Produção e aplicação de ramnolipídios produzidos por Pseudomonas aeruginosa LBI 2A1

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Avaliação do efeito do tratamento com surfactante químico e Pseudomonas aeruginosa LBI na toxicidade de solo contaminado com óleo lubrificante usado

Petroleum and its subproducts are considered a treat for the environmental quality because of the many environmental accidents that may occur during exploitation, transport and storage. A common remediation technique used in the contaminated areas is based on the use of surfactants, mainly the chemical ones, because they have low production costs. In the other hand, some microorganisms have indicate capacities of producing surfactants that emulsify substances and as result, offer a bigger contact surface for the microbiota degradation. This biossurfactants stand out in comparison with the chemical surfactants because they present lower micelar concentration values, are more tolerant for temperature and pH variation, because they are biodegradable, have low toxicity, higher emulsification and hydrocarbon solubilization index. In this way, after the surfactant application, a toxicity evaluation have to be made to identify the treatment effects. In soil, the activity of some microbial enzymes can show the environmental behavior of the contaminant under different treatment conditions. Dehydrogenase is one example of those enzymes that can demonstrate indirectly the effect of the pollutant on the soil microorganisms. The aim of this paper was to evaluate the toxicity after the addition of a surfactant and/or Pseudomonas aeruginosa LBI in soil contaminated by a mineral automotive lubricant. The previous mentioned bacteria are a potential biossurfactant (rhamnolipid) producer. In order to evaluate the toxicity, the dehydrogenase test was run. In this test, trifeniltetrazolium compound (TTC) after utilized as an electron acceptor, turns into trifenil formazan (TPF), that can be indirectly quantified using the absorbance measured by the spectrophotometer UV-visible. In this way, it was possible to quantify the dehydrogenase activity from the contaminated soil samples... (Complete abstract click electronic access below)

Estudo dos micronutrientes na produção de ramnolipídios por mutante de Pseudomonas aeruginosa LBI

Os biossurfactantes apresentam inúmeras vantagens, como baixa toxicidade, biodegradabilidade e alta estabilidade, mas não são amplamente utilizados devido ao custo de produção. A utilização de substratos baratos, linhagens mutantes que associados à otimização das condições de cultivo pode levar a uma redução nos custos, possibilitando assim a substituição dos surfactantes sintéticos pelos biológicos. Uma maneira empregada para maximizar a produção dos biossurfactantes é a limitação de nutrientes. Os esforços empregados nesse sentido são direcionado para as proporções carbono: nitrogênio, entretanto os efeitos dos elementos traços são pouco conhecidos. Devido a esses fatores, o presente trabalho avaliou a importância dos seguintes elementos traços: ferro, zinco, cobalto, cobre, manganês e do sal citrato de sódio dihidratado, nas fermentações realizadas utilizando o mutante de Pseudomonas aeruginosa LBI 2A1. Para tanto foram realizadas fermentações em frascos Erlenmeyer, onde se utilizou diferentes concentrações desses elementos. A influência dos mesmos na produção de ramnolipídios foi constatada, uma vez que a produção desse biotensoativo foi aumentada em mais de três vezes alterando apenas a concentração de um único elemento traço (Fe). Os experimentos realizados permitem, também, inferir a respeito das melhores concentrações desses micronutrientes para a produção de ramnolipídios

The effect of nitroxides on swarming motility and biofilms, multicellular behaviors in Pseudomonas aeruginosa

The ability of NO to induce biofilm dispersion has been well established. Here we investigated the effect of nitroxides (sterically hindered nitric oxide analogues) on biofilm formation and swarming motility in Pseudomonas aeruginosa. A transposon mutant unable to produce nitric oxide endogenously (nirS) was deficient in swarming motility relative to wild type and the complemented strain. Moreover, expression of the nirS gene was up-regulated by 9.65-fold in wild type swarming cells when compared to planktonic cells. Wild type swarming levels were substantially restored upon exogenous addition of nitroxide containing compounds, consistent with the hypothesis that NO is necessary for swarming motility. Here, we showed that nitroxides not only mimicked the dispersal activity of NO, but also prevented biofilms from forming in flow cell chambers. In addition, a nirS transposon mutant was deficient in biofilm formation relative to wild type and the complemented strain, thus implicating NO in the formation of biofilms. Intriguingly despite its stand alone action in inhibiting biofilm formation and promoting dispersal, a nitroxide partially restored the ability of a nirS mutant to form biofilms.

