The structure of nervous tissue and of Gram-positive bacteria studied by cryo-electron microscopy of vitreous sections

Résumé La structure, ou l'architecture, des êtres vivants définit le cadre dans lequel la physique de la vie s'accomplit. La connaissance de cette structure dans ses moindres détails est un but essentiel de la biologie. Son étude est toutefois entravée par des limitations techniques. Malgré son potentiel théorique, la microscopie électronique n'atteint pas une résolution atomique lorsqu'elle est appliquée ä la matièxe biologique. Cela est dû en grande partie au fait qu'elle contient beaucoup d'eau qui ne résiste pas au vide du microscope. Elle doit donc être déshydratée avant d'être introduite dans un microscope conventionnel. Des artéfacts d'agrégation en découlent inévitablement. La cryo-microscopie électronique des sections vitreuses (CEMOVIS) a ëté développée afin de résoudre cela. Les spécimens sont vitrifiés, c.-à-d. que leur eau est immobilisée sans cristalliser par le froid. Ils sont ensuite coupés en sections ultrafines et celles-ci sont observées à basse température. Les spécimens sont donc observés sous forme hydratée et non fixée; ils sont proches de leur état natif. Durant longtemps, CEMOVIS était très difficile à exécuter mais ce n'est plus le cas. Durant cette thèse, CEMOVIS a été appliqué à différents spécimens. La synapse du système nerveux central a été étudiée. La présence dans la fente synaptique d'une forte densité de molécules organisées de manière périodique a été démontrée. Des particules luminales ont été trouvées dans Ies microtubules cérébraux. Les microtubules ont servi d'objets-test et ont permis de démontrer que des détails moléculaires de l'ordre du nm sont préservés. La compréhension de la structure de l'enveloppe cellulaire des bactéries Grampositives aété améliorée. Nos observations ont abouti à l'élaboration d'un nouveau modèle hypothétique de la synthèse de la paroi. Nous avons aussi focalisé notre attention sur le nucléoïde bactérien et cela a suscité un modèle de la fonction des différents états structuraux du nucléoïde. En conclusion, cette thèse a démontré que CEMOVIS est une excellente méthode poux étudier la structure d'échantillons biologiques à haute résolution. L'étude de la structure de divers aspects des êtres vivants a évoqué des hypothèses quant à la compréhension de leur fonctionnement. Summary The structure, or the architecture, of living beings defines the framework in which the physics of life takes place. Understanding it in its finest details is an essential goal of biology. Its study is however hampered by technical limitations. Despite its theoretical potential, electron microscopy cannot resolve individual atoms in biological matter. This is in great part due to the fact. that it contains a lot of water that cannot stand the vacuum of the microscope. It must therefore be dehydrated before being introduced in a conventional mìcroscope. Aggregation artefacts unavoidably happen. Cryo-electron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS) has been developed to solve this problem. Specimens are vitrified, i.e. they are rapidly cooled and their water is immobilised without crystallising by the cold. They are then. sectioned in ultrathin slices, which are observed at low temperatures. Specimens are therefore observed in hydrated and unfixed form; they are close to their native state. For a long time, CEMOVIS was extremely tedious but this is not the case anymore. During this thesis, CEMOVIS was applied to different specimens. Synapse of central nervous system was studied. A high density of periodically-organised molecules was shown in the synaptic cleft. Luminal particles were found in brain microtubules. Microtubules, used as test specimen, permitted to demonstrate that molecular details of the order of nm .are preserved. The understanding of the structure of cell envelope of Gram-positive bacteria was improved. Our observations led to the elaboration of a new hypothetic model of cell wall synthesis. We also focused our attention on bacterial nucleoids and this also gave rise to a functional model of nucleoid structural states. In conclusion, this thesis demonstrated that CEMOVIS is an excellent method for studying the structure of bìologìcal specimens at high resolution. The study of the structure of various aspects of living beings evoked hypothesis for their functioning.

