Structure and function of pectic enzymes: Virulence factors of plant pathogens

The structure and function of Erwinia chrysanthemi pectate lysase C, a plant virulence factor, is reviewed to illustrate one mechanism of pathogenesis at the molecular level. Current investigative topics are discussed in this paper.

Reactive oxygen and nitrogen intermediates in the relationship between mammalian hosts and microbial pathogens

This review summarizes recent evidence from knock-out mice on the role of reactive oxygen intermediates and reactive nitrogen intermediates (RNI) in mammalian immunity. Reflections on redundancy in immunity help explain an apparent paradox: the phagocyte oxidase and inducible nitric oxide synthase are each nonredundant, and yet also mutually redundant, in host defense. In combination, the contribution of these two enzymes appears to be greater than previously appreciated. The remainder of this review focuses on a relatively new field, the basis of microbial resistance to RNI. Experimental tuberculosis provides an important example of an extended, dynamic balance between host and pathogen in which RNI play a major role. In diseases such as tuberculosis, a molecular understanding of host–pathogen interactions requires characterization of the defenses used by microbes against RNI, analogous to our understanding of defenses against reactive oxygen intermediates. Genetic and biochemical approaches have identified candidates for RNI-resistance genes in Mycobacterium tuberculosis and other pathogens.

Peptide methionine sulfoxide reductase contributes to the maintenance of adhesins in three major pathogens.

Pathogenic bacteria rely on adhesins to bind to host tissues. Therefore, the maintenance of the functional properties of these extracellular macromolecules is essential for the pathogenicity of these microorganisms. We report that peptide methionine sulfoxide reductase (MsrA), a repair enzyme, contributes to the maintenance of adhesins in Streptococcus pneumoniae, Neisseria gonorrhoeae, and Escherichia coli. A screen of a library of pneumococcal mutants for loss of adherence uncovered a MsrA mutant with 75% reduced binding to GalNAcbeta1-4Gal containing eukaryotic cell receptors that are present on type II lung cells and vascular endothelial cells. Subsequently, it was shown that an E. coli msrA mutant displayed decreased type I fimbriae-mediated, mannose-dependent, agglutination of erythrocytes. Previous work [Taha, M. K., So, M., Seifert, H. S., Billyard, E. & Marchal, C. (1988) EMBO J. 7, 4367-4378] has shown that mutants with defects in the pilA-pilB locus from N. gonorrhoeae were altered in their production of type IV pili. We show that pneumococcal MsrA and gonococcal PilB expressed in E. coli have MsrA activity. Together these data suggest that MsrA is required for the proper expression or maintenance of functional adhesins on the surfaces of these three major pathogenic bacteria.

A family of lysozyme-like virulence factors in bacterial pathogens of plants and animals.

We describe a conserved family of bacterial gene products that includes the VirB1 virulence factor encoded by tumor-inducing plasmids of Agrobacterium spp., proteins involved in conjugative DNA transfer of broad-host-range bacterial plasmids, and gene products that may be involved in invasion by Shigella spp. and Salmonella enterica. Sequence analysis and structural modeling show that the proteins in this group are related to chicken egg white lysozyme and are likely to adopt a lysozyme-like structural fold. Based on their similarity to lysozyme, we predict that these proteins have glycosidase activity. Iterative data base searches with three conserved sequence motifs from this protein family detect a more distant relationship to bacterial and bacteriophage lytic transglycosylases, and goose egg white lysozyme. Two acidic residues in the VirB1 protein of Agrobacterium tumefaciens form a putative catalytic dyad, Each of these residues was changed into the corresponding amide by site-directed mutagenesis. Strains of A. tumefaciens that express mutated VirB1 proteins have a significantly reduced virulence. We hypothesize that many bacterial proteins involved in export of macromolecules belong to a widespread class of hydrolases and cleave beta-1,4-glycosidic bonds as part of their function.

Use of Arabidopsis thaliana defense-related mutants to dissect the plant response to pathogens.

