The multicopper oxidase of Pseudomonas aeruginosa is a ferroxidase with a central role in iron acquisition

Recently it has been observed that multicopper oxidases are present in a number of microbial genomes, raising the question of their function in prokaryotes. Here we describe the analysis of an mco mutant from the opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa. Unlike wild-type Pseudomonas aeruginosa, the mco mutant was unable to grow aerobically on minimal media with Fe(II) as sole iron source. In contrast, both the wild-type and mutant strain were able to grow either anaerobically via denitrification with Fe(II) or aerobically with Fe(III). Analysis of iron uptake showed that the mco mutant was impaired in Fe(II) uptake but unaffected in Fe(III) uptake. Purification and analysis of the MCO protein confirmed ferroxidase activity. Taken together, these data show that the mco gene encodes a multicopper oxidase that is involved in the oxidation of Fe(II) to Fe(III) subsequent to its acquisition by the cell. In view of the widespread distribution of the mco gene in bacteria, it is suggested that an iron acquisition mechanism involving multicopper oxidases may be an important and hitherto unrecognized feature of bacterial pathogenicity.

Differential regulation of twitching motility and elastase production by Vfr in Pseudomonas aeruginosa

Vfr, a homolog of Escherichia coli cyclic AMP (cAMP) receptor protein, has been shown to regulate quorum sensing, exotoxin A production, and regA transcription in Pseudomonas aeruginosa. We identified a twitching motility-defective mutant that carries a transposon insertion in vfr and confirmed that vfr is required for twitching motility by construction of an independent allelic deletion-replacement mutant of vfr that exhibited the same phenotype, as well as by the restoration of normal twitching motility by complementation of these mutants with wild-type vfr. Vfr-null mutants exhibited severely reduced twitching motility with barely detectable levels of type IV pili, as well as loss of elastase production and altered pyocyanin production. We also identified reduced-twitching variants of quorum-sensing mutants (PAK lasl::Tc) with a spontaneous deletion in vfr (S. A. Beatson, C. B. Whitchurch, A. B. T. Semmler, and J. S. Mattick, J. Bacteriol., 184:3598-3604,2002), the net result of which was the loss of five residues (EQERS) from the putative cAMP-binding pocket or Vfr. This allele (VfrDeltaEQERS) was capable of restoring elastase and pyocyanin production to wild-type levels in vfr-null mutants but not their defects in twitching motility. Furthermore, structural analysis of Vfr and VfrDeltaEQERS in relation to E. coli CRP suggests that Vfr is capable of binding both cAMP and cyclic GMP whereas VfrDeltaEQERS is only capable of responding to cAMP. We suggest that Vfr controls twitching motility and quorum sensing via independent pathways in response to these different signals, bound by the same cyclic nucleotide monophosphate-binding pocket.

Quorum sensing is not required for twitching motility in Pseudomonas aeruginosa

It has been reported that mutations in the quorum-sensing genes lasI and rhlI in Pseudomonas aeruginosa result in, among many other things, loss of twitching motility (A. Glessner, R. S. Smith, B. H. Iglewski, and J. B. Robinson, J. Bacteriol. 181:1623-1629, 1999). We constructed knockouts of lasI and rhlI and the corresponding regulatory genes lasR and rhlR and found no effect on twitching motility. However, twitching-defective variants accumulated during culturing of lasI and rhlI mutants. Further analysis showed that the stable twitching-defective variants of lasI and rhlI mutants had arisen as a consequence of secondary mutations in vfr and algR, respectively, both of which encode key regulators affecting a variety of phenotypes, including twitching motility. In addition, when grown in shaking broth culture, lasI and rhlI mutants, but not the wild-type parent, also accumulated unstable variants that lacked both twitching motility and swimming motility and appeared to be identical in phenotype to the S1 and S2 variants that were recently reported to occur at high frequencies in P. aeruginosa strains grown as a biofilm or in static broth culture (E. Deziel, Y. Comeau, and R. Villemur, J. Bacteriol. 183:1195-1204, 2001). These results indicate that mutations in one regulatory system may create distortions that select during subsequent culturing for compensatory mutations in other regulatory genes within the cellular network. This problem may have compromised some past studies of regulatory hierarchies controlled by quorum sensing and of bacterial regulatory systems in general.

