A study of aspects of heterokaryosis in aspergillus nidulans

A series of studies have been undertaken to find cases in which heterokaryons show adaptative response to environmental change. Comparisons have also been made between the phenotypes of heterokaryons and corresponding heterozygotes. Unsuccessful attempts were made to produce heterokaryons, on complete medium, balanced by one previously-existing mutant and one newly-obtained slow-growing mutant. Adaptation was achieved in heterokaryons carrying different mutant alleles conferring resistance to: (a) acriflavine, (b) actidione and (c) p-fluorophenylalanine. Comparison with the heterozygote in case (a) suggested a highly localised action of the allele determining resistance. A similar comparison for (b) suggested a non-localised action. In cases (b) and (c) dosage effects were observed in the degree of resistance that the heterokaryons, compared with the corresponding heterozygotes, could achieve. In case (c) interaction of the resistance marker with a nutritional marker (nic8) has been investigated further and a new unteraction between nic8 and Act1 detected. During this work a new conidial colour mutant, fawn, was isolated and characterised. It is likely to be a valuable visual marker, especially in view of its interaction with other colour mutants.

Mutantes letais termossensíveis em Aspergillus nidulans

Amostras termossensíveis (42ºC) de A. nidulans foram obtidas pela irradiação com U.V. Dentre 18 mutantes termossensíveis, 3 demonstraram que o determinante da termossensibilidade era causado por efeitos associados com o núcleo e foram selecionados para estudos posteriores. Foram sintetizados diplóides entre amostras normais e os três mutantes (mais um) exibindo letalidade 42ºC e foi verificada uma completa recessividade em todos os casos. Para fins comparativos forma feitas tentativas para o alelo correspondente, mostraram resultados bastante diferentes quando experimentados em diferentes tempos de incubação inicial a 37ºC e depois transferidos para 41ºC. Os herocários praticamente não apresentaram resposta adaptativa às mudanças de temperatura. A ligeira diferença de comportamento heterocários: heterozigoto provavelmente é resultante do efeito de dosagem. Os resultados reafirmam e oferecem confiança na estabilidade dos heterocários quando em condições constantes de meio.