Atividade pró-trombótica da toxina ExoU de Pseudomonas aeruginosa detectada em modelos experimentais in vivo e in vitro

Pseudomonas aeruginosa é um importante agente de pneumonia, particularmente em pacientes submetidos à ventilação mecânica, que pode evoluir para sepse, com elevadas taxas de letalidade. Na sepse, o processo inflamatório sistêmico exacerbado favorece o desequilíbrio entre as vias de coagulação e fibrinólise e a instalação de um estado pró-coagulante, com o aparecimento de trombose microvascular, coagulação intravascular disseminada e falência de múltiplos órgãos. Conhecendo a potente atividade pró-inflamatória da toxina ExoU produzida por P. aeruginosa, decorrente de sua atividade fosfolipásica A2, o objetivo desta tese foi investigar seu potencial de indução de alterações hemostáticas relacionadas à patogênese da sepse. Utilizando modelo de sepse em camundongos inoculados, por via intratraqueal, com suspensões de P. aeruginosa produtora de ExoU (PA103) ou de cepa com deleção do gene exoU, não produtora da toxina, foi mostrado que ExoU determinou maior gravidade da infecção, maior taxa de letalidade, leucopenia, trombocitose, hiperpermeabilidade vascular e transudação plasmática, evidenciadas, respectivamente, pela maior concentração de proteínas nos lavados broncoalveolares (LBAs) e acúmulo do corante Azul de Evans, previamente inoculado nos animais, por via endovenosa, no parênquima renal. ExoU favoreceu, também, a ativação plaquetária, confirmada pela maior concentração de plaquetas expressando P-selectina em sua superfície, maior número de micropartículas derivadas de plaquetas e maior concentração plasmática de tromboxano A2. A histopatologia dos pulmões e rins dos animais infectados com PA103 confirmou a formação de microtrombos, que não foram detectados nos animais controles ou infectados com a cepa mutante. Nos pulmões, a produção de ExoU determinou intensa resposta inflamatória com maior concentração de leucócitos totais e polimorfonucleados, interleucina-6 e fator de necrose tumoral-α nos LBAs. A análise imunohistoquímica mostrou intensa deposição de fibrina nos alvéolos e septos interalveolares. A atividade pró-coagulante dependente do fator tissular detectada nos LBAs dos camundongos infectados com PA103 foi independente da produção do inibidor da via de ativação do fator tissular (TFPI), mas associada ao aumento da produção do inibidor do ativador do plasminogênio-1 (PAI-1). Para investigar a participação do fator de ativação plaquetária (PAF) na liberação de PAI-1, foi pesquisada a atividade da enzima PAF-acetil-hidrolase (PAF-AH) nos LBAs dos camundongos. A atividade de PAF-AH apresentou-se significativamente elevada nos LBA dos camundongos infectados com PA103. O tratamento dos animais com um inibidor do PAF, antes da infecção, resultou na diminuição significativa das concentrações de PAI-1 e de leucócitos totais, bem como da atividade pró-coagulante dos LBAs. In vitro, ExoU induziu maior expressão do RNA mensageiro de PAI-1 e maior liberação da proteína PAI-1 nos sobrenadantes de células epiteliais respiratórias da linhagem A549. O tratamento das células A549 com um anticorpo anti-receptor de PAF, antes da infecção, reduziu significativamente a concentração de PAI-1 nos sobrenadantes de células infectadas com a cepa selvagem. Estes resultados demonstraram um novo mecanismo de virulência de P. aeruginosa através da atividade pró-trombótica de ExoU e a possibilidade de utilização da identificação de ExoU em isolados clínicos de pacientes graves como um marcador prognóstico para estes pacientes.

Efeito de ExoU na ativação de NF-κB e na secreção de IL-8 por células humanas infectadas por Pseudomonas aeruginosa

ExoU, uma citotoxina produzida pelo patógeno oportunista Pseudomonas aeruginosa e translocada para o citossol de células hospedeiras via sistema de secreção do tipo III, é associada à gravidade de infecções agudas. Estudos anteriores realizados em nosso laboratório relataram a potente atividade pró-inflamatória de ExoU, responsável por um intenso recrutamento de neutrófilos para o sítio de infecção. No presente trabalho, o efeito de ExoU na modulação da ativação do fator transcricional NF-κB e na regulação da expressão e da secreção da quimiocina para neutrófilos IL-8 foi avaliado em culturas de células epiteliais respiratórias e endoteliais humanas infectadas com a cepa PA103 de P. aeruginosa (produtora de ExoU) ou com a mutante deletada no gene exoU, PA103κexoU. Análises por RT-PCR semi-quantitativo mostraram que a infecção pela cepa produtora de ExoU levou ao aumento dos níveis de mRNA de IL-8, enquanto ensaios de alteração da mobilidade eletroforética (EMSA), supershift e com gene repórter mostraram que ExoU induziu a translocação nuclear do heterodímero transativador p65/p50 de NF-κB e a ativação da transcrição de genes dependente deste fator transcricional. Adicionalmente, o tratamento das culturas celulares com um inibidor de NF-κB antes da infecção bacteriana reduziu significativamente os níveis de mRNA de IL-8 e da secreção desta quimiocina. Em conjunto, estes resultados mostram que ExoU ativa NF-κB e, consequentemente, estimula a expressão e a secreção de IL-8 por células epiteliais respiratórias e células endoteliais infectadas com P. aeruginosa

