Antimicrobial activity of neuropeptides against a range of micro-organisms from skin, oral, respiratory and gastrointestinal tract sites

Many neuropeptides are similar in size, amino acid composition and charge to antimicrobial peptides. This study aimed to determine whether the neuropeptides substance P (SP), neurokinin A (NKA), calcitonin gene-related peptide (CGRP), neuropeptide Y (NPY) and vasoactive intestinal polypeptide (VIP), displayed antimicrobial activity against Streptococcus mutans, Lactobacillus acidophilus, Enterococcus faecalis, Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa and Candida albicans. SP, NPY, VIP and CGRP displayed variable degrees of antimicrobial activity against all the pathogens tested with the exception of S. aureus. These antimicrobial activities add a further dimension to the immunomodulatory roles for neuropeptides in the inflammatory and immune responses. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Solutes determine the temperature windows for microbial survival and growth

Microbial cells, and ultimately the Earth's biosphere, function within a narrow range of physicochemical conditions. For the majority of ecosystems, productivity is cold-limited, and it is microbes that represent the failure point. This study was carried out to determine if naturally occurring solutes can extend the temperature windows for activity of microorganisms. We found that substances known to disorder cellular macromolecules (chaotropes) did expand microbial growth windows, fungi preferentially accumulated chaotropic metabolites at low temperature, and chemical activities of solutes determined microbial survival at extremes of temperature as well as pressure. This information can enhance the precision of models used to predict if extraterrestrial and other hostile environments are able to support life; furthermore, chaotropes may be used to extend the growth windows for key microbes, such as saprotrophs, in cold ecosystems and manmade biomes.

Phylloseptin-1 (PSN-1) from Phyllomedusa sauvagei skin secretion: a novel broad-spectrum antimicrobial peptide with antibiofilm activity

Amphibian skin secretions have proven to be rich sources of antimicrobial peptides that are proposed to be fundamental components of the innate immune system. As amphibian skin is a multi-functional organ playing, among other things, a crucial role in respiration, it has been deemed that a core biological role for such peptides is control of microbial flora on this surface. To date, however, antimicrobial efficacy has been universally determined by means of establishing minimum inhibitory concentrations (MICs) using planktonic organisms rather than those within a biofilm such as would occur on this exposed surface. Here we describe the identification and structural characterisation of a novel 19 amino acid residue antimicrobial peptide of the phylloseptin family, named PSN-1, from the skin secretion of the waxy monkey frog, Phyllomedusa sauvagei. PSN-1 displayed broad-spectrum activity against a range of planktonic organisms with a high potency (MIC 5 µM) against Staphylococcus aureus. In a specific bioassay with the same organism grown as a biofilm, the minimal biofilm eradication concentration (MBEC) was found to be of the same high potency (5 µM). The present data would suggest that evaluation of actions and potency of amphibian skin secretion antimicrobial peptides might best be achieved by evaluating MBEC rather than MIC using planktonic organisms and that data arising from such studies may have more biological relevance in reflecting the purpose for which they have evolved through natural selection.

Growth, dye degradation and ligninolytic activity studies on Zimbabwean white rot fungi

White rot fungi were collected from Chirinda and Chimanimani hardwood forests in Zimbabwe and studied with respect to growth temperature optima and dye decolorization. Temperature optima were found to vary (between 25-37 degreesC) amongst the isolates. The isolates were screened for their ability to degrade the polymeric dyes; blue dextran and Poly R478 and the triphenylmethane dyes; cresol red, crystal violet and bromophenol blue. Semi-quantitative determination of the hydrolytic enzyme activities possessed by the white rot fungi was determined using the API ZYM system. Lignin peroxidase (LiP), manganese peroxidase (MnP) and laccase activities in the fungi were also determined. No LiP was detected in any of the isolates but all isolates showed manganese peroxidase and laccase activities. Time related decolorization studies and optimum pH determinations for Poly R478 degradation by the isolates were carried out in liquid cultures. The most significant rates of Poly R478 decolorization in liquid cultures were found with the following isolates: Trametes cingulata, Trametes versicolor, Trametes pocas, DSPM95 (a species to be identified), Datronia concentrica and Pyenoporus sanguineus. (C) 2001 Elsevier Science Inc. All rights reserved.

