pH was higher in patients treated with omeprazole compared with cimetidine (4.2 (0.5) versus 2.0 (0.2); p < 0.001) and in patients with bacterial overgrowth compared with those without bacterial overgrowth (5.1 (0.6) versus 2.0 (0.1); p < 0.0001). The nitrate, nitrite, and nitrosamine values in gastric juice did not increase after treatment with either cimetidine or omeprazole. Serum concentrations of vitamin B12, beta carotene, and albumin were similar before and after treatment with both drugs. CONCLUSIONS: These results show that the incidence of gastric and duodenal bacterial overgrowth is considerably higher in patients treated with omeprazole compared with cimetidine. This can be explained by more pronounced inhibition of gastric acid secretion. No patient developed signs of malabsorption or an increase of N-nitroso compounds. The clinical significance of these findings needs to be assessed in studies with long-term treatment with omeprazole, in particular in patients belonging to high risk groups such as HIV infected and intensive care units patients.

Host factors and genetic susceptibility to infections due to intracellular bacteria and fastidious organisms.

While genetic polymorphisms play a paramount role in tuberculosis (TB), less is known about their contribution to the severity of diseases caused by other intracellular bacteria and fastidious microorganisms. We searched electronic databases for observational studies reporting on host factors and genetic predisposition to infections caused by intracellular fastidious bacteria published up to 30 May 2014. The contribution of genetic polymorphisms was documented for TB. This includes genetic defects in the mononuclear phagocyte/T helper cell type 1 (Th1) pathway contributing to disseminated TB disease in children and genome-wide linkage analysis (GWAS) in reactivated pulmonary TB in adults. Similarly, experimental studies supported the role of host genetic factors in the clinical presentation of illnesses resulting from other fastidious intracellular bacteria. These include IL-6 -174G/C or low mannose-binding (MBL) polymorphisms, which are incriminated in chronic pulmonary conditions triggered by C. pneumoniae, type 2-like cytokine secretion polymorphisms, which are correlated with various clinical patterns of M. pneumoniae infections, and genetic variation in the NOD2 gene, which is an indicator of tubal pathology resulting from Chamydia trachomatis infections. Monocyte/macrophage migration and T lymphocyte recruitment defects are corroborated to ineffective granuloma formation observed among patients with chronic Q fever. Similar genetic polymorphisms have also been suggested for infections caused by T. whipplei although not confirmed yet. In conclusion, this review supports the paramount role of genetic factors in clinical presentations and severity of infections caused by intracellular fastidious bacteria. Genetic predisposition should be further explored through such as exome sequencing.

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.

Fungi, bacteria and soil pH: the oxalate-carbonate pathway as a model for metabolic interaction

The oxalatecarbonate pathway involves the oxidation of calcium oxalate to low-magnesium calcite and represents a potential long-term terrestrial sink for atmospheric CO2. In this pathway, bacterial oxalate degradation is associated with a strong local alkalinization and subsequent carbonate precipitation. In order to test whether this process occurs in soil, the role of bacteria, fungi and calcium oxalate amendments was studied using microcosms. In a model system with sterile soil amended with laboratory cultures of oxalotrophic bacteria and fungi, the addition of calcium oxalate induced a distinct pH shift and led to the final precipitation of calcite. However, the simultaneous presence of bacteria and fungi was essential to drive this pH shift. Growth of both oxalotrophic bacteria and fungi was confirmed by qPCR on the frc (oxalotrophic bacteria) and 16S rRNA genes, and the quantification of ergosterol (active fungal biomass) respectively. The experiment was replicated in microcosms with non-sterilized soil. In this case, the bacterial and fungal contribution to oxalate degradation was evaluated by treatments with specific biocides (cycloheximide and bronopol). Results showed that the autochthonous microflora oxidized calcium oxalate and induced a significant soil alkalinization. Moreover, data confirmed the results from the model soil showing that bacteria are essentially responsible for the pH shift, but require the presence of fungi for their oxalotrophic activity. The combined results highlight that the interaction between bacteria and fungi is essential to drive metabolic processes in complex environments such as soil.