Ocorrência de bactérias diazotróficas e fungos micorrízicos arbusculares na cultura da mandioca

Este trabalho teve como objetivo avaliar a ocorrência, isolar e identificar fungos micorrízicos arbusculares associados à cultura da mandioca (Manihot esculenta). Amostras de solo rizosférico e de várias partes da planta (raízes, tubérculos, manivas e folhas) de locais nos Estados do Rio de Janeiro, São Paulo e Paraná, foram inoculadas nos meios LGI-P, NFb-malato e NFb-GOC, avaliando-se o número mais provável de células e a atividade de redução de acetileno. Bactérias diazotróficas foram isoladas de todas as partes da planta, com exceção das folhas, sendo identificadas como Klebsiella sp., Azospirillum lipoferum e uma bactéria denominada "E", provavelmente pertencente ao gênero Burkholderia. A Bactéria E acumulou de 7,63 mg a 14,84 mg de N/g de C em meio semi-sólido, isento de N, e conseguiu manter a capacidade de fixação biológica de N, mesmo após uma dezena de repicagens consecutivas. A colonização micorrízica variou de 31% a 69%, e a densidade de esporos de 10 a 384 esporos/100 mL de solo, predominando as espécies Entrophospora colombiana e Acaulospora scrobiculata no Rio de Janeiro, A. scrobiculata e Scutellospora heterogama no Paraná e em Piracicaba (São Paulo) e A. appendicula e S. pellucida em Campinas (São Paulo).

Ocorrência de bactérias diazotróficas em diferentes genótipos de cana-de-açúcar

O objetivo deste trabalho foi avaliar a localização e o número de bactérias endofíticas em quatro genótipos de cana-de-açúcar e investigar sobre a possível existência de correlação com os resultados apresentados em trabalhos de quantificação da fixação biológica de nitrogênio (FBN). Fez-se um levantamento das bactérias diazotróficas presentes, e quantificou-se a população de Herbaspirillum spp. e Acetobacter diazotrophicus, em genótipos de cana-de-açúcar contrastantes quanto à capacidade de obter N da FBN. De acordo com o levantamento realizado neste trabalho, as bactérias estudadas (Azospirillum lipoferum, A. brasilense, A. amazonense, Herbaspirillum spp. e Acetobacter diazotrophicus) estavam presentes nos quatro genótipos avaliados e em todas as partes da planta, exceto A. amazonense, que não foi isolado de amostras de folhas. A quantificação das bactérias Herbaspirillum spp. e A. diazotrophicus mostrou não haver diferenças significativas entre os genótipos, e que, geralmente, elas estão presentes em maior número nas raízes. Enquanto Herbaspirillum spp. mantém-se mais estável ao longo do ciclo da cultura, a população de A. diazotrophicus decresce com a aproximação do final do ciclo comercial. Pode-se sugerir que as diferenças entre as taxas de FBN encontradas nos diversos genótipos não é causada por diferenças na presença ou no número das bactérias aqui estudadas.

Controle da fusariose em plantas de pimenta-do-reino com bactérias endofíticas: sobrevivência e respostas morfofisiológicas

Oito bactérias endofíticas de plântulas de pimenta-do-reino foram testadas em casa de vegetação, objetivando controlar Fusarium solani f. sp. piperis e avaliar respostas morfofisiológicas das plantas tratadas com os agentes de controle. Plantas com quatro meses de idade tiveram o sistema radicular tratado com as suspensões bacterianas (10(9) ufc mL-1) por 10 minutos, e foram plantadas em vasos com solo natural infestado artificialmente com o patógeno (0,25%). O delineamento experimental foi inteiramente casualizado, com três repetições para avaliar o comportamento fotossintético, a produção e a alocação de biomassa, e cinco repetições para avaliar a mortalidade das plantas. As avaliações foram feitas 120 dias após a instalação do ensaio. O isolado B0 (Methylobacterium radiotolerans) controlou F. solani f. sp. piperis, provocando redução significativa do número de plantas mortas. Na ausência do patógeno, M. radiotolerans funcionou ainda como promotor de crescimento. Os demais isolados testados não apresentaram efeito na diminuição da mortalidade das plantas. A aplicação das bactérias endofíticas não afetou a taxa fotossintética instantânea das plantas, à exceção de B6, que teve efeito negativo. As plantas tratadas com M. radiotolerans priorizaram a alocação de carbono para a parte aérea.