The plant defense response to microbial pathogens had been studied primarily by using biochemical and physiological techniques. Recently, several laboratories have developed a variety of pathosystems utilizing Arabidopsis thaliana as a model host so that genetic analysis could also be used to study plant defense responses. Utilizing a pathosystem that involves the infection of Arabidopsis with pathogenic pseudomonads, we have cloned the Arabidopsis disease-resistance gene RPS2, which corresponds to the avirulence gene avrRpt2 in a gene-for-gene relationship. RPS2 encodes a 105-kDa protein containing a leucine zipper, a nucleotide binding site, and 14 imperfect leucine-rich repeats. The RPS2 protein is remarkably similar to the product of the tobacco N gene, which confers resistance to tobacco mosaic virus. We have also isolated a series of Arabidopsis mutants that synthesize decreased levels of an Arabidopsis phytoalexin called camalexin. Analysis of these mutants indicated that camalexin does not play a significant role in limiting growth of avirulent Pseudomonas syringae strains during the hypersensitive defense response but that it may play a role in limiting the growth of virulent strains. More generally, we have shown that we can utilize Arabidopsis to systematically dissect the defense response by isolation and characterization of appropriate defense-related mutants.

Parkinson's disease and gastrointestinal dysfunctions: morphological, neurochemical and functional modifications of the enteric nervous system associated with central dopaminergic impairment

Parkinson’s disease (PD) is frequently associated with gastrointestinal (GI) symptoms, mostly represented by abdominal distension, constipation and defecatory dysfunctions. Despite GI dysfunctions have a major impact on the clinical picture of PD, there is currently a lack of information on the neurochemical, pathological and functional correlates of GI dysmotility associated with PD. Moreover, there is a need of effective and safe pharmacological therapies for managing GI disturbances in PD patients. The present research project has been undertaken to investigate the relationships between PD and related GI dysfunctions by means of investigations in an animal model of PD induced by intranigral injection of 6-hydroxydopamine (6-OHDA). The use of the 6-OHDA experimental model of PD in the present program has allowed to pursue the following goals: 1) to examine the impact of central dopaminergic denervation on colonic excitatory cholinergic and tachykininergic neuromotility by means of molecular, histomorphologic and functional approaches; 2) to elucidate the role of gut inflammation in the onset and progression of colonic dysmotility associated with PD, characterizing the degree of inflammation and oxidative damage in colonic tissues, as well as identifying the immune cells involved in the production of pro-inflammatory cytokines in the gut; 3) to evaluate the impact of chronic treatment with L-DOPA plus benserazide on colonic neuromuscular activity both in control and PD animals. The results suggest that central nigrostriatal dopaminergic denervation is associated with an impaired excitatory cholinergic neurotransmission and an enhanced tachykininergic control, resulting in a dysregulated smooth muscle motor activity, which likely contributes to the concomitant decrease in colonic transit rate. These motor alterations might result from the occurrence of a condition of gut inflammation associated with central intranigral denervation. The treatment with L-DOPA/BE following central dopaminergic neurodegeneration can restore colonic motility, likely through a normalization of the cholinergic enteric neurotransmission, and it can also improve the colonic inflammation associated with central dopaminergic denervation.

Carbon and nitrogen limitation increase chitosan antifungal activity in Neurospora crassa and fungal human pathogens

Chitosan permeabilizes plasma membrane and kills sensitive filamentous fungi and yeast. Membrane fluidity and cell energy determine chitosan sensitivity in fungi. A five-fold reduction of both glucose (main carbon (C) source) and nitrogen (N) increased 2-fold Neurospora crassa sensitivity to chitosan. We linked this increase with production of intracellular reactive oxygen species (ROS) and plasma membrane permeabilization. Releasing N. crassa from nutrient limitation reduced chitosan antifungal activity in spite of high ROS intracellular levels. With lactate instead of glucose, C and N limitation increased N. crassa sensitivity to chitosan further (4-fold) than what glucose did. Nutrient limitation also increased sensitivity of filamentous fungi and yeast human pathogens to chitosan. For Fusarium proliferatum, lowering 100-fold C and N content in the growth medium, increased 16-fold chitosan sensitivity. Similar results were found for Candida spp. (including fluconazole resistant strains) and Cryptococcus spp. Severe C and N limitation increased chitosan antifungal activity for all pathogens tested. Chitosan at 100 μg ml-1 was lethal for most fungal human pathogens tested but non-toxic to HEK293 and COS7 mammalian cell lines. Besides, chitosan increased 90% survival of Galleria mellonella larvae infected with C. albicans. These results are of paramount for developing chitosan as antifungal.

