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.

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

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

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.

Response characteristics of arsenic-sensitive bioreporters expressing the gfp reporter gene

This paper describes the development of an analytical technique for arsenic analyses that is based on genetically-modified bioreporter bacteria bearing a gene encoding for the production of a green fluorescent protein (gfp). Upon exposure to arsenic (in the aqueous form of arsenite), the bioreporter production of the fluorescent reporter molecule is monitored spectroscopically. We compared the response measured as a function of time and concentration by steady-state fluorimetry (SSF) to that measured by epi-fluorescent microscopy (EFM). SSF is a bulk technique; as such it inherently yields less information, whereas EFM monitors the response of many individual cells simultaneously and data can be processed in terms of population averages or subpopulations. For the bioreporter strain used here, as well as for the literature we cite, the two techniques exhibit similar performance characteristics. The results presented here show that the EFM technique can compete with SSF and shows substantially more promise for future improvement; it is a matter of research interest to develop optimized methods of EFM image analysis and statistical data treatment. EFM is a conduit for understanding the dynamics of individual cell response vs. population response, which is not only a matter of research interest, but is also promising in the practical terms of developing micro-scale analysis.

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

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

Development of bacteria-based bioassays for arsenic detection in natural waters.

Arsenic contamination of natural waters is a worldwide concern, as the drinking water supplies for large populations can have high concentrations of arsenic. Traditional techniques to detect arsenic in natural water samples can be costly and time-consuming; therefore, robust and inexpensive methods to detect arsenic in water are highly desirable. Additionally, methods for detecting arsenic in the field have been greatly sought after. This article focuses on the use of bacteria-based assays as an emerging method that is both robust and inexpensive for the detection of arsenic in groundwater both in the field and in the laboratory. The arsenic detection elements in bacteria-based bioassays are biosensor-reporter strains; genetically modified strains of, e.g., Escherichia coli, Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus, and Rhodopseudomonas palustris. In response to the presence of arsenic, such bacteria produce a reporter protein, the amount or activity of which is measured in the bioassay. Some of these bacterial biosensor-reporters have been successfully utilized for comparative in-field analyses through the use of simple solution-based assays, but future methods may concentrate on miniaturization using fiberoptics or microfluidics platforms. Additionally, there are other potential emerging bioassays for the detection of arsenic in natural waters including nematodes and clams.

Plants respond to pathogen infection by enhancing the antifungal gene expression of root-associated bacteria.

Plant health and fitness widely depend on interactions with soil microorganisms. Some bacteria such as pseudomonads can inhibit pathogens by producing antibiotics, and controlling these bacteria could help improve plant fitness. In the present study, we tested whether plants induce changes in the antifungal activity of root-associated bacteria as a response to root pathogens. We grew barley plants in a split-root system with one side of the root system challenged by the pathogen Pythium ultimum and the other side inoculated with the biocontrol strain Pseudomonas fluorescens CHA0. We used reporter genes to follow the expression of ribosomal RNA indicative of the metabolic state and of the gene phlA, required for production of 2,4-diacetylphloroglucinol, a key component of antifungal activity. Infection increased the expression of the antifungal gene phlA. No contact with the pathogen was required, indicating that barley influenced gene expression by the bacteria in a systemic way. This effect relied on increased exudation of diffusible molecules increasing phlA expression, suggesting that communication with rhizosphere bacteria is part of the pathogen response of plants. Tripartite interactions among plants, pathogens, and bacteria appear as a novel determinant of plant response to root pathogens.

Internal arsenite bioassay calibration using multiple reporter cell lines

Bioassays with bioreporter bacteria are usually calibrated with analyte solutions of known concentrations that are analysed along with the samples of interest. This is done as bioreporter output (the intensity of light, fluorescence or colour) does not only depend on the target concentration, but also on the incubation time and physiological activity of the cells in the assay. Comparing the bioreporter output with standardized colour tables in the field seems rather difficult and error-prone. A new approach to control assay variations and improve application ease could be an internal calibration based on the use of multiple bioreporter cell lines with drastically different reporter protein outputs at a given analyte concentration. To test this concept, different Escherichia coli-based bioreporter strains expressing either cytochrome c peroxidase (CCP, or CCP mutants) or β-galactosidase upon induction with arsenite were constructed. The reporter strains differed either in the catalytic activity of the reporter protein (for CCP) or in the rates of reporter protein synthesis (for β-galactosidase), which, indeed, resulted in output signals with different intensities at the same arsenite concentration. Hence, it was possible to use combinations of these cell lines to define arsenite concentration ranges at which none, one or more cell lines gave qualitative (yes/no) visible signals that were relatively independent of incubation time or bioreporter activity. The discriminated concentration ranges would fit very well with the current permissive (e.g. World Health Organization) levels of arsenite in drinking water (10 µg l−1).

Impact of mycelia on the accessibility of fluorene to PAH-degrading bacteria.

Mycelia have been recently shown to actively transport polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) in water-unsaturated soil over the range of centimeters, thereby efficiently mobilizing hydrophobic PAH beyond their purely diffusive transport in air and water. However, the question if mycelia-based PAH transport has an effect on PAH biodegradation was so far unsolved. To address this, we developed a laboratory model microcosm mimicking air-water interfaces in soil. Chemical analyses demonstrated transport of the PAH fluorene (FLU) by the mycelial oomycete Pythium ultimum that was grown along the air-water interfaces. Furthermore, degradation of mycelia-transported FLU by the bacterium Burkholderia sartisoli RP037-mChe was indicated. Since this organism expresses eGFP in response to a FLU flux to the cell, it was also as a bacterial reporter of FLU bioavailability in the vicinity of mycelia. Confocal laser scanning microscopy (CLSM) and image analyses revealed a significant increase of eGFP expression in the presence of P. ultimum compared to controls without mycelia or FLU. Hence, we could show that physically separated FLU becomes bioavailable to bacteria after transport by mycelia. Experiments with silicon coated glass fibers capturing mycelia-transported FLU guided us to propose a three-step mechanism of passive uptake, active transport and diffusion-driven release. These experiments were also used to evaluate the contributions of these individual steps to the overall mycelial FLU transport rate.

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.

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.