Type 1 fimbrial expression enhances Escherichia coli virulence for the urinary tract.

Type 1 fimbriae are adhesion organelles expressed by many Gram-negative bacteria. They facilitate adherence to mucosal surfaces and inflammatory cells in vitro, but their contribution to virulence has not been defined. This study presents evidence that type 1 fimbriae increase the virulence of Escherichia coli for the urinary tract by promoting bacterial persistence and enhancing the inflammatory response to infection. In a clinical study, we observed that disease severity was greater in children infected with E. coli O1:K1:H7 isolates expressing type 1 fimbriae than in those infected with type 1 negative isolates of the same serotype. The E. coli O1:K1:H7 isolates had the same electrophoretic type, were hemolysin-negative, expressed P fimbriae, and carried the fim DNA sequences. When tested in a mouse urinary tract infection model, the type 1-positive E. coli O1:K1:H7 isolates survived in higher numbers, and induced a greater neutrophil influx into the urine, than O1:K1:H7 type 1-negative isolates. To confirm a role of type 1 fimbriae, a fimH null mutant (CN1016) was constructed from an O1:K1:H7 type 1-positive parent. E. coli CN1016 had reduced survival and inflammatogenicity in the mouse urinary tract infection model. E. coli CN1016 reconstituted with type 1 fimbriae (E. coli CN1018) had restored virulence similar to that of the wild-type parent strain. These results show that type 1 fimbriae in the genetic background of a uropathogenic strain contribute to the pathogenesis of E. coli in the urinary tract.

A chromosomal locus required for copper resistance, competitive fitness, and cytochrome c biogenesis in Pseudomonas fluorescens.

A chromosomal locus required for copper resistance and competitive fitness was cloned from a strain of Pseudomonas fluorescens isolated from copper-contaminated agricultural soil. Sequence analysis of this locus revealed six open reading frames with homology to genes involved in cytochrome c biogenesis in other bacteria, helC, cycJ, cycK, tipB, cycL, and cycH, with the closest similarity being to the aeg-46.5(yej) region of the Escherichia coli chromosome. The proposed functions of these genes in other bacteria include the binding, transport, and coupling of heme to apocytochrome c in the periplasm of these Gram-negative bacteria. Putative heme-binding motifs were present in the predicted products of cycK and cycL, and TipB contained a putative disulfide oxidoreductase active site proposed to maintain the heme-binding site of the apocytochrome in a reduced state for ligation of heme. Tn3-gus mutagenesis showed that expression of the genes was constitutive but enhanced by copper, and confirmed that the genes function both in copper resistance and production of active cytochrome c. However, two mutants in cycH were copper-sensitive and oxidase-positive, suggesting that the functions of these genes, rather than cytochrome c oxidase itself, were required for resistance to copper.

Functional expression of mouse Mdr1 in an outer membrane permeability mutant of Escherichia coli.

Functional expression of the multidrug resistance protein P-glycoprotein (P-gp) in Escherichia coli is providing an appropriate system for structure/function studies and might provide an invaluable tool to screen potential P-gp substrates and inhibitors. The major problem encountered in such studies, however, is the impermeability of the outer membrane of Gram-negative bacteria, which protects microorganisms against the cytotoxic effects of many lipophilic cancer drugs and blocks accessibility of P-gp reversal agents. In the present study we have constructed, by mutagenesis, a "leaky" (containing a permeable outer membrane) strain of E. coli, which is significantly more susceptible to the toxic effect of known P-gp substrates and cytotoxic agents. Expression of mouse Mdr1 in the mutant confers cross-resistance to daunomycin, quinidine, chloroquine, rhodamine 6G, and puromycin. Most importantly, reserpine and doxorubicin completely abolish Mdr1-mediated rhodamine resistance. The results provide strong support for previous observations, suggesting that Mdr1 can be expressed functionally in E. coli and indicate that the leaky mutant will be useful for further structure/function studies of the heterologously expressed eukaryotic drug efflux protein.

Copy-up mutants of the plasmid RK2 replication initiation protein are defective in coupling RK2 replication origins.