Protection from lethal Gram-negative bacterial sepsis by targeting Toll-like receptor 4

Rapport de synthèse : L'immunité innée regroupe les mécanismes moléculaires et cellulaires formant la première ligne de défense contre les infections microbiennes. La détection des micro-organismes pathogènes est assurée par des cellules sentinelles (cellules dendritiques et macrophages) qui jouent un rôle fondamental dans l'initiation des mécanismes de défense de l'hôte. Au contact de produits microbiens, ces cellules produisent un large échantillonnage de molécules, dont des cytokines, impliquées dans le développement de la réponse inflammatoire. La régulation de cette réponse relève d'un équilibre délicat, son insuffisance tant que son excès pouvant compromettre le devenir des patients infectés. La sepsis sévère et le choc septique représentent les formes les plus sévères d'infection, et leur mortalité demeure élevée (25 à 30% pour la sepsis sévère et 50 à 60% pour le choc septique). De plus, l'incidence de la sepsis tend à augmenter, atteignant en 2000 plus de 240 cas pour 100'000 personnes en Grande-Bretagne. La sepsis est caractérisée dans sa phase aiguë par une réponse inflammatoire exubérante. La plupart des thérapies visant à la bloquer ont toutefois montré des bénéfices incertains lors de leur application clinique. Il est donc impératif d'identifier de nouvelles cibles thérapeutiques. Les "Toll-like receptors" (TLRs) sont une famille de récepteurs qui jouent un rôle fondamental dans la détection des micro-organismes par les cellules du système immunitaire inné. Parmi eux, TLR4 est indispensable à la reconnaissance du lipopolysaccharide (LPS) des bactéries Gram-négatives. L'interaction entre TLR4 et le LPS représentant un élément précoce de la réponse de l'hôte à l'infection, nous avons émit l'hypothèse que TLR4 pourrait représenter une cible de choix en vue du développement de nouvelles thérapies contre la sepsis. Dans l'objectif de valider ce concept, nous avons, dans un premier temps, démontré que des souris génétiquement déficientes en TLR4 étaient totalement résistantes au choc septique induit par Escherichia coli (E. coli), une bactérie Gram-négative fréquemment responsable de sepsis. Forts de cette observation, nous avons développé une molécule recombinante composée du domaine extracellulaire de TLR4 fusionné à la partie IgGi-Fc. Cette molécule soluble, qui inhibait la réponse des macrophages au LPS in vitro, a été utilisée pour générer des anticorps anti-TLR4 chez le lapin. La spécificité et l'efficacité de ces anticorps ont été prouvées en démontrant que les anti-TLR4 bloquaient les signaux d'activation intracellulaire et la production de TNF et d'IL-6 en réponse au LPS et aux bactéries Gram-négatives in vitro et in vivo. Enfin, l'efficacité des ces anticorps a été testée dans des modèles de sepsis chez la souris. Ainsi, l'injection prophylactique (-lh) ou thérapeutique (+3h) d'anticorps anti-TLR4 réduisait la production de TNF et protégeait les animaux de la mort. De manière spectaculaire, ces anticorps réduisaient également la production de TNF et protégeaient de la sepsis à E. coli lorsqu'ils étaient administrés de manière prophylactique (-4h) et thérapeutique, jusqu'à 13 heures après l'initiation de l'infection. Ces résultats indiquent donc qu'il est possible de bloquer le développement de la réponse inflammatoire et de protéger du choc septique à bactéries Gram-négatives en utilisant des thérapies ciblant TLR4. Par ailleurs, ils suggèrent qu'une fenêtre d'opportunité de plusieurs heures pourrait être mise à profit pour initier un traitement chez les patients septiques. Ces résultats devraient encourager la poursuite des essais cliniques en cours qui visent à tester l'efficacité de thérapies dirigées contre TLR4 comme traitement complémentaire de la sepsis.