Cathelicidin-like Helminth Defence Molecules (HDMs):Absence of Cytotoxic, Anti-microbial and Anti-protozoan Activities Imply a Specific Adaptation to Immune Modulation

Host defence peptides (HDPs) are expressed throughout the animal and plant kingdoms. They have multifunctional roles in the defence against infectious agents of mammals, possessing both bactericidal and immune-modulatory activities. We have identified a novel family of molecules secreted by helminth parasites (helminth defence molecules; HDMs) that exhibit similar structural and biochemical characteristics to the HDPs. Here, we have analyzed the functional activities of four HDMs derived from Schistosoma mansoni and Fasciola hepatica and compared them to human, mouse, bovine and sheep HDPs. Unlike the mammalian HDPs the helminth-derived HDMs show no antimicrobial activity and are non-cytotoxic to mammalian cells (macrophages and red blood cells). However, both the mammalian- and helminth-derived peptides suppress the activation of macrophages by microbial stimuli and alter the response of B cells to cytokine stimulation. Therefore, we hypothesise that HDMs represent a novel family of HDPs that evolved to regulate the immune responses of their mammalian hosts by retaining potent immune modulatory properties without causing deleterious cytotoxic effects.

Microbial community of the deep-sea brine Lake Kryos seawater-brine interface is active below the chaotropicity limit of life as revealed by recovery of mRNA

Within the complex of deep, hypersaline anoxic lakes (DHALs) of the Mediterranean Ridge, we identified a new, unexplored DHAL and named it ‘Lake Kryos’ after a nearby depression. This lake is filled with magnesium chloride (MgCl2)-rich, athalassohaline brine (salinity > 470 practical salinity units), presumably formed by the dissolution of Messinian bischofite. Compared with the DHAL Discovery, it contains elevated concentrations of kosmotropic sodium and sulfate ions, which are capable of reducing the net chaotropicily of MgCl2-rich solutions. The brine of Lake Kryos may therefore be biologically permissive at MgCl2 concentrations previously considered incompatible with life. We characterized the microbiology of the seawater–Kryos brine interface and managed to recover mRNA from the 2.27–3.03 MMgCl2 layer (equivalent to 0.747–0.631 water activity), thereby expanding the established chaotropicity window-for-life. The primary bacterial taxa present there were Kebrit Deep Bacteria 1 candidate division and DHAL-specific group of organisms, distantly related toDesulfohalobium. Two euryarchaeal candidate divisions, Mediterranean Sea Brine Lakes group 1 and halophilic cluster 1, accounted for > 85% of the rRNA-containing archaeal clones derived from the 2.27–3.03 M MgCl2 layer, but were minority community-members in the overlying interface-layers. These findings shed light on the plausibility of life in highly chaotropic environments, geochemical windows for microbial extremophiles, and have implications for habitability elsewhere in the Solar System.

Multiplication of microbes below 0.690 water activity: implications for terrestrial and extraterrestrial life

Since a key requirement of known life forms is available water (water activity; aw), recent searches for signatures of past life in terrestrial and extraterrestrial environments have targeted places known to have contained significant quantities of biologically available water. However, early life on Earth inhabited high-salt environments, suggesting an ability to withstand low water-activity. The lower limit of water activity that enables cell division appears to be ∼ 0.605 which, until now, was only known to be exhibited by a single eukaryote, the sugar-tolerant, fungal xerophile Xeromyces bisporus. The first forms of life on Earth were, though, prokaryotic. Recent evidence now indicates that some halophilic Archaea and Bacteria have water-activity limits more or less equal to those of X. bisporus. We discuss water activity in relation to the limits of Earth's present-day biosphere; the possibility of microbial multiplication by utilizing water from thin, aqueous films or non-liquid sources; whether prokaryotes were the first organisms able to multiply close to the 0.605-aw limit; and whether extraterrestrial aqueous milieux of ≥ 0.605 aw can resemble fertile microbial habitats found on Earth.

A simple method to determine the water activity of ethanol-containing samples

The water activity (a(w)) of microbial substrates, biological samples, and foods and drinks is usually determined by direct measurement of the equilibrium relative humidity above a sample. However, these materials can contain ethanol, which disrupts the operation of humidity sensors. Previously, an indirect and problematic technique based on freezing-point depression measurements was needed to calculate the a(w) when ethanol was present. We now describe a rapid and accurate method to determine the a(w) of ethanol-containing samples at ambient temperatures. Disruption of sensor measurements was minimized by using a newly developed, alcohol-resistant humidity sensor fitted with an alcohol filter. Linear equations were derived from a(w) measurements of standard ethanol-water mixtures, and from Norrish's equation, to correct sensor measurements. To our knowledge, this is the first time that electronic sensors have been used to determine the a(w) of ethanol- containing samples.