The broad host range plasmid RK2 replicates and regulates its copy number in a wide range of Gram-negative bacteria. The plasmid-encoded trans-acting replication protein TrfA and the origin of replication oriV are sufficient for controlled replication of the plasmid in all Gram-negative bacteria tested. The TrfA protein binds specifically to direct repeat sequences (iterons) at the origin of replication. A replication control model, designated handcuffing or coupling, has been proposed whereby the formation of coupled TrfA-oriV complexes between plasmid molecules results in hindrance of origin activity and, consequently, a shut-down of plasmid replication under conditions of higher than normal copy number. Therefore, according to this model, the coupling activity of an initiation protein is essential for copy number control and a copy-up initiation protein mutant should have reduced ability to form coupled complexes. To test this model for plasmid RK2, two previously characterized copy-up TrfA mutations, trfA-254D and trfA-267L, were combined and the resulting copy-up double mutant TFrfA protein TrfA-254D/267L was characterized. Despite initiating runaway (uncontrolled) replication in vivo, the copy-up double-mutant TrfA protein exhibited replication kinetics similar to the wild-type protein in vitro. Purified TrfA-254D, TrfA-267L, and TrfA-254D/267L proteins were then examined for binding to the iterons and for coupling activity using an in vitro ligase-catalyzed multimerization assay. It was found that both single and double TrfA mutant proteins exhibited substantially reduced (single mutants) or barely detectable (double mutant) levels of coupling activity while not being diminished in their capacity to bind to the origin of replication. These observations provide direct evidence in support of the coupling model of replication control.

Structure-activity analysis of thanatin, a 21-residue inducible insect defense peptide with sequence homology to frog skin antimicrobial peptides.

Immune challenge to the insect Podisus maculiventris induces synthesis of a 21-residue peptide with sequence homology to frog skin antimicrobial peptides of the brevinin family. The insect and frog peptides have in common a C-terminally located disulfide bridge delineating a cationic loop. The peptide is bactericidal and fungicidal, exhibiting the largest antimicrobial spectrum observed so far for an insect defense peptide. An all-D-enantiomer is nearly inactive against Gram-negative bacteria and some Gram-positive strains but is fully active against fungi and other Gram-positive bacteria, suggesting that more than one mechanism accounts for the antimicrobial activity of this peptide. Studies with truncated synthetic isoforms underline the role of the C-terminal loop and flanking residues for the activity of this molecule for which we propose the name thanatin.

Structure of the gene for porcine peptide antibiotic PR-39, a cathelin gene family member: comparative mapping of the locus for the human peptide antibiotic FALL-39.

PR-39 is a porcine 39-aa peptide antibiotic composed of 49% proline and 24% arginine, with an activity against Gram-negative bacteria comparable to that of tetracycline. In Escherichia coli, it inhibits DNA and protein synthesis. PR-39 was originally isolated from pig small intestine, but subsequent cDNA cloning showed that the gene is expressed in the bone marrow. The open reading frame of the clone showed that PR-39 is made as 173-aa precursor whose proregion belongs to the cathelin family. The PR39 gene, which is rather compact and spans only 1784 bp has now been sequenced. The coding information is split into four exons. The first exon contains the signal sequence of 29 residues and the first 37 residues of the cathelin propart. Exons 2 and 3 contain only cathelin information, while exon 4 codes for the four C-terminal cathelin residues and the mature PR-39 peptide extended by three residues. The sequenced upstream region (1183 bp) contains four potential recognition sites for NF-IL6 and three for APRF, transcription factors known to regulate genes for both cytokines and acute phase response factors. Genomic hybridizations revealed a fairly high level of restriction fragment length polymorphism and indicated that there are at least two copies of the PR39 gene in the pig genome. PR39 was mapped to pig chromosome 13 by linkage and in situ hybridization mapping. The gene for the human peptide antibiotic FALL-39 (also a member of the cathelin family) was mapped to human chromosome 3, which is homologous to pig chromosome 13.