Co-encapsulation of enzymes and antibodies for chemical deactivation of pathogens on paper

Le papier bioactif est obtenu par la modification de substrat du papier avec des biomolécules et des réactifs. Ce type de papier est utilisé dans le développement de nouveaux biocapteurs qui sont portables, jetables et économiques visant à capturer, détecter et dans certains cas, désactiver les agents pathogènes. Généralement les papiers bioactifs sont fabriqués par l’incorporation de biomolécules telles que les enzymes et les anticorps sur la surface du papier. L’immobilisation de ces biomolécules sur les surfaces solides est largement utilisée pour différentes applications de diagnostic comme dans immunocapteurs et immunoessais mais en raison de la nature sensible des enzymes, leur intégration au papier à grande échelle a rencontré plusieurs difficultés surtout dans les conditions industrielles. Pendant ce temps, les microcapsules sont une plate-forme intéressante pour l’immobilisation des enzymes et aussi assez efficace pour permettre à la fonctionnalisation du papier à grande échelle car le papier peut être facilement recouvert avec une couche de telles microcapsules. Dans cette étude, nous avons développé une plate-forme générique utilisant des microcapsules à base d’alginate qui peuvent être appliquées aux procédés usuels de production de papier bioactif et antibactérien avec la capacité de capturer des pathogènes à sa surface et de les désactiver grâce à la production d’un réactif anti-pathogène. La conception de cette plate-forme antibactérienne est basée sur la production constante de peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent antibactérien à l’intérieur des microcapsules d’alginate. Cette production de peroxyde d’hydrogène est obtenue par oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase encapsulée à l’intérieur des billes d’alginate. Les différentes étapes de cette étude comprennent le piégeage de la glucose oxydase à l’intérieur des microcapsules d’alginate, l’activation et le renforcement de la surface des microcapsules par ajout d’une couche supplémentaire de chitosan, la vérification de la possibilité d’immobilisation des anticorps (immunoglobulines G humaine comme une modèle d’anticorps) sur la surface des microcapsules et enfin, l’évaluation des propriétés antibactériennes de cette plate-forme vis-à-vis l’Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) en tant qu’un représentant des agents pathogènes. Après avoir effectué chaque étape, certaines mesures et observations ont été faites en utilisant diverses méthodes et techniques analytiques telles que la méthode de Bradford pour dosage des protéines, l’électroanalyse d’oxygène, la microscopie optique et confocale à balayage laser (CLSM), la spectrométrie de masse avec désorption laser assistée par matrice- temps de vol (MALDI-TOF-MS), etc. Les essais appropriés ont été effectués pour valider la réussite de modification des microcapsules et pour confirmer à ce fait que la glucose oxydase est toujours active après chaque étape de modification. L’activité enzymatique spécifique de la glucose oxydase après l’encapsulation a été évaluée à 120±30 U/g. Aussi, des efforts ont été faits pour immobiliser la glucose oxydase sur des nanoparticules d’or avec deux tailles différentes de diamètre (10,9 nm et 50 nm) afin d’améliorer l’activité enzymatique et augmenter l’efficacité d’encapsulation. Les résultats obtenus lors de cette étude démontrent les modifications réussies sur les microcapsules d’alginate et aussi une réponse favorable de cette plate-forme antibactérienne concernant la désactivation de E. coli K-12. La concentration efficace de l’activité enzymatique afin de désactivation de cet agent pathogénique modèle a été déterminée à 1.3×10-2 U/ml pour une concentration de 6.7×108 cellules/ml de bactéries. D’autres études sont nécessaires pour évaluer l’efficacité de l’anticorps immobilisé dans la désactivation des agents pathogènes et également intégrer la plate-forme sur le papier et valider l’efficacité du système une fois qu’il est déposé sur papier.