New methods for detecting antibiotic resistant bacteria and preventing their spread

Methicillin resistant Staphylococcus aureus (MRSA) bacteria have emerged in the early 1980's in numerous health care institutions around the world. The main transmission mechanism within hospitals and healthcare facilities is through the hands of health care workers. Resistant to several antibiotics, the MRSA is one of the most feared pathogens in the hospital setting since it is very difficult to eradicate with the standard treatments. There are still a limited number of anti-MRSA antibiotics but the first cases of resistance to these compounds have already been reported and their frequency is likely to increase in the coming years. Every year, the MRSA infections result in major human and financial costs, due to the high associated mortality and expenses related to the required care. Measures towards a faster detection of resistant bacteria and establishment of appropriate antibiotic treatment parameters are fundamental. Also as part as infection prevention, diminution of bacteria present on the commonly touched surfaces could also limit the spread and selection of antibiotic resistant bacteria. During my thesis, projects were developed around MRSA and antibiotic resistance investigation using innovative technologies. The thesis was subdivided in three main parts with the use of atomic force microscopy AFM for antibiotic resistance detection in part 1, the importance of the bacterial inoculum size in the selection of antibiotic resistance in part 2 and the testing of antimicrobial surfaces creating by sputtering copper onto polyester in part 3. In part 1 the AFM was used two different ways, first for the measurement of stiffness (elasticity) of bacteria and second as a nanosensor for antibiotic susceptibility testing. The stiffness of MRSA with different susceptibility profiles to vancomycin was investigated using the stiffness tomography mode of the AFM and results have demonstrated and increased stiffness in the vancomycin resistant strains that also paralleled with increased thickness of the bacterial cell wall. Parts of the AFM were also used to build a new antibiotic susceptibility-testing device. This nano sensor was able to measure vibrations emitted from living bacteria that ceased definitively upon antibiotic exposure to which they were susceptible but restarted after antibiotic removal to which they were resistant, allowing in a matter of minute the assessment of antibiotic susceptibility determination. In part 2 the inoculum effect (IE) of vancomycin, daptomycin and linezolid and its importance in antibiotic resistance selection was investigated with MRSA during a 15 days of cycling experiment. Results indicated that a high bacterial inoculum and a prolonged antibiotic exposure were two key factors in the in vitro antibiotic resistance selection in MRSA and should be taken into consideration when choosing the drug treatment. Finally in part 3 bactericidal textile surfaces were investigated against MRSA. Polyesters coated after 160 seconds of copper sputtering have demonstrated a high bactericidal activity reducing the bacterial load of at least 3 logio after one hour of contact. -- Au cours des dernières décennies, des bactéries multirésistantes aux antibiotiques (BMR) ont émergé dans les hôpitaux du monde entier. Depuis lors, le nombre de BMR et la prévalence des infections liées aux soins (IAS) continuent de croître et sont associés à une augmentation des taux de morbidité et de mortalité ainsi qu'à des coûts élevés. De plus, le nombre de résistance à différentes classes d'antibiotiques a également augmenté parmi les BMR, limitant ainsi les options thérapeutiques disponibles lorsqu'elles ont liées a des infections. Des mesures visant une détection plus rapide des bactéries résistantes ainsi que l'établissement des paramètres de traitement antibiotiques adéquats sont primordiales lors d'infections déjà présentes. Dans une optique de prévention, la diminution des bactéries présentes sur les surfaces communément touchées pourrait aussi freiner la dissémination et l'évolution des bactéries résistantes. Durant ma thèse, différents projets incluant des nouvelles technologies et évoluant autour de la résistance antibiotique ont été traités. Des nouvelles technologies telles que le microscope à force atomique (AFM) et la pulvérisation cathodique de cuivre (PCC) ont été utilisées, et le Staphylococcus aureus résistant à la méticilline (SARM) a été la principale BMR étudiée. Deux grandes lignes de recherche ont été développées; la première visant à détecter la résistance antibiotique plus rapidement avec l'AFM et la seconde visant à prévenir la dissémination des BMR avec des surfaces crées grâce à la PCC. L'AFM a tout d'abord été utilisé en tant que microscope à sonde locale afin d'investiguer la résistance à la vancomycine chez les SARMs. Les résultats ont démontré que la rigidité de la paroi augmentait avec la résistance à la vancomycine et que celle-ci corrélait aussi avec une augmentation de l'épaisseur des parois, vérifiée grâce à la microscopie électronique. Des parties d'un AFM ont été ensuite utilisées afin de créer un nouveau dispositif de test de sensibilité aux antibiotiques, un nanocapteur. Ce nanocapteur mesure des vibrations produites par les bactéries vivantes. Après l'ajout d'antibiotique, les vibrations cessent définitivement chez les bactéries sensibles à l'antibiotique. En revanche pour les bactéries résistantes, les vibrations reprennent après le retrait de l'antibiotique dans le milieu permettant ainsi, en l'espace de minutes de détecter la sensibilité de la bactérie à un antibiotique. La PCC a été utilisée afin de créer des surfaces bactéricides pour la prévention de la viabilité des BMR sur des surfaces inertes. Des polyesters finement recouverts de cuivre (Cu), connu pour ses propriétés bactéricides, ont été produits et testés contre des SARMs. Une méthode de détection de viabilité des bactéries sur ces surfaces a été mise au point, et les polyesters obtenus après 160 secondes de pulvérisation au Cu ont démontré une excellente activité bactéricide, diminuant la charge bactérienne d'au moins 3 logio après une heure de contact. En conclusion, l'utilisation de nouvelles technologies nous a permis d'évoluer vers de méthodes de détection de la résistance antibiotique plus rapides ainsi que vers le développement d'un nouveau type de surface bactéricide, dans le but d'améliorer le diagnostic et la gestion des BMR.