Disparate responses to oxidative stress in saprophytic and pathogenic mycobacteria.

To persist in macrophages and in granulomatous caseous lesions, pathogenic mycobacteria must be equipped to withstand the action of toxic oxygen metabolites. In Gram-negative bacteria, the OxyR protein is a critical component of the oxidative stress response. OxyR is both a sensor of reactive oxygen species and a transcriptional activator, inducing expression of detoxifying enzymes such as catalase/hydroperoxidase and alkyl hydroperoxidase. We have characterized the responses of various mycobacteria to hydrogen peroxide both phenotypically and at the levels of gene and protein expression. Only the saprophytic Mycobacterium smegmatis induced a protective oxidative stress response analogous to the OxyR response of Gram-negative bacteria. Under similar conditions, the pathogenic mycobacteria exhibited a limited, nonprotective response, which in the case of Mycobacterium tuberculosis was restricted to induction of a single protein, KatG. We have also isolated DNA sequences homologous to oxyR and ahpC from M. tuberculosis and Mycobacterium avium. While the M. avium oxyR appears intact, the oxyR homologue of M. tuberculosis contains numerous deletions and frameshifts and is probably nonfunctional. Apparently the response of pathogenic mycobacteria to oxidative stress differs significantly from the inducible OxyR response of other bacteria.