Ativação do estresse oxidativo e da resposta antioxidante por ExoU de Pseudomonas aeruginosa

ExoU, uma citotoxina produzida pelo patógeno oportunista Pseudomonas aeruginosa e translocada para o citosol de células hospedeiras via sistema de secreção do tipo III, é associada à gravidade de infecções agudas. No presente trabalho, o efeito de ExoU na ativação do estresse oxidativo e da resposta antioxidante foi avaliado em culturas de células epiteliais respiratórias humanas infectadas com a cepa PA103 de P. aeruginosa (produtora de ExoU), com a mutante deletada no gene exoU, PA103∆exoU, ou com a mutante complementada com exoU sem atividade tipo fosfolipase A2, PA103∆UT/S142A. Análises das dosagens de hidroperóxidos lipídicos e isoprostanos, considerados marcadores de estresse oxidativo, revelaram que ExoU promoveu um aumento em suas concentrações. Foi observado, também, que ExoU estimulou a produção de espécies reativas de oxigênio, óxido nítrico e peroxinitrito nas células infectadas, assim como a expressão de iNOS e eNOS, mas não de nNOS. Além disso, ExoU foi responsável pelo aumento da atividade de SOD1 e pela redução dos níveis de GSH, mas não afetou a atividade da catalase ou de NQO1. No modelo in vivo, a dosagem de malondialdeído, um subproduto da lipoperoxidação de membranas, evidenciou uma maior produção deste composto no pulmão de camundongos infectados pela cepa produtora de ExoU, em comparação ao pulmão de camundongos infectados pela cepa mutante. Em conjunto, estes resultados mostram que ExoU ativa a produção de espécies reativas de oxigênio e nitrogênio, levando à peroxidação lipídica e modulando o sistema de defesa antioxidante

Efeito do Sistema de Secreção do Tipo VI de Pseudomonas aeruginosa em modelo murino de pneumonia aguda

O Sistema de Secreção do Tipo VI (SST6), o mais recente maquinário de secreção descrito em bactérias Gram-negativas, é amplamente distribuído entre as diversas espécies deste grupo de microrganismos. Esse aparato de secreção é capaz de injetar efetores proteicos em células alvo, eucarióticas e procarióticas. Estudos sobre o papel do SST6 na virulência microbiana revelaram que este sistema secretório participa ativamente do estabelecimento de infecções, contribuindo para a sobrevivência das bactérias no interior de fagócitos. O genoma da cepa PAO1 de Pseudomonas aeruginosa apresenta três loci que codificam aparatos de SST6, denominados de H1-SST6, H2-SST6 e H3-SST6, Porém, pouco se sabe sobre a participação do SST6 na patogênese de infecções por P. aeruginosa. Assim, o presente estudo investigou o papel de H1-SST6, H2-SST6 e H3-SST6 durante a infecção pulmonar aguda de camundongos. Para isso, camundongos C57/BL6 foram infectados com diferentes doses de bactérias da cepa selvagem PAO1 ou das cepas mutantes PAO1∆H1, PAO1∆H2, PAO1∆H3 ou PAO1∆H1∆H2∆H3. Após 24 horas, os lavados broncoalveolares (LBAs) de animais controle e infectados foram recuperados para a contagem de leucócitos totais e polimorfonucleares e para a quantificação, por ELISA, da quimiocina para neutrófilos, KC, e das citocinas pró-inflamatórias IL-1β e TNF-α. Em outros experimentos, os pulmões, fígados, baços e rins dos animais foram macerados para a pesquisa da carga bacteriana e da disseminação sistêmica das bactérias. A citotoxicidade do SST6 foi determinada, in vitro, em neutrófilos humanos, pela marcação com iodeto de propídeo (PI) e anexina-V seguida da análise em citometria de fluxo. Os resultados mostraram que a inativação dos três SST6 reduziu significativamente a concentração de neutrófilos nos LBAs quando os animais foram infectados com 10⁷ Unidades Formadoras de Colônias de P. aeruginosa. Nesta dose, foi observado que as medianas do número de bactérias detectadas nos animais infectados com as mutantes no SST6 foram menores do que as detectadas nos animais infectados com a cepa parental PAO1. As mutações no SST6 não afetaram a disseminação sistêmica da bactéria. A pesquisa da secreção de citocinas pró-inflamatórias mostrou que, embora tenha sido observada uma redução nas medianas das concentrações de TNF-α nos LBAs de camundongos infectados com a cepa PAO1∆H1∆H2∆H3, em relação aos LBAs de camundongos infectados com a cepa parental, essa diferença não foi significativa. Como a pesquisa de IL-1β e KC não contribuiu para a elucidação dos mecanismos envolvidos na redução da concentração de neutrófilos nos LBAs dos camundongos infectados pela cepa tripla mutante, foi pesquisado o possível efeito do SST6 na morte de neutrófilos humanos. Os resultados mostraram que não houve diferenças significativas quando as diferentes amostras de células infectadas foram comparedas entre si. Em conclusão, os resultados do presente estudo mostraram que o SST6 pode interferir na resposta de neutrófilos durante a pneumonia aguda, mas estudos adicionais são necessários para determinar o papel deste mecanismo de secreção na patogênese de P. aeruginosa.