NEW METHODS FOR DETECTION, SUSCEPTIBILITY TESTING AND BIOFILM ERADICATION OF DIFFICULT ORGANISMS

Aujourd'hui, les problèmes des maladies infectieuses concernent l'émergence d'infections difficiles à traiter, telles que les infections associées aux implants et les infections fongiques invasives chez les patients immunodéprimés. L'objectif de cette thèse était de développer des stratégies pour l'éradication des biofilms bactériens (partie 1), ainsi que d'étudier des méthodes innovantes pour la détection microbienne, pour l'établissement de nouveaux tests de sensibilité (partie 2). Le traitement des infections associées aux implants est difficile car les biofilms bactériens peuvent résister à des niveaux élevés d'antibiotiques. A ce jour, il n'y a pas de traitement optimal défini contre des infections causées par des bactéries de prévalence moindre telles que Enterococcus faecalis ou Propionibacterium acnés. Dans un premier temps, nous avons démontré une excellente activité in vitro de la gentamicine sur une souche de E. faecalis en phase stationnaire de croissance Nous avons ensuite confirmé l'activité de la gentamicine sur un biofilm précoce en modèle expérimental animal à corps étranger avec un taux de guérison de 50%. De plus, les courbes de bactéricidie ainsi que les résultats de calorimétrie ont prouvé que l'ajout de gentamicine améliorait l'activité in vitro de la daptomycine, ainsi que celle de la vancomycine. In vivo, le schéma thérapeutique le plus efficace était l'association daptomycine/gentamicine avec un taux de guérison de 55%. En établissant une nouvelle méthode pour l'évaluation de l'activité des antimicrobiens vis-à-vis de micro-organismes en biofilm, nous avons démontré que le meilleur antibiotique actif sur les biofilms à P. acnés était la rifampicine, suivi par la penicilline G, la daptomycine et la ceftriaxone. Les études conduites en modèle expérimental animal ont confirmé l'activité de la rifampicine seule avec un taux de guérison 36%. Le meilleur schéma thérapeutique était au final l'association rifampicine/daptomycine avec un taux de guérison 63%. Les associations de rifampicine avec la vancomycine ou la levofloxacine présentaient des taux de guérisons respectivement de 46% et 25%. Nous avons ensuite étudié l'émergence in vitro de la résistance à la rifampicine chez P. acnés. Nous avons observé un taux de mutations de 10"9. La caractérisation moléculaire de la résistance chez les mutant-résistants a mis en évidence l'implication de 5 mutations ponctuelles dans les domaines I et II du gène rpoB. Ce type de mutations a déjà été décrit au préalable chez d'autres espèces bactériennes, corroborant ainsi la validité de nos résultats. La deuxième partie de cette thèse décrit une nouvelle méthode d'évaluation de l'efficacité des antifongiques basée sur des mesures de microcalorimétrie isotherme. En utilisant un microcalorimètre, la chaleur produite par la croissance microbienne peut être-mesurée en temps réel, très précisément. Nous avons évalué l'activité de l'amphotéricine B, des triazolés et des échinocandines sur différentes souches de Aspergillus spp. par microcalorimétrie. La présence d'amphotéricine Β ou de triazole retardait la production de chaleur de manière concentration-dépendante. En revanche, pour les échinochandines, seule une diminution le pic de « flux de chaleur » a été observé. La concordance entre la concentration minimale inhibitrice de chaleur (CMIC) et la CMI ou CEM (définie par CLSI M38A), avec une marge de 2 dilutions, était de 90% pour l'amphotéricine B, 100% pour le voriconazole, 90% pour le pozoconazole et 70% pour la caspofongine. La méthode a été utilisée pour définir la sensibilité aux antifongiques pour d'autres types de champignons filamenteux. Par détermination microcalorimétrique, l'amphotéricine B s'est avéré être l'agent le plus actif contre les Mucorales et les Fusarium spp.. et le voriconazole le plus actif contre les Scedosporium spp. Finalement, nous avons évalué l'activité d'associations d'antifongiques vis-à-vis de Aspergillus spp. Une meilleure activité antifongique était retrouvée avec l'amphotéricine B ou le voriconazole lorsque ces derniers étaient associés aux échinocandines vis-à-vis de A. fumigatus. L'association échinocandine/amphotéricine B a démontré une activité antifongique synergique vis-à-vis de A. terreus, contrairement à l'association échinocandine/voriconazole qui ne démontrait aucune amélioration significative de l'activité antifongique. - The diagnosis and treatment of infectious diseases are today increasingly challenged by the emergence of difficult-to-manage situations, such as infections associated with medical devices and invasive fungal infections, especially in immunocompromised patients. The aim of this thesis was to address these challenges by developing new strategies for eradication of biofilms of difficult-to-treat microorganisms (treatment, part 1) and investigating innovative methods for microbial detection and antimicrobial susceptibility testing (diagnosis, part 2). The first part of the thesis investigates antimicrobial treatment strategies for infections caused by two less investigated microorganisms, Enterococcus faecalis and Propionibacterium acnes, which are important pathogens causing implant-associated infections. The treatment of implant-associated infections is difficult in general due to reduced susceptibility of bacteria when present in biofilms. We demonstrated an excellent in vitro activity of gentamicin against E. faecalis in stationary growth- phase and were able to confirm the activity against "young" biofilms (3 hours) in an experimental foreign-body infection model (cure rate 50%). The addition of gentamicin improved the activity of daptomycin and vancomycin in vitro, as determined by time-kill curves and microcalorimetry. In vivo, the most efficient combination regimen was daptomycin plus gentamicin (cure rate 55%). Despite a short duration of infection, the cure rates were low, highlighting that enterococcal biofilms remain difficult to treat despite administration of newer antibiotics, such as daptomycin. By establishing a novel in vitro assay for evaluation of anti-biofilm activity (microcalorimetry), we demonstrated that rifampin was the most active antimicrobial against P. acnes biofilms, followed by penicillin G, daptomycin and ceftriaxone. In animal studies we confirmed the anti-biofilm activity of rifampin (cure rate 36% when administered alone), as well as in combination with daptomycin (cure rate 63%), whereas in combination with vancomycin or levofloxacin it showed lower cure rates (46% and 25%, respectively). We further investigated the emergence of rifampin resistance in P. acnes in vitro. Rifampin resistance progressively emerged during exposure to rifampin, if the bacterial concentration was high (108 cfu/ml) with a mutation rate of 10"9. In resistant isolates, five point mutations of the rpoB gene were found in cluster I and II, as previously described for staphylococci and other bacterial species. The second part of the thesis describes a novel real-time method for evaluation of antifungals against molds, based on measurements of the growth-related heat production by isothermal microcalorimetry. Current methods for evaluation of antifungal agents against molds, have several limitations, especially when combinations of antifungals are investigated. We evaluated the activity of amphotericin B, triazoles (voriconazole, posaconazole) and echinocandins (caspofungin and anidulafungin) against Aspergillus spp. by microcalorimetry. The presence of amphotericin Β or a triazole delayed the heat production in a concentration-dependent manner and the minimal heat inhibition concentration (MHIC) was determined as the lowest concentration inhibiting 50% of the heat produced at 48 h. Due to the different mechanism of action echinocandins, the MHIC for this antifungal class was determined as the lowest concentration lowering the heat-flow peak with 50%. Agreement within two 2-fold dilutions between MHIC and MIC or MEC (determined by CLSI M38A) was 90% for amphotericin B, 100% for voriconazole, 90% for posaconazole and 70% for caspofungin. We further evaluated our assay for antifungal susceptibility testing of non-Aspergillus molds. As determined by microcalorimetry, amphotericin Β was the most active agent against Mucorales and Fusarium spp., whereas voriconazole was the most active agent against Scedosporium spp. Finally, we evaluated the activity of antifungal combinations against Aspergillus spp. Against A. jumigatus, an improved activity of amphotericin Β and voriconazole was observed when combined with an echinocandin. Against A. terreus, an echinocandin showed a synergistic activity with amphotericin B, whereas in combination with voriconazole, no considerable improved activity was observed.