Microbial Communities Associated with Healthy and White Syndrome-Affected Echinopora lamellosa in Aquaria and Experimental Treatment with the Antibiotic Ampicillin

Prokaryotic and ciliate communities of healthy and aquarium White Syndrome (WS)-affected coral fragments were screened using denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE). A significant difference (R = 0.907, p < 0.001) in 16S rRNA prokaryotic diversity was found between healthy (H), sloughed tissue (ST), WS-affected (WSU) and antibiotic treated (WST) samples. Although 3 Vibrio spp were found inWS-affected samples, two of these species were eliminated following ampicillin treatment, yet lesions continued to advance, suggesting they play a minor or secondary role in the pathogenesis. The third Vibrio sp increased slightly in relative abundance in diseased samples and was abundant in non-diseased samples. Interestingly, a Tenacibaculum sp showed the greatest increase in relative abundance between healthy and WS-affected samples, demonstrating consistently high abundance across all WS-affected and treated samples, suggesting Tenacibaculum sp could be a more likely candidate for pathogenesis in this instance. In contrast to previous studies bacterial abundance did not vary significantly (ANOVA, F2, 6 = 1.000, p = 0.422) between H, ST, WSU or WST. Antimicrobial activity (assessed on Vibrio harveyi cultures) was limited in both H and WSU samples (8.1% ±8.2 and 8.0% ±2.5, respectively) and did not differ significantly (Kruskal-Wallis, χ2 (2) = 3.842, p = 0.146). A Philaster sp, a Cohnilembus sp and a Pseudokeronopsis sp. were present in all WS-affected samples, but not in healthy samples. The exact role of ciliates in WS is yet to be determined, but it is proposed that they are at least responsible for the neat lesion boundary observed in the disease.

Host Defence Peptide LL-37; Effects of truncation on antimicrobial activity

Background: The oral cavity is an ideal environment for colonisation by micro-organisms. A first line of defence against microbial infection is the secretion of broad spectrum host defence peptides (HDPs). In the current climate of antibiotic resistance, exploiting naturally occurring HDPs or synthetic derivatives (mimetics) to combat infection is particularly appealing. The human cathelicidin, LL-37 is one such HDP expressed ubiquitously by epithelial cells and neutrophils. LL-37 exhibits the ability to bind lipopolysaccharide (LPS) and displays broad spectrum activity against a wide range of bacteria. The current study focuses on truncation of LL-37 and defining the antimicrobial and LPS binding activity of the resultant mimetics. Objectives: To assess the antimicrobial and LPS binding activity of LL-37 and three truncated mimetics (KE-18, EF-14 and KR-12). Methods: Peptides were synthesised in-house by Fmoc solid phase peptide synthesis or obtained commercially. Antimicrobial activity was determined using a radial diffusion assay and ability to bind LPS was determined by indirect ELISA. Results: LL-37 and mimetics displayed antimicrobial activity against Streptococcus mutans and Enterococcus Faecalis. KE-18 and KR-12 were shown to possess antimicrobial activity against both pathogens whereas EF-14 was the least antimicrobial. In terms of LPS binding, KE-18 and KR-12 were both effective whereas EF-14 showed the least activity of the three mimetics. Conclusion: Truncation of LL-37 can yield peptides which retain antimicrobial activities and have the ability to bind LPS. Interestingly in some cases the truncation of LL-37 produced mimetics with greater potency than the parent molecule in terms of antimicrobial activity and LPS binding. This work was funded by DEL and the Diabetes Wellness Foundation.

New insights into the substrate specificities of microbial transglutaminase: a biocatalytic perspective