Pseudomonas aeruginosa PA14 cupD transcription is activated by the RcsB response regulator, but repressed by its putative cognate sensor RcsC

The opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa PA14 possesses four fimbrial cup clusters, which may confer the ability to adapt to different environments. cupD lies in the pathogenicity island PAPI-1 next to genes coding for a putative phosphorelay system composed of the hybrid histidine kinase RcsC and the response regulator RcsB. The main focus of this work was the regulation of cupD at the mRNA level. It was found that the HN-S-like protein MvaT does not exert a strong influence on cupD transcript levels, as it does for cupA. cupD transcription is higher in cultures grown at 28 degrees C, which agrees with a cupD mutant presenting attenuated virulence only in a plant model, but not in a mouse model of infection. Whereas an rcsC in-frame deletion mutant presented higher levels of cupD mRNA, rcsB deletion had the opposite effect. Accordingly, overexpression of RcsB increased the levels of cupD transcription, and promoted biofilm formation and the appearance of fimbriae. A single transcription start site was determined for cupD and transcription from this site was induced by RcsB. A motif similar to the enterobacterial RcsB/RcsA-binding site was detected adjacent to the -35 region, suggesting that this could be the RcsB-binding site. Comparison of P. aeruginosa and Escherichia coli Rcs may provide insights into how similar systems can be used by different bacteria to control gene expression and to adapt to various environmental conditions.

Cassava wastewater as a substrate for the simultaneous production of rhamnolipids and polyhydroxyalkanoates by Pseudomonas aeruginosa

Glycerol, cassava wastewater (CW), waste cooking oil and CW with waste frying oils were evaluated as alternative low-cost carbon substrates for the production of rhamnolipids and polyhydroxyalkanoates (PHAs) by various Pseudomonas aeruginosa strains. The polymers and surfactants produced were characterized by gas chromatography-mass spectrophotometry (MS) and by high-performance liquid chromatography-MS, and their composition was found to vary with the carbon source and the strain used in the fermentation. The best overall production of rhamnolipids and PHAs was obtained with CW with frying oil as the carbon source, with PHA production corresponding to 39% of the cell dry weight and rhamnolipid production being 660 mg l(-1). Under these conditions, the surface tension of the culture decreased to 30 mN m(-1), and the critical micelle concentration was 26.5 mg l(-1). It would appear that CW with frying oil has the highest potential as an alternative substrate, and its use may contribute to a reduction in the overall environmental impact generated by discarding such residues.

Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator is an epithelial cell receptor for clearance of Pseudomonas aeruginosa from the lung

The cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) is a chloride ion channel, but its relationship to the primary clinical manifestation of CF, chronic Pseudomonas aeruginosa pulmonary infection, is unclear. We report that CFTR is a cellular receptor for binding, endocytosing, and clearing P. aeruginosa from the normal lung. Murine cells expressing recombinant human wild-type CFTR ingested 30–100 times as many P. aeruginosa as cells lacking CFTR or expressing mutant ΔF508 CFTR protein. Purified CFTR inhibited ingestion of P. aeruginosa by human airway epithelial cells. The first extracellular domain of CFTR specifically bound to P. aeruginosa and a synthetic peptide of this region inhibited P. aeruginosa internalization in vivo, leading to increased bacterial lung burdens. CFTR clears P. aeruginosa from the lung, indicating a direct connection between mutations in CFTR and the clinical consequences of CF.