Benznidazole-induced genotoxicity in diploid cells of Aspergillus nidulans

Genotoxic effects of benznidazole were studied by the induction of homozygosis of genes previously present in heterozygous. UT448//A757 diploid strain was used in the benznidazole's recombinagenesis test. Although toxic effects on growth of colonies were not observed, 75 and 100 µM benznidazole induced an increasing of mitotic recombination events in diploid strain. Results were related to the induction of chromosomal breaks by the antiparasitic drug.

Genetic diversity of environmental Aspergillus flavus strains in the state of São Paulo, Brazil by random amplified polymorphic DNA

Aspergillus flavus is a very important toxigenic fungus that produces aflatoxins, a group of extremely toxic substances to man and animals. Toxigenic fungi can grow in feed crops, such as maize, peanuts, and soybeans, being thus of high concern for public health. There are toxigenic and non-toxigenic A. flavus variants, but the necessary conditions for expressing the toxigenic potential are not fully understood. Therefore, we have studied total-DNA polymorphism from toxigenic and non toxigenic A. flavus strains isolated from maize crops and soil at two geographic locations, 300 km apart, in the Southeast region of Brazil. Total DNA from each A. flavus isolate was extracted and subjected to polymerase chain reaction amplification with five randomic primers through the RAPD (random amplified polymorphic DNA) technique. Phenetic and cladistic analyses of the data, based on bootstrap analyses, led us to conclude that RAPD was not suitable to discriminate toxigenic from non toxigenic strains. But the present results support the use of RAPD for strain characterization, especially for preliminary evaluation over extensive collections.

Characterization of Aspergillus species based on fatty acid profiles

Cellular fatty acid (FA) composition was utilized as a taxonomic tool to discriminate between different Aspergillus species. Several of the tested species had the same FA composition and different relative FA concentrations. The most important FAs were palmitic acid (C16:0), estearic acid (C18:0), oleic acid (C18:1) and linoleic acid (C18:2), which represented 95% of Aspergillus FAs. Multivariate data analysis demonstrated that FA analysis is a useful tool for differentiating species belonging to genus Aspergillus. All the species analyzed showed significantly FA acid profiles (p < 0.001). Furthermore, it will be possible to distinguish among Aspergillus spp. in the Flavi Section. FA composition can serve as a useful tool for the identification of filamentous fungi.

Repercussion of a deficiency in mitochondrial ß-oxidation on the carbon flux of short-chain fatty acids to the peroxisomal ß-oxidation cycle in Aspergillus nidulans.