La transglutaminase microbienne (Microbial transglutaminase : MTG) est fortement exploitée dans l’industrie textile et alimentaire afin de modifier l’apparence et la texture de divers produits. Elle catalyse la formation de liaisons iso-peptidiques entre des protéines par l’entremise d’une réaction de transfert d’acyle entre le groupement γ-carboxamide d’une glutamine provenant d’un substrat donneur d’acyle, et le groupement ε-amino d’une lysine provenant d’un substrat accepteur d’acyle. La MTG est tolérante à un large éventail de conditions réactionnelles, ce qui rend propice le développement de cette enzyme en tant que biocatalyseur. Ayant pour but le développement de la MTG en tant qu’alternative plus soutenable à la synthèse d’amides, nous avons étudié la réactivité d’une gamme de substrats donneurs et accepteurs non-naturels. Des composés chimiquement diversifiés, de faible masse moléculaire, ont été testés en tant que substrats accepteurs alternatifs. Il fut démontré que la MTG accepte une large gamme de composés à cet effet. Nous avons démontré, pour la première fois, que des acides aminés non-ramifiés et courts, tels la glycine, peuvent servir de substrat accepteur. Les α-acides aminés estérifiés Thr, Ser, Cys et Trp, mais pas Ile, sont également réactifs. En étendant la recherche à des composés non-naturels, il fut observé qu’un cycle aromatique est bénéfique pour la réactivité, bien que les substituants réduisent l’activité. Fait notable, des amines de faible masse moléculaire, portant les groupements de forte densité électronique azidure ou alcyne, sont très réactives. La MTG catalyse donc efficacement la modification de peptides qui pourront ensuite être modifiés ou marqués par la chimie ‘click’. Ainsi, la MTG accepte une variété de substrats accepteurs naturels et non-naturels, élargissant la portée de modification des peptides contenant la glutamine. Afin de sonder le potentiel biocatalytique de la MTG par rapport aux substrats donneurs, des analogues plus petits du peptide modèle Z-Gln-Gly furent testés; aucun n’a réagi. Nous avons toutefois démontré, pour la première fois, la faible réactivité d’esters en tant que substrats donneurs de la MTG. L’éventuelle amélioration de cette réactivité permettrait de faire de la MTG un biocatalyseur plus général pour la synthèse d’amides. Mots clés: Lien amide, biocatalyse, biotransformation, transglutaminase, arrimage moléculaire, criblage de substrats, ingénierie de substrats.