Applicazione della spettrometria di massa MALDI-TOF in microbiologia clinica

Riassunto La spettrometria di massa (MS) nata negli anni ’70 trova oggi, grazie alla tecnologia Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight (MALDI-TOF), importanti applicazioni in diversi settori: biotecnologico (per la caratterizzazione ed il controllo di qualità di proteine ricombinanti ed altre macromolecole), medico–clinico (per la diagnosi di laboratorio di malattie e per lo sviluppo di nuovi trattamenti terapeutici mirati), alimentare ed ambientale. Negli ultimi anni, questa tecnologia è diventata un potente strumento anche per la diagnosi di laboratorio in microbiologia clinica, rivoluzionando il flusso di lavoro per una rapida identificazione di batteri e funghi, sostituendo l’identificazione fenotipica convenzionale basata su saggi biochimici. Attualmente mediante MALDI-TOF MS sono possibili due diversi approcci per la caratterizzazione dei microrganismi: (1) confronto degli spettri (“mass spectra”) con banche dati contenenti profili di riferimento (“database fingerprints”) e (2) “matching” di bio-marcatori con banche dati proteomiche (“proteome database”). Recentemente, la tecnologia MALDI-TOF, oltre alla sua applicazione classica nell’identificazione di microrganismi, è stata utilizzata per individuare, indirettamente, meccanismi di resistenza agli antibiotici. Primo scopo di questo studio è stato verificare e dimostrare l’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF MS mediante approccio di comparazione degli spettri di differenti microrganismi di interesse medico per i quali l’identificazione risultava impossibile a causa della completa assenza o presenza limitata, di spettri di riferimento all’interno della banca dati commerciale associata allo strumento. In particolare, tale scopo è stato raggiunto per i batteri appartenenti a spirochete del genere Borrelia e Leptospira, a miceti filamentosi (dermatofiti) e protozoi (Trichomonas vaginalis). Secondo scopo di questo studio è stato valutare il secondo approccio identificativo basato sulla ricerca di specifici marcatori per differenziare parassiti intestinali di interesse medico per i quali non è disponibile una banca dati commerciale di riferimento e la sua creazione risulterebbe particolarmente difficile e complessa, a causa della complessità del materiale biologico di partenza analizzato e del terreno di coltura nei quali questi protozoi sono isolati. Terzo ed ultimo scopo di questo studio è stata la valutazione dell’applicabilità della spettrometria di massa con tecnologia MALDI-TOF per lo studio delle resistenze batteriche ai carbapenemi. In particolare, è stato messo a punto un saggio di idrolisi dei carbapenemi rilevata mediante MALDI-TOF MS in grado di determinare indirettamente la produzione di carbapenemasi in Enterobacteriaceae. L’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF mediante l’approccio di comparazione degli spettri è stata dimostrata in primo luogo per batteri appartenenti al genere Borrelia. La banca dati commerciale dello strumento MALDI-TOF MS in uso presso il nostro laboratorio includeva solo 3 spettri di riferimento appartenenti alle specie B. burgdorferi ss, B. spielmani e B. garinii. L’implementazione del “database” con specie diverse da quelle già presenti ha permesso di colmare le lacune identificative dovute alla mancanza di spettri di riferimento di alcune tra le specie di Borrelia più diffuse in Europa (B. afzelii) e nel mondo (come ad esempio B. hermsii, e B. japonica). Inoltre l’implementazione con spettri derivanti da ceppi di riferimento di specie già presenti nel “database” ha ulteriormente migliorato l’efficacia identificativa del sistema. Come atteso, il ceppo di isolamento clinico di B. lusitaniae (specie non presente nel “database”) è stato identificato solo a livello di genere corroborando, grazie all’assenza di mis-identificazione, la robustezza della “nuova” banca dati. I risultati ottenuti analizzando i profili proteici di ceppi di Borrelia spp. di isolamento clinico, dopo integrazione del “database” commerciale, indicano che la tecnologia MALDI-TOF potrebbe essere utilizzata come rapida, economica ed affidabile alternativa ai metodi attualmente utilizzati per identificare ceppi appartenenti a questo genere. Analogamente, per il genere Leptospira dopo la creazione ex-novo della banca dati “home-made”, costruita con i 20 spettri derivati dai 20 ceppi di riferimento utilizzati, è stata ottenuta una corretta identificazione a livello di specie degli stessi ceppi ri-analizzati in un esperimento indipendente condotto in doppio cieco. Il dendrogramma costruito con i 20 MSP-Spectra implementati nella banca dati è formato da due rami principali: il primo formato dalla specie non patogena L. biflexa e dalla specie a patogenicità intermedia L. fainei ed il secondo che raggruppa insieme le specie patogene L. interrogans, L. kirschneri, L. noguchii