Bactérias diazotróficas em mudas de bananeira

Este trabalho objetivou selecionar bactérias diazotróficas isoladas de bananeira (Musa spp.) e avaliar sua influência no crescimento de mudas micropropagadas. Bactérias do tipo Herbaspirillum e relacionadas a Burkholderia cepacia foram inoculadas em plântulas de banana cv. Prata Anã e cv. Caipira. As bananeiras cv. Prata Anã, cultivadas in vitro com substrato pobre em N, apresentaram maior crescimento na presença de bactérias do tipo Herbaspirillum, ao passo que as bananeiras cv. Caipira cresceram melhor com o inóculo contendo bactérias do gênero Burkholderia. Em casa de vegetação, as bananeiras cv. Caipira crescidas em sacolas de plástico contendo areia e vermiculita (1:2), suplementada com a solução de Hoagland contendo 5 mg L-1 de N, apresentaram maior crescimento quando da inoculação simultânea dos dois gêneros de bactérias, em comparação à inoculação individual. A inoculação simultânea proporcionou um crescimento nas bananeiras equivalente ao observado nas plantas-controles adubadas com 50 mg L-1 de N no substrato, porém o teor e o acúmulo de N na parte aérea das bananeiras foram menores. A contribuição de bactérias diazotróficas no crescimento de bananeiras é demonstrada pela primeira vez.

Fisiologia e produtividade do algodoeiro em solo encharcado na fase de plântula

O algodoeiro herbáceo (Gossypium hirsutum L. r. latifolium Hutch.) é uma planta considerada sensível à deficiência de oxigênio do solo. O objetivo deste trabalho foi avaliar a fisiologia e produtividade do algodoeiro cultivar CNPA 7H, em casa de vegetação, submetido à anoxia, por encharcamento do solo, na fase de plântula. Foram conduzidos dois experimentos em blocos ao acaso, com sete períodos de encharcamento e seis repetições. No encharcamento de quatro dias ocorreu uma redução na atividade da invertase de 76,69%, da beta-amilase de 77,37% e da redutase do nitrato de 51,10%. A fotossíntese foi afetada a partir do primeiro dia e alcançou decréscimo de 58,63% no décimo quarto dia de encharcamento; os carboidratos foram acumulando-se nas folhas, caule e raízes. O rendimento de algodão em caroço foi reduzido em 35,76% no décimo dia do estresse anoxítico.

N-Glycans on secretory component: mediators of the interaction between secretory IgA and gram-positive commensals sustaining intestinal homeostasis.

Human beings live in symbiosis with billions of microorganisms colonizing mucosal surfaces. The understanding of the mechanisms underlying this fine-tuned intestinal balance has made significant processes during the last decades. We have recently demonstrated that the interaction of SIgA with Gram-positive bacteria is essentially based on Fab-independent, glycan-mediated recognition. Results obtained using mouse hybridoma- and colostrum-derived secretory IgA (SIgA) consistently show that N-glycans present on secretory component (SC) play a crucial role in the process. Natural coating may involve specific Gram-positive cell wall components, which may explain selective recognition at the molecular level. More widely, the existence of these complexes is involved in the modulation of intestinal epithelial cell (IEC) responses in vitro and the formation of intestinal biofilms. Thus, SIgA may act as one of the pillars in homeostatic maintenance of the microbiota in the gut, adding yet another facet to its multiple roles in the mucosal environment.

Bactérias diazotróficas associadas a coqueiros na região de baixada litorânea em Sergipe

Objetivou-se neste trabalho, isolar, identificar e quantificar bactérias diazotróficas existentes nas raízes e folhas de coqueiro (híbrido PB121) cultivados na baixada litorânea de Sergipe. As populações de bactérias diazotróficas nesses órgãos foram quantificadas pela técnica do número mais provável (NMP) em meios semi-sólidos JNFb e NFb, e identificadas por meio de avaliações microscópicas, culturais e de testes bioquímicos dos sistemas API 20 - E e API 20 - NE. O conteúdo de N em meios semi-sólidos NFb e JNFb foi determinado colorimetricamente, após oito dias de incubação das bactérias, a 32ºC, para estimar a capacidade de fixação biológica dos isolados. Enterobactérias pertencentes ao gênero Enterobacter e bactérias com características semelhantes às do gênero Pseudomonas (pseudomonadas) foram predominantes entre os isolados obtidos. As enterobactérias e pseudomonadas isoladas de folhas foram predominantemente endofíticas. Quanto às diazotróficas isoladas de raízes, observou-se predominância de enterobactérias na sua superfície, ao passo que as pseudomonadas ocorreram em proporções semelhantes na superfície e no interior desse órgão. Após oito dias de incubação, os conteúdos de N nos meios com inoculação das bactérias pseudomonadas foram maiores do que nos meios com inoculação das enterobactérias.