Improving the microbial production of biofuels through metabolic engineering

Les défis conjoints du changement climatique d'origine anthropique et la diminution des réserves de combustibles fossiles sont le moteur de recherche intense pour des sources d'énergie alternatives. Une avenue attrayante est d'utiliser un processus biologique pour produire un biocarburant. Parmi les différentes options en matière de biocarburants, le bio-hydrogène gazeux est un futur vecteur énergétique attrayant en raison de son efficacité potentiellement plus élevé de conversion de puissance utilisable, il est faible en génération inexistante de polluants et de haute densité d'énergie. Cependant, les faibles rendements et taux de production ont été les principaux obstacles à l'application pratique des technologies de bio-hydrogène. Des recherches intensives sur bio-hydrogène sont en cours, et dans les dernières années, plusieurs nouvelles approches ont été proposées et étudiées pour dépasser ces inconvénients. À cette fin, l'objectif principal de cette thèse était d'améliorer le rendement en hydrogène moléculaire avec un accent particulier sur l'ingénierie métabolique et l’utilisation de bioprocédés à variables indépendantes. Une de nos hypothèses était que la production d’hydrogène pourrait être améliorée et rendue plus économiquement viable par ingénierie métabolique de souches d’Escherichia coli producteurs d’hydrogène en utilisant le glucose ainsi que diverses autres sources de carbone, y compris les pentoses. Les effets du pH, de la température et de sources de carbone ont été étudiés. La production maximale d'hydrogène a été obtenue à partir de glucose, à un pH initial de 6.5 et une température de 35°C. Les études de cinétiques de croissance ont montré que la μmax était 0.0495 h-1 avec un Ks de 0.0274 g L-1 lorsque le glucose est la seule source de carbone en milieu minimal M9. .Parmi les nombreux sucres et les dérivés de sucres testés, les rendements les plus élevés d'hydrogène sont avec du fructose, sorbitol et D-glucose; 1.27, 1.46 et 1.51 mol H2 mol-1 de substrat, respectivement. En outre, pour obtenir les interactions entre les variables importantes et pour atteindre une production maximale d'hydrogène, un design 3K factoriel complet Box-Behnken et la méthodologie de réponse de surface (RSM) ont été employées pour la conception expérimentale et l'analyse de la souche d'Escherichia coli DJT135. Le rendement en hydrogène molaire maximale de 1.69 mol H2 mol-1 de glucose a été obtenu dans les conditions optimales de 75 mM de glucose, à 35°C et un pH de 6.5. Ainsi, la RSM avec un design Box-Behken était un outil statistique utile pour atteindre des rendements plus élevés d'hydrogène molaires par des organismes modifiés génétiquement. Ensuite, l'expression hétérologue de l’hydrogénases soluble [Ni-Fe] de Ralstonia eutropha H16 (l'hydrogénase SH) a tenté de démontrer que la mise en place d'une voie capable de dériver l'hydrogène à partir de NADH pourrait surpasser le rendement stoechiométrique en hydrogène.. L’expression a été démontrée par des tests in vitro de l'activité enzymatique. Par ailleurs, l'expression de SH a restaurée la croissance en anaérobie de souches mutantes pour adhE, normalement inhibées en raison de l'incapacité de réoxyder le NADH. La mesure de la production d'hydrogène in vivo a montré que plusieurs souches modifiées métaboliquement sont capables d'utiliser l'hydrogénase SH pour dériver deux moles d’hydrogène par mole de glucose consommé, proche du maximum théorique. Une autre stratégie a montré que le glycérol brut pourrait être converti en hydrogène par photofermentation utilisant Rhodopseudomonas palustris par photofermentation. Les effets de la source d'azote et de différentes concentrations de glycérol brut sur ce processus ont été évalués. À 20 mM de glycérol, 4 mM glutamate, 6.1 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus dans des conditions optimales, un rendement de 87% de la théorie, et significativement plus élevés que ce qui a été réalisé auparavant. En prolongement de cette étude, l'optimisation des paramètres a également été utilisée. Dans des conditions optimales, une intensité lumineuse de 175 W/m2, 30 mM glycérol et 4.5 mM de glutamate, 6.69 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus, soit un rendement de 96% de la valeur théorique. La détermination de l'activité de la nitrogénase et ses niveaux d'expression ont montré qu'il y avait relativement peu de variation de la quantité de nitrogénase avec le changement des variables alors que l'activité de la nitrogénase variait considérablement, avec une activité maximale (228 nmol de C2H4/ml/min) au point central optimal. Dans la dernière section, la production d'hydrogène à partir du glucose via la photofermentation en une seule étape a été examinée avec la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-). La méthodologie de surface de réponse avec Box-Behnken a été utilisée pour optimiser les variables expérimentales de façon indépendante, soit la concentration de glucose, la concentration du glutamate et l'intensité lumineuse, ainsi que d'examiner leurs effets interactifs pour la maximisation du rendement en hydrogène moléculaire. Dans des conditions optimales, avec une intensité lumineuse de 175 W/m2, 35 mM de glucose, et 4.5 mM de glutamate,, un rendement maximal d'hydrogène de 5.5 (± 0.15) mol hydrogène /mol glucose, et un maximum d'activité de la nitrogénase de 246 (± 3.5) nmol C2H4/ml/min ont été obtenus. L'analyse densitométrique de l'expression de la protéine-Fe nitrogenase dans les différentes conditions a montré une variation significative de l'expression protéique avec un maximum au point central optimisé. Même dans des conditions optimales pour la production d'hydrogène, une fraction significative de la protéine Fe a été trouvée dans l'état ADP-ribosylée, suggérant que d'autres améliorations des rendements pourraient être possibles. À cette fin, un mutant amtB dérivé de Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-) a été créé en utilisant le vecteur de suicide pSUP202. Les résultats expérimentaux préliminaires montrent que la souche nouvellement conçue métaboliquement, R. capsulatus DG9, produit 8.2 (± 0.06) mol hydrogène / mole de glucose dans des conditions optimales de cultures discontinues (intensité lumineuse, 175 W/m2, 35 mM de glucose et 4.5 mM glutamate). Le statut d'ADP-ribosylation de la nitrogénase-protéine Fe a été obtenu par Western Blot pour la souche R. capsulatus DG9. En bref, la production d'hydrogène est limitée par une barrière métabolique. La principale barrière métabolique est due au manque d'outils moléculaires possibles pour atteindre ou dépasser le rendement stochiométrique en bio-hydrogène depuis les dernières décennies en utilisant les microbes. À cette fin, une nouvelle approche d’ingénierie métabolique semble très prometteuse pour surmonter cette contrainte vers l'industrialisation et s'assurer de la faisabilité de la technologie de la production d'hydrogène. Dans la présente étude, il a été démontré que l’ingénierie métabolique de bactéries anaérobiques facultatives (Escherichia coli) et de bactéries anaérobiques photosynthétiques (Rhodobacter capsulatus et Rhodopseudomonas palustris) peuvent produire de l'hydrogène en tant que produit majeur à travers le mode de fermentation par redirection métabolique vers la production d'énergie potentielle. D'autre part, la méthodologie de surface de réponse utilisée dans cette étude représente un outil potentiel pour optimiser la production d'hydrogène en générant des informations appropriées concernant la corrélation entre les variables et des producteurs de bio-de hydrogène modifiés par ingénierie métabolique. Ainsi, un outil d'optimisation des paramètres représente une nouvelle avenue pour faire un pont entre le laboratoire et la production d'hydrogène à l'échelle industrielle en fournissant un modèle mathématique potentiel pour intensifier la production de bio-hydrogène. Par conséquent, il a été clairement mis en évidence dans ce projet que l'effort combiné de l'ingénierie métabolique et la méthodologie de surface de réponse peut rendre la technologie de production de bio-hydrogène potentiellement possible vers sa commercialisation dans un avenir rapproché.