e L. borgpetersenii. Il secondo gruppo è ulteriormente suddiviso in due rami, contenenti rispettivamente L. borgpetersenii in uno e L. interrogans, L. kirschneri e L. noguchii nell’altro. Quest’ultimo, a sua volta, è suddiviso in due rami ulteriori: il primo comprendente la sola specie L. noguchii, il secondo le specie L. interrogans e L. kirshneri non separabili tra loro. Inoltre, il dendrogramma costruito con gli MSP-Spectra dei ceppi appartenenti ai generi Borrelia e Leptospira acquisiti in questo studio, e appartenenti al genere Brachyspira (implementati in un lavoro precedentemente condotto) mostra tre gruppi principali separati tra loro, uno per ogni genere, escludendo possibili mis-identificazioni tra i 3 differenti generi di spirochete. Un’analisi più approfondita dei profili proteici ottenuti dall’analisi ha mostrato piccole differenze per ceppi della stessa specie probabilmente dovute ai diversi pattern proteici dei distinti sierotipi, come confermato dalla successiva analisi statistica, che ha evidenziato picchi sierotipo-specifici. È stato, infatti, possibile mediante la creazione di un modello statistico dedicato ottenere un “pattern” di picchi discriminanti in grado di differenziare a livello di sierotipo sia i ceppi di L. interrogans sia i ceppi di L. borgpetersenii saggiati, rispettivamente. Tuttavia, non possiamo concludere che i picchi discriminanti da noi riportati siano universalmente in grado di identificare il sierotipo dei ceppi di L. interrogans ed L. borgpetersenii; i picchi trovati, infatti, sono il risultato di un’analisi condotta su uno specifico pannello di sierotipi. È stato quindi dimostrato che attuando piccoli cambiamenti nei parametri standardizzati come l’utilizzo di un modello statistico e di un programma dedicato applicato nella routine diagnostica è possibile utilizzare la spettrometria di massa MALDI-TOF per una rapida ed economica identificazione anche a livello di sierotipo. Questo può significativamente migliorare gli approcci correntemente utilizzati per monitorare l’insorgenza di focolai epidemici e per la sorveglianza degli agenti patogeni. Analogamente a quanto dimostrato per Borrelia e Leptospira, l’implementazione della banca dati dello spettrometro di massa con spettri di riferimento di miceti filamentosi (dermatofiti) si è rilevata di particolare importanza non solo per l’identificazione di tutte le specie circolanti nella nostra area ma anche per l’identificazione di specie la cui frequenza nel nostro Paese è in aumento a causa dei flussi migratori dalla zone endemiche (M. audouinii, T. violaceum e T. sudanense). Inoltre, l’aggiornamento del “database” ha consentito di superare la mis-identificazione dei ceppi appartenenti al complesso T. mentagrophytes (T. interdigitale e T. mentagrophytes) con T. tonsurans, riscontrata prima dell’implementazione della banca dati commerciale. Il dendrogramma ottenuto dai 24 spettri implementati appartenenti a 13 specie di dermatofiti ha rivelato raggruppamenti che riflettono quelli costruiti su base filogenetica. Sulla base dei risultati ottenuti mediante sequenziamento della porzione della regione ITS del genoma fungino non è stato possibile distinguere T. interdigitale e T. mentagrophytes, conseguentemente anche gli spettri di queste due specie presentavano picchi dello stesso peso molecoalre. Da sottolineare che il dendrogramma costruito con i 12 profili proteici già inclusi nel database commerciale e con i 24 inseriti nel nuovo database non riproduce l’albero filogenetico per alcune specie del genere Tricophyton: gli spettri MSP già presenti nel database e quelli aggiunti delle specie T. interdigitale e T. mentagrophytes raggruppano separatamente. Questo potrebbe spiegare le mis-identificazioni di T. interdigitale e T. mentagrophytes con T. tonsurans ottenute prima dell’implementazione del database. L’efficacia del sistema identificativo MALDI-TOF è stata anche dimostrata per microrganismi diversi da batteri e funghi per i quali la metodica originale è stata sviluppata. Sebbene tale sistema identificativo sia stato applicato con successo a Trichomonas vaginalis è stato necessario apportare modifiche nei parametri standard previsti per l’identificazione di batteri e funghi. Le interferenze riscontrate tra i profili proteici ottenuti per i due terreni utilizzati per la coltura di questo protozoo e per i ceppi di T. vaginalis hanno, infatti, reso necessario l’utilizzo di nuovi parametri per la creazione degli spettri di riferimento (MSP-Spectra). L’importanza dello sviluppo del nuovo metodo risiede nel fatto che è possibile identificare sulla base del profilo proteico (e non sulla base di singoli marcatori) microorganismi cresciuti su terreni complessi che potrebbero presentare picchi nell'intervallo di peso molecolare utilizzato a scopo identificativo: metaboliti, pigmenti e nutrienti presenti nel terreno possono interferire con il processo di cristallizzazione