Efeito fungistático de Bacillus thuringiensis e de outras bactérias sobre alguns fungos fitopatogênicos

Quatro isolados bacterianos da rizosfera de Drosera villosa var. villosa (B1, B2, B3, B4) e dois isolados de Bacillus thuringiensis (B5 e B6), sendo B6 produtor da toxina bioinseticida Cry1Ab, foram avaliados quanto à capacidade de inibir os fungos fitopatogênicos Fusarium solani f. sp. phaseoli, Fusarium solani f. sp. glycines, Fusarium oxysporum e Colletotrichum sp. A cepa mais efetiva foi B1 que inibiu o crescimento dos quatro fungos até o 26º dia. B. thuringiensis inibiu o crescimento de três destes, o que indica que possui atividade antifúngica e abre um novo campo de estudo para a utilização do B. thuringiensis.

Identificação e controle com antibióticos de bactérias endofíticas contaminantes em explantes de batata micropropagados

Este trabalho teve por objetivos isolar, caracterizar e identificar bactérias endofíticas contaminantes encontradas em tecidos de batata durante a micropropagação e selecionar antibióticos para o controle in vitro desses microrganismos por meio da determinação da concentração bactericida mínima inibitória. Brotações de batata apresentando contaminação bacteriana durante a etapa de multiplicação in vitro, foram superficialmente esterilizadas e os internódios transferidos para placas de Petri com ágar nutriente, onde permaneceram incubadas a 28°C por até cinco dias. Após purificação, as bactérias foram caracterizadas e identificadas por testes taxonômicos. Um total de oito estirpes bacterianas foram isoladas e identificadas como pertencentes às famílias Acetobacteriaceae (1) e Enterobacteriaceae (2) e aos gêneros Corynebacterium (3), Pseudomonas (1) e Xanthomonas (1). Os melhores resultados para a inibição do crescimento bacteriano foram obtidos com os antibióticos ampicilina, cloranfenicol, estreptomicina e tetraciclina em concentrações que variaram de 32 a 256 mg L-1.

Resposta de plantas micropropagadas de abacaxizeiro à inoculação de bactérias diazotróficas em casa de vegetação

O objetivo deste trabalho foi selecionar e avaliar bactérias diazotróficas isoladas de abacaxizeiro (Ananas comosus (L.) Merril) no desenvolvimento de cultivares micropropagadas da mesma espécie em casa de vegetação. Plantas da cultivar Perolera foram submetidas à inoculação com Asaia bogorensis (AB219) e cultivadas em tubetes, durante 145 dias, com as misturas: casca de arroz carbonizada, folha de carnaubeira triturada e vermicomposto; casca de arroz carbonizada, pó da casca do coco maduro e vermicomposto; casca de arroz carbonizada, vermiculita e vermicomposto. Plantas da cultivar Primavera receberam inóculos com o AB219 e bactérias relacionadas a Burkholderia cepacia (AB202 e AB213), enquanto plantas das cultivares Pérola e Smooth Cayenne receberam AB219 e AB213, sendo cultivadas, por 140 dias, em tubetes com a mistura de vermicomposto e vermiculita. A colonização dos abacaxizeiros pelas bactérias diazotróficas foi confirmada. As plantas da cultivar Perolera cresceram melhor em casca de arroz carbonizada, vermiculita e vermicomposto e responderam positivamente ao AB219. Já as plantas da cultivar Primavera não apresentaram resposta significativa à inoculação com AB219, AB202 e AB213. Houve incremento de 23,1% a 38,5% na matéria seca de raízes das plantas da cultivar Pérola na presença de AB213 e AB219, respectivamente. A presença de AB213 incrementou em 15,2% a matéria seca da parte aérea das plantas da cultivar Smooth Cayenne. Os resultados revelam a eficiência de bactérias diazotróficas na promoção do crescimento de abacaxizeiros.