The fungus Aspergillus nidulans contains both a mitochondrial and peroxisomal ß-oxidation pathway. This work was aimed at studying the influence of mutations in the foxA gene, encoding a peroxisomal multifunctional protein, or in the scdA/echA genes, encoding a mitochondrial short-chain dehydrogenase and an enoyl-CoA hydratase, respectively, on the carbon flux to the peroxisomal ß-oxidation pathway. A. nidulans transformed with a peroxisomal polyhydroxyalkanoate (PHA) synthase produced PHA from the polymerization of 3-hydroxyacyl-CoA intermediates derived from the peroxisomal ß-oxidation of external fatty acids. PHA produced from erucic acid or heptadecanoic acid contained a broad spectrum of monomers, ranging from 5 to 14 carbons, revealing that the peroxisomal ß-oxidation cycle can handle both long and short-chain intermediates. While the ∆foxA mutant grown on erucic acid or oleic acid synthesized 10-fold less PHA compared to wild type, the same mutant grown on octanoic acid or heptanoic acid produced 3- to 6-fold more PHA. Thus, while FoxA has an important contribution to the degradation of long-chain fatty acids, the flux of short-chain fatty acids to peroxisomal ß-oxidation is actually enhanced in its absence. While no change in PHA was observed in the ∆scdA∆echA mutant grown on erucic acid or oleic acid compared to wild type, there was a 2- to 4-fold increased synthesis of PHA in ∆scdA∆echA cells grown in octanoic acid or heptanoic acid. These results reveal that a compensatory mechanism exists in A. nidulans that increases the flux of short-chain fatty acids towards the peroxisomal ß-oxidation cycle when the mitochondrial ß-oxidation pathway is defective.

Optimização da Produção de Frutooligossacáridos por Aspergillus

Este trabalho foi proposto no âmbito do Projecto BIOLIFE – Produção de ingredientes para alimentos funcionais, em curso na BIOTEMPO, Lda desde 2004. Com este trabalho, pretendeu-se avaliar o potencial da produção de frutooligossacáridos (FOS) por Aspergillus sp, recorrendo a um sistema de fermentação descontínuo. Frutooligossacáridos (FOS) são oligossacáridos que ocorrem naturalmente em produtos de origem vegetal, tais como o tomate, cevada, cebola, banana, centeio, espargos, alcachofras, entre outros. Para além de existirem naturalmente, os FOS podem ser produzidos a partir da sacarose usando enzimas ou recorrendo a microrganismos produtores. A tecnologia de fermentação tem como vantagem face à tecnologia enzimática, actualmente a mais utilizada no mercado, o facto de evitar o passo de produção e separação das enzimas, simplificando o processo e reduzindo os custos de operação. Os FOS são prebióticos que, para além de serem compostos indigeríveis, possuem um bom poder adoçante que, apesar de inferior ao dos açúcares comuns é bastante significativo. Esta característica permite a sua utilização como adoçantes não calóricos. Adicionalmente, os prebióticos apresentam outras propriedades benéficas tais como o aumento da absorção de cálcio e magnésio, o aumento da velocidade de metabolismo dos lípidos e efeitos anticancerígenos. A produção de FOS por Aspergillus sp foi estudada recorrendo a um desenho experimental para restringir o número de experiencias requeridas num processo de optimização. Inicialmente foram efectuadas sete fermentações com o intuito de encontrar o ponto óptimo de produção de FOS. Os parâmetros de optimização utilizados foram a temperatura e a agitação. Posteriormente, foram incluídas mais quatro fermentações no referido desenho. O tratamento estatístico dos resultados conduziu a um modelo cúbico que foi posteriormente validado comprovando o seu ajuste. Concluindo, o desenho experimental permitiu obter um modelo que descreve a produção de FOS por Aspergillus sp, bem como determinar as condições para os quais o rendimento de produção de FOS é máximo.

Host genetics of invasive Aspergillus and Candida infections.

Invasive candidiasis and aspergillosis are major complications in surgical and onco-hematological patients, and still associated with an important morbidity and mortality. A large number of studies highlighted the potential role of host genetic polymorphisms that may influence susceptibility to fungal pathogens, but many were limited by insufficient statistical power, problematic design, and/or lack of replication. However, some relevant polymorphisms are now emerging from well-conducted studies whose associations have been replicated and/or are supported by strong biological evidence. Such polymorphisms together with other biomarkers may play a role in the prediction, diagnosis, and management of severe fungal infections in high-risk patients in the coming years.