e portare ad un basso punteggio identificativo. Per T. vaginalis, in particolare, la “sottrazione” di picchi dovuti a molecole riconducibili al terreno di crescita utilizzato, è stata ottenuta escludendo dall'identificazione l'intervallo di peso molecolare compreso tra 3-6 kDa, permettendo la corretta identificazione di ceppi di isolamento clinico sulla base del profilo proteico. Tuttavia, l’elevata concentrazione di parassita richiesta (105 trofozoiti/ml) per una corretta identificazione, difficilmente ottenibile in vivo, ha impedito l’identificazione di ceppi di T. vaginalis direttamente in campioni clinici. L’approccio identificativo mediante individuazione di specifici marcatori proteici (secondo approccio identificativo) è stato provato ed adottato in questo studio per l’identificazione e la differenziazione di ceppi di Entamoeba histolytica (ameba patogena) ed Entamoeba dispar (ameba non patogena), specie morfologiacamente identiche e distinguibili solo mediante saggi molecolari (PCR) aventi come bersaglio il DNA-18S, che codifica per l’RNA della subunità ribosomiale minore. Lo sviluppo di tale applicazione ha consentito di superare l’impossibilità della creazione di una banca dati dedicata, a causa della complessità del materiale fecale di partenza e del terreno di coltura impiagato per l’isolamento, e di identificare 5 picchi proteici in grado di differenziare E. histolytica da E. dispar. In particolare, l’analisi statistica ha mostrato 2 picchi specifici per E. histolytica e 3 picchi specifici per E. dispar. L’assenza dei 5 picchi discriminanti trovati per E. histolytica e E. dispar nei profili dei 3 differenti terreni di coltura utilizzati in questo studio (terreno axenico LYI-S-2 e terreno di Robinson con e senza E. coli) permettono di considerare questi picchi buoni marcatori in grado di differenziare le due specie. La corrispondenza dei picchi con il PM di due specifiche proteine di E. histolytica depositate in letteratura (Amoebapore A e un “unknown putative protein” di E. histolytica ceppo di riferimento HM-1:IMSS-A) conferma la specificità dei picchi di E. histolytica identificati mediante analisi MALDI-TOF MS. Lo stesso riscontro non è stato possibile per i picchi di E. dispar in quanto nessuna proteina del PM di interesse è presente in GenBank. Tuttavia, va ricordato che non tutte le proteine E. dispar sono state ad oggi caratterizzate e depositate in letteratura. I 5 marcatori hanno permesso di differenziare 12 dei 13 ceppi isolati da campioni di feci e cresciuti in terreno di Robinson confermando i risultati ottenuti mediante saggio di Real-Time PCR. Per un solo ceppo di isolamento clinico di E. histolytica l’identificazione, confermata mediante sequenziamento della porzione 18S-rDNA, non è stata ottenuta mediante sistema MALDI-TOF MS in quanto non sono stati trovati né i picchi corrispondenti a E. histolytica né i picchi corrispondenti a E. dispar. Per questo ceppo è possibile ipotizzare la presenza di mutazioni geno/fenotipiche a livello delle proteine individuate come marcatori specifici per E. histolytica. Per confermare questa ipotesi sarebbe necessario analizzare un numero maggiore di ceppi di isolamento clinico con analogo profilo proteico. L’analisi condotta a diversi tempi di incubazione del campione di feci positivo per E. histolytica ed E. dipar ha mostrato il ritrovamento dei 5 picchi discriminanti solo dopo 12 ore dall’inoculo del campione nel terreno iniziale di Robinson. Questo risultato suggerisce la possibile applicazione del sistema MALDI-TOF MS per identificare ceppi di isolamento clinico di E. histolytica ed E. dipar nonostante la presenza di materiale fecale che materialmente può disturbare e rendere difficile l’interpretazione dello spettro ottenuto mediante analisi MALDI-TOF MS. Infine in questo studio è stata valutata l’applicabilità della tecnologia MALDI-TOF MS come saggio fenotipico rapido per la determinazione di ceppi produttori di carbapenemasi, verificando l'avvenuta idrolisi del meropenem (carbapeneme di riferimento utilizzato in questo studio) a contatto con i ceppi di riferimento e ceppi di isolamento clinico potenzialmente produttori di carbapenemasi dopo la messa a punto di un protocollo analitico dedicato. Il saggio di idrolisi del meropenem mediante MALDI-TOF MS ha dimostrato la presenza o l’assenza indiretta di carbapenemasi nei 3 ceppi di riferimento e nei 1219 (1185 Enterobacteriaceae e 34 non-Enterobacteriaceae) ceppi di isolamento clinico inclusi nello studio. Nessuna interferenza è stata riscontrata per i ceppi di Enterobacteriaceae variamente resistenti ai tre carbapenemi ma risultati non produttori di carbapenemasi mediante i saggi fenotipici comunemente impiegati nella diagnostica routinaria di laboratorio: nessuna idrolisi del farmaco è stata infatti osservata al saggio di idrolisi mediante MALDI-TOF MS. In un solo caso (ceppo di K. pneumoniae N°1135) è stato ottenuto un