Biodiversity of amoebae and amoebae-resisting bacteria in a drinking water treatment plant

The complex ecology of free-living amoebae (FLA) and their role in spreading pathogenic microorganisms through water systems have recently raised considerable interest. In this study, we investigated the presence of FLA and amoebae-resisting bacteria (ARB) at various stages of a drinking water plant fed with river water. We isolated various amoebal species from the river and from several points within the plant, mostly at early steps of water treatment. Echinamoeba- and Hartmannella-related amoebae were mainly recovered in the drinking water plant whereas Acanthamoeba- and Naegleria-related amoebae were recovered from the river water and the sand filtration units. Some FLA isolates were recovered immediately after the ozonation step, thus suggesting resistance of these microorganisms to this disinfection procedure. A bacterial isolate related to Mycobacterium mucogenicum was recovered from an Echinamoeba-related amoeba isolated from ozone-treated water. Various other ARB were recovered using co-culture with axenic Acanthamoeba castellanii, including mycobacteria, legionella, Chlamydia-like organisms and various proteobacteria. Noteworthy, a new Parachlamydia acanthamoebae strain was recovered from river water and from granular activated carbon (GAC) biofilm. As amoebae mainly multiply in sand and GAC filters, optimization of filter backwash procedures probably offers a possibility to better control these protists and the risk associated with their intracellular hosts

Switching between apparently redundant iron-uptake mechanisms benefits bacteria in changeable environments.