Identification of genes controlled by quorum sensing in Pseudomonas aeruginosa

Bacteria communicate with each other to coordinate expression of specific genes in a cell density-dependent fashion, a phenomenon called quorum sensing and response. Although we know that quorum sensing via acyl-homoserine lactone (HSL) signals controls expression of several virulence genes in the human pathogen Pseudomonas aeruginosa, the number and types of genes controlled by quorum sensing have not been studied systematically. We have constructed a library of random insertions in the chromosome of a P. aeruginosa acyl-HSL synthesis mutant by using a transposon containing a promoterless lacZ. This library was screened for acyl-HSL induction of lacZ. Thirty-nine quorum sensing-regulated genes were identified. The genes were organized into classes depending on the pattern of regulation. About half of the genes appear to be in seven operons, some seem organized in large patches on the genome. Many of the quorum sensing-regulated genes code for putative virulence factors or production of secondary metabolites. Many of the genes identified showed a high level of induction by acyl-HSL signaling.

Use of model plant hosts to identify Pseudomonas aeruginosa virulence factors

We used plants as an in vivo pathogenesis model for the identification of virulence factors of the human opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa. Nine of nine TnphoA mutant derivatives of P. aeruginosa strain UCBPP-PA14 that were identified in a plant leaf assay for less pathogenic mutants also exhibited significantly reduced pathogenicity in a burned mouse pathogenicity model, suggesting that P. aeruginosa utilizes common strategies to infect both hosts. Seven of these nine mutants contain TnphoA insertions in previously unknown genes. These results demonstrate that an alternative nonvertebrate host of a human bacterial pathogen can be used in an in vivo high throughput screen to identify novel bacterial virulence factors involved in mammalian pathogenesis.

QscR, a modulator of quorum-sensing signal synthesis and virulence in Pseudomonas aeruginosa

The opportunistic pathogenic bacterium Pseudomonas aeruginosa uses quorum-sensing signaling systems as global regulators of virulence genes. There are two quorum-sensing signal receptor and signal generator pairs, LasR–LasI and RhlR–RhlI. The recently completed P. aeruginosa genome-sequencing project revealed a gene coding for a homolog of the signal receptors, LasR and RhlR. Here we describe a role for this gene, which we call qscR. The qscR gene product governs the timing of quorum-sensing-controlled gene expression and it dampens virulence in an insect model. We present evidence that suggests the primary role of QscR is repression of lasI. A qscR mutant produces the LasI-generated signal prematurely, and this results in premature transcription of a number of quorum-sensing-regulated genes. When fed to Drosophila melanogaster, the qscR mutant kills the animals more rapidly than the parental P. aeruginosa. The repression of lasI by QscR could serve to ensure that quorum-sensing-controlled genes are not activated in environments where they are not useful.

Role of the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator in innate immunity to Pseudomonas aeruginosa infections

Chronic Pseudomonas aeruginosa infection occurs in 75–90% of patients with cystic fibrosis (CF). It is the foremost factor in pulmonary function decline and early mortality. A connection has been made between mutant or missing CF transmembrane conductance regulator (CFTR) in lung epithelial cell membranes and a failure in innate immunity leading to initiation of P. aeruginosa infection. Epithelial cells use CFTR as a receptor for internalization of P. aeruginosa via endocytosis and subsequent removal of bacteria from the airway. In the absence of functional CFTR, this interaction does not occur, allowing for increased bacterial loads in the lungs. Binding occurs between the outer core of the bacterial lipopolysaccharide and amino acids 108–117 in the first predicted extracellular domain of CFTR. In experimentally infected mice, inhibiting CFTR-mediated endocytosis of P. aeruginosa by inclusion in the bacterial inoculum of either free bacterial lipopolysaccharide or CFTR peptide 108–117 resulted in increased bacterial counts in the lungs. CFTR is also a receptor on gastrointestinal epithelial cells for Salmonella enterica serovar Typhi, the etiologic agent of typhoid fever. There was a significant decrease in translocation of this organism to the gastrointestinal submucosa in transgenic mice that are heterozygous carriers of a mutant ΔF508 CFTR allele, suggesting heterozygous CFTR carriers may have increased resistance to typhoid fever. The identification of CFTR as a receptor for bacterial pathogens could underlie the biology of CF lung disease and be the basis for the heterozygote advantage for carriers of mutant alleles of CFTR.