Diversidade de bactérias que nodulam siratro em três sistemas de uso da terra da Amazônia Ocidental

O objetivo deste trabalho foi verificar o efeito de três sistemas de uso da terra da Amazônia Ocidental sobre a diversidade fenotípica de bactérias que nodulam siratro. Os sistemas estudados foram cultivo de mandioca, cultivo de pupunheira e floresta de terra firme. As densidades de bactérias foram avaliadas pela técnica do número mais provável, pela inoculação de suspensões de solo diluídas em siratro (Macroptilium atropurpureum), e foram semelhantes nas áreas estudadas. Foram caracterizados 257 isolados, provenientes dos nódulos de siratro, os quais formaram 63 grupos culturais a 80% de similaridade. Poucos isolados foram obtidos a partir de solo sob floresta, enquanto um maior número de isolados foi obtido nas áreas cultivadas. A diversidade pelo índice de Shannon e a riqueza foram maiores na área com mandioca e menores na floresta. Porém, a riqueza foi similar nos três sistemas quando determinada pela análise de rarefação. Houve diferença na proporção de tipos de culturais, a qual pôde ser explicada pela diferença na utilização da terra. Houve influência dos sistemas de uso da terra sobre a diversidade de bactérias que nodulam leguminosas.

Aeração e adição de sais na produção de ácido indol acético por bactérias diazotróficas

Foi analisada a produção de compostos indólicos por Azospirillum brasilense Cd, A. lipoferum Br 17, Herbaspirillum seropedicae Z 67, H. rubrisubalbicans M4 e a estirpe 34 isolada de arroz, que não se enquadra em nenhuma das espécies de Herbaspirillum já descritas, em relação a diferentes condições de aeração e concentrações de sais. A maior aeração do meio propiciou aumento na produção de compostos indólicos pelas bactérias testadas. Foi verificado aumento desses compostos, em culturas estáticas, em meio sem nitrogênio no caso de Azospirillum, e na presença de N para as estirpes de Herbaspirillum. O aumento da concentração de sais no meio de cultivo inibiu a produção de compostos indólicos, embora tenha sido observado um pequeno aumento quando a concentração de CaCl2 foi de 1 g L-1. O efeito mais deletério da salinidade foi observado com a presença de NaHCO3, seguido de NaCl e Na2SO4. Azospirillum produziu mais compostos indólicos em meio semi-sólido e Herbaspirillum em meio líquido, mas em menor nível.

Relação entre distribuição de nitrogênio e colonização por bactérias diazotróficas em cana-de-açúcar

O objetivo deste trabalho foi avaliar a relação entre a distribuição de nitrogênio na planta e a colonização por Gluconacetobacter diazotrophicus e Herbaspirillum spp. Foi implantado um experimento em parcelas subdivididas, tendo como tratamentos quatro genótipos: SP70-1143, SP79-2312 (híbridos), Krakatau (Saccharum spontaneum L.) e Chunnee (Saccharum barberi Jesw.); e quatro épocas de coleta: 90, 180, 360 e 540 dias após o plantio, com quatro repetições. Os parâmetros estudados foram: porcentual de nitrogênio, nitrato, N amino livre e o número mais provável de população das bactérias Gluconacetobacter diazotrophicus e Herbaspirillum spp. Os valores mais elevados de nitrogênio foram observados aos 90 dias após o plantio, nas folhas e colmo apical; as maiores concentrações N amino ocorreram nas raízes, colmo basal e folhas da variedade SP79-2312 e no colmo apical do genótipo Chunnee. O maior acúmulo de nitrato foi observado nos colmos basais e intermediários, sobretudo na variedade SP79-2312. O N protéico mostrou ser o maior componente do nitrogênio porcentual, com a mesma tendência nas diferentes partes da planta. O maior valor na população de G. diazotrophicus ocorreu nas raízes de SP70-1143, SP79-2312 e Krakatau, e nos quatro genótipos de Herbaspirillum spp.