Co-encapsulation of enzymes and antibodies for chemical deactivation of pathogens on paper

Le papier bioactif est obtenu par la modification de substrat du papier avec des biomolécules et des réactifs. Ce type de papier est utilisé dans le développement de nouveaux biocapteurs qui sont portables, jetables et économiques visant à capturer, détecter et dans certains cas, désactiver les agents pathogènes. Généralement les papiers bioactifs sont fabriqués par l’incorporation de biomolécules telles que les enzymes et les anticorps sur la surface du papier. L’immobilisation de ces biomolécules sur les surfaces solides est largement utilisée pour différentes applications de diagnostic comme dans immunocapteurs et immunoessais mais en raison de la nature sensible des enzymes, leur intégration au papier à grande échelle a rencontré plusieurs difficultés surtout dans les conditions industrielles. Pendant ce temps, les microcapsules sont une plate-forme intéressante pour l’immobilisation des enzymes et aussi assez efficace pour permettre à la fonctionnalisation du papier à grande échelle car le papier peut être facilement recouvert avec une couche de telles microcapsules. Dans cette étude, nous avons développé une plate-forme générique utilisant des microcapsules à base d’alginate qui peuvent être appliquées aux procédés usuels de production de papier bioactif et antibactérien avec la capacité de capturer des pathogènes à sa surface et de les désactiver grâce à la production d’un réactif anti-pathogène. La conception de cette plate-forme antibactérienne est basée sur la production constante de peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent antibactérien à l’intérieur des microcapsules d’alginate. Cette production de peroxyde d’hydrogène est obtenue par oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase encapsulée à l’intérieur des billes d’alginate. Les différentes étapes de cette étude comprennent le piégeage de la glucose oxydase à l’intérieur des microcapsules d’alginate, l’activation et le renforcement de la surface des microcapsules par ajout d’une couche supplémentaire de chitosan, la vérification de la possibilité d’immobilisation des anticorps (immunoglobulines G humaine comme une modèle d’anticorps) sur la surface des microcapsules et enfin, l’évaluation des propriétés antibactériennes de cette plate-forme vis-à-vis l’Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) en tant qu’un représentant des agents pathogènes. Après avoir effectué chaque étape, certaines mesures et observations ont été faites en utilisant diverses méthodes et techniques analytiques telles que la méthode de Bradford pour dosage des protéines, l’électroanalyse d’oxygène, la microscopie optique et confocale à balayage laser (CLSM), la spectrométrie de masse avec désorption laser assistée par matrice- temps de vol (MALDI-TOF-MS), etc. Les essais appropriés ont été effectués pour valider la réussite de modification des microcapsules et pour confirmer à ce fait que la glucose oxydase est toujours active après chaque étape de modification. L’activité enzymatique spécifique de la glucose oxydase après l’encapsulation a été évaluée à 120±30 U/g. Aussi, des efforts ont été faits pour immobiliser la glucose oxydase sur des nanoparticules d’or avec deux tailles différentes de diamètre (10,9 nm et 50 nm) afin d’améliorer l’activité enzymatique et augmenter l’efficacité d’encapsulation. Les résultats obtenus lors de cette étude démontrent les modifications réussies sur les microcapsules d’alginate et aussi une réponse favorable de cette plate-forme antibactérienne concernant la désactivation de E. coli K-12. La concentration efficace de l’activité enzymatique afin de désactivation de cet agent pathogénique modèle a été déterminée à 1.3×10-2 U/ml pour une concentration de 6.7×108 cellules/ml de bactéries. D’autres études sont nécessaires pour évaluer l’efficacité de l’anticorps immobilisé dans la désactivation des agents pathogènes et également intégrer la plate-forme sur le papier et valider l’efficacité du système une fois qu’il est déposé sur papier.

Occupational exposure to bloodborne pathogens : precautions for emergency responders.

"OSHA 3130."

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Bloodborne pathogens and acute care facilities.

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