Contaminação endógena por Aspergillus spp. em milho pós-colheita no Estado do Paraná

Sessenta amostras de milho pós-colheita foram avaliadas quanto à contaminação fúngica endógena e o potencial toxígeno de espécies do gênero Aspergillus e seus teleomorfos. Quarenta grãos aparentemente sadios de cada amostra foram desinfestados em NaClO e incubados em câmara úmida a 25±1ºC para exteriorização dos fungos, que posteriormente foram isolados em ágar Czapek-Dox. Foram identificadas as espécies Aspergillus flavus, A. parasiticus, Eurotium amstelodami e E. chevalieri. O potencial toxígeno dos fungos A. flavus e A. parasiticus foi avaliado quanto à síntese de aflatoxinas em meio ágar-coco. Espécies do gênero Eurotium foram avaliadas quanto à síntese de esterigmatocistina, nos meios ágar-amendoim e trigo triturado. A porcentagem de grãos contaminados variou entre 0 e 100%, prevalecendo os gêneros Aspergillus, Penicillium e Fusarium. A espécie predominante foi a A. flavus (64%), seguida por E. amstelodami (19%), E. chevalieri (10%) e A. parasiticus (7%). A partir de 109 isolados de A. flavus, evidenciou-se que 73 isolados sintetizaram aflatoxinas B1 e B2, 20 sintetizaram B1, sete sintetizaram B1 e G1, três sintetizaram B1, B2 e G1 e em seis não foi detectada a síntese de aflatoxina. A síntese de esterigmatocistina pelas espécies E. amstelodami e E. chevalieri não foi detectada.

Utilização de penas de galinha para produção de queratinase por Aspergillus carbonarius

O objetivo deste trabalho foi estudar a produção de queratinase por Aspergillus carbonarius URM 1546, tendo-se como substrato penas de galinha, por meio de planejamento fatorial completo 2³. Todos os parâmetros estudados e as interações de segunda ordem foram estatisticamente significativos. A maior atividade queratinolítica (48,9 U mL-1) foi obtida com 120 rpm, 0,5% (p/v) de penas de galinha e sete dias de cultivo.

Variáveis que influenciam a produção de celulases e xilanase por espécies de Aspergillus

O objetivo deste trabalho foi determinar as variáveis que influenciam a produção simultânea de celulases e xilanase por Aspergillus aculeatus URM 4953 e A. phoenicis URM 4924, com uso de bagaço de cana-de-açúcar como substrato. As variáveis avaliadas foram pH inicial, tempo de cultivo, concentração do substrato, agitação, concentração do inóculo, temperatura, tipo de bagaço de cana-de-açúcar e espécie de Aspergillus. Foi utilizado o planejamento fatorial fracionário 2(8-4), com três repetições no ponto central. Todas as variáveis analisadas influenciaram a produção de pelo menos uma das enzimas. As maiores atividades enzimáticas observadas foram: celulases totais, 0,45 UI mL-1; endoglucanase, 0,60 UI mL-1; exoglucanase, 0,17 U mL-1 ; celobiase 6,42 UI mL-1; e xilanase, 30,05 U mL-1. As melhores condições para produção das enzimas foram: pH 6,0; tempo de cultivo de 168 horas; bagaço de cana-de-açúcar residual como substrato; e A. aculeatus URM 4953, que produziu as celulases e a xilanase simultaneamente. As variáveis que influenciam a produção simultânea das celulases e xilanase são pH, tempo de cultivo, tipo de bagaço de cana-de-açúcar e espécie de Aspergillus.

Produção de celulases por Aspergillus niger por fermentação em estado sólido

O objetivo deste trabalho foi avaliar a produção enzimática de celulases pelo fungo filamentoso Aspergillus niger por fermentação em estado sólido de diferentes substratos. Foram avaliados os substratos sólidos bagaço de cana-de-açúcar, farelo de soja, farelo de trigo e misturas entre os substratos. Em substrato com 90% de bagaço e 10% de farelo de soja, avaliaram-se os efeitos do conteúdo de umidade (60, 70 e 80%, base úmida) e da suplementação com os meios indutores da atividade enzimática: sacarose, Mandels & Weber básico, Mandels & Weber modificado, com acréscimo de carboximetilcelulose, e Czapeck Dox. As maiores atividades de celulase total e endoglucanase, em farelo de trigo, foram obtidas após 72 horas de cultivo: 0,4 e 21,0 UI g-1, respectivamente. Observou-se expressivo aumento nas atividades enzimáticas na medida em que se aumentou a proporção de farelos no substrato, em comparação à fermentação com bagaço de cana apenas. O conteúdo de umidade de 50% foi insuficiente para conseguir completa hidratação do bagaço de cana, e a umidade ideal varia de acordo com o meio utilizado para suplementação e encontra-se entre 70 e 80%. O meio de Mandels & Weber modificado apresenta o melhor resultado como indutor da atividade enzimática.