Bacteria often possess multiple siderophore-based iron uptake systems for scavenging this vital resource from their environment. However, some siderophores seem redundant, because they have limited iron-binding efficiency and are seldom expressed under iron limitation. Here, we investigate the conundrum of why selection does not eliminate this apparent redundancy. We focus on Pseudomonas aeruginosa, a bacterium that can produce two siderophores-the highly efficient but metabolically expensive pyoverdine, and the inefficient but metabolically cheap pyochelin. We found that the bacteria possess molecular mechanisms to phenotypically switch from mainly producing pyoverdine under severe iron limitation to mainly producing pyochelin when iron is only moderately limited. We further show that strains exclusively producing pyochelin grew significantly better than strains exclusively producing pyoverdine under moderate iron limitation, whereas the inverse was seen under severe iron limitation. This suggests that pyochelin is not redundant, but that switching between siderophore strategies might be beneficial to trade off efficiencies versus costs of siderophores. Indeed, simulations parameterized from our data confirmed that strains retaining the capacity to switch between siderophores significantly outcompeted strains defective for one or the other siderophore under fluctuating iron availabilities. Finally, we discuss how siderophore switching can be viewed as a form of collective decision-making, whereby a coordinated shift in behaviour at the group level emerges as a result of positive and negative feedback loops operating among individuals at the local scale.

Chlamydia-related bacteria in respiratory samples in Finland.

Chlamydia-related bacteria, new members of the order Chlamydiales, are suggested to be associated with respiratory disease. We used real-time PCR to investigate the prevalence of Parachlamydia acanthamoebae, Protochlamydia spp., Rhabdochlamydia spp., Simkania negevensis and Waddlia chondrophila in samples taken from patients with suspected respiratory tract infections. Of the 531 samples analyzed, the subset of 136 samples contained 16 (11.8%) samples positive for Rhabdochlamydia spp. DNA. P. acanthamoebae, Protochlamydia spp., S. negevensis and W. chondrophila DNA were not detected among the respiratory samples investigated. These results suggest an association of Rhabdochlamydia spp. with respiratory disease.

Macrophage Migration Inhibitory Factor Deficiency Is Associated With Impaired Killing of Gram-Negative Bacteria by Macrophages and Increased Susceptibility to Klebsiella pneumoniae Sepsis.

The cytokine macrophage migration inhibitory factor (MIF) is an important component of the early proinflammatory response of the innate immune system. However, the antimicrobial defense mechanisms mediated by MIF remain fairly mysterious. In the present study, we examined whether MIF controls bacterial uptake and clearance by professional phagocytes, using wild-type and MIF-deficient macrophages. MIF deficiency did not affect bacterial phagocytosis, but it strongly impaired the killing of gram-negative bacteria by macrophages and host defenses against gram-negative bacterial infection, as shown by increased mortality in a Klebsiella pneumonia model. Consistent with MIF's regulatory role of Toll-like 4 expression in macrophages, MIF-deficient cells stimulated with lipopolysaccharide or Escherichia coli exhibited reduced nuclear factor κB activity and tumor necrosis factor (TNF) production. Addition of recombinant MIF or TNF corrected the killing defect of MIF-deficient macrophages. Together, these data show that MIF is a key mediator of host responses against gram-negative bacteria, acting in part via a modulation of bacterial killing by macrophages.

Rapid detection of bacterial resistance to antibiotics using AFM cantilevers as nanomechanical sensors.

The widespread misuse of drugs has increased the number of multiresistant bacteria, and this means that tools that can rapidly detect and characterize bacterial response to antibiotics are much needed in the management of infections. Various techniques, such as the resazurin-reduction assays, the mycobacterial growth indicator tube or polymerase chain reaction-based methods, have been used to investigate bacterial metabolism and its response to drugs. However, many are relatively expensive or unable to distinguish between living and dead bacteria. Here we show that the fluctuations of highly sensitive atomic force microscope cantilevers can be used to detect low concentrations of bacteria, characterize their metabolism and quantitatively screen (within minutes) their response to antibiotics. We applied this methodology to Escherichia coli and Staphylococcus aureus, showing that live bacteria produced larger cantilever fluctuations than bacteria exposed to antibiotics. Our preliminary experiments suggest that the fluctuation is associated with bacterial metabolism.

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.