Efeitos estruturais e cinéticos de micelas invertidas sobre uma amidase de pseudomonas aeruginosa

No presente trabalho foi executado o encapsulamento de células intactas, extracto celular e amidase purificada (E.C. 3.5.1.4) da estirpe L10 e AI3 de Pseudomonas aeruginosa num sistema de micelas invertidas composto pelo surfactante catiónico brometo de tetradeciltrimetilamónio (TTAB) em heptano/octanol 80/20 (v/v). O efeito do encapsulamento no sistema de micelas invertidas foi estudado avaliando a reacção de transamidação para síntese de ácido acetohidroxâmico, catalisada pela amidase expressa por ambas as estirpes. No sistema de micelas invertidas fez-se variar conteúdo de água (w0) e foi estudado o efeito na actividade enzimática e no rendimento de síntese de acetohidroxamato. Os resultados demonstraram um aumento considerável de actividade específica e do rendimento de síntese no sistema de micelas comparativamente ao meio convencional aquoso, sugerindo que a metodologia de encapsulamento do biocatalisador demonstrou potencialidades de utilização na síntese de hidroxamatos, compostos de elevada importância e aplicabilidade. Na variação do conteúdo de água no sistema micelar obteve-se uma curva em sino de actividade específica e de rendimento, com um pico de actividade para w0 = 10, quer em células intactas, extracto celular e amidase purificada de ambas as estirpes. No caso da Pseudomonas aeruginosa L10 alcançaram-se actividades específicas de 8, 11 e 103 UI/mg de proteína e rendimentos de 94, 99 e 40 % respectivamente para células intactas, extracto celular e amidase purificada. Quanto à Pseudomonas aeruginosa AI3 obtiveram-se, respectivamente, actividades específicas de 5, 9 e 163 UI/ mg de proteína e rendimentos de 66, 66 e 28 % para células intactas, extracto celular e amidase purificada. A estabilidade de armazenamento do biocatalisador no sistema de micelas invertidas e em solução aquosa a 24ºC foi avaliada. Este estudo revelou um aumento do t1/2 no sistema de micelas face ao armazenamento em solução aquosa convencional. No caso da Pseudomonas aeruginosa L10 os melhores resultados foram obtidos para a amidase purificada encapsulada revelando um t1/2 de 17 dias. Quanto ao extracto celular da Pseudomonas aeruginosa AI3 demonstrou um t1/2 de 26 dias quando encapsulado no sistema de micelas. O estudo das alterações estruturais na amidase, de ambas as estirpes, devidas ao encapsulamento em micelas invertidas foi realizado recorrendo à espectroscopia de FTIR. Esta análise permitiu verificar que a amidase AI3 não alterou significativamente a sua estrutura secundária em micelas invertidas para diferentes w0. No entanto, no encapsulamento a sua estrutura secundária sofreu alterações face à estrutura do enzima em solução aquosa. A amidase L10 exibe apenas alterações estruturais face à estrutura que exibe em solução aquosa quando confinada em micelas para w0 3,5 e 4.

Construção de um biossensor para o doseamento de ureia baseado na inibição enzimática da amidase de pseudomonas aeruginosa com recurso a um eléctrodo selectivo de iões amónio

Era objectivo do presente trabalho o desenvolvimento de um biossensor baseado na inibição da amidase de Pseudomonas aeruginosa para a quantificação de ureia em diversas amostras com recurso a um eléctrodo selectivo de iões amónio (ISE). A ureia é um poderoso inibidor do centro activo da amidase (Acilamida hidrolase EC 3.5.1.4) de Pseudomonas aeruginosa a qual catalisa a hidrólise de amidas alifáticas produzindo o ácido correspondente e amónia. O extracto celular de Pseudomonas aeruginosa L10 contendo actividade de amidase foi imobilizado em membranas de poliétersulfona modificadas (PES) e em membranas de nylon Porablot NY Plus na presença de gelatina e de glutaraldeído (GA) como agente bifuncional. Estas membranas foram posteriormente utilizadas na construção do biossensor baseado no ISE, utilizando acetamida como substrato, a reacção enzimática foi seguida medindo os iões amónio produzidos pela hidrólise da amida alifática, e a resposta do biossensor apresentada como a velocidade inicial da reacção (mV.min-1). A optimização dos parâmetros de imobilização foi efectuada de acordo com a metodologia ANOVA. Assim, a mistura de 30μL extracto celular, 2μL GA (5%) e 10 μL Gelatina 15% (p/v) foi a que conduziu a uma melhor resposta do biossensor. Efectuou-se ainda o estudo de optimização de alguns parâmetros experimentais pH e tempo de incubação em ureia, este conduziu ao valor pH=7,2 como pH óptimo de resposta do biossensor e 20 min como tempo óptimo de incubação das membranas nas soluções de ureia, sendo neste caso a resposta do biossensor dada pela diferença das respostas do biossensor antes e após incubação. A calibração do biossensor foi efectuada em soluções contendo concentrações conhecidas de ureia preparadas em tampão Tris, leite e vinho caseiro, exibindo um limite de detecção de 2,0 ×10-6 M de ureia. A incubação das membranas em hidroxilamina 2M por um período de 2h permitiu a recuperação de 70% da actividade enzimática da membrana. O biossensor apresentou uma elevada estabilidade de armazenamento por um período de 55 dias revelando uma perda de apenas 15% da sua resposta. O biossensor desenvolvido apresenta uma sensibilidade de 58,245 mV.min-1 e um tempo de resposta de aproximadamente 20s. A resposta do biossensor foi linear para concentrações de ureia presentes no vinho na gama de 4-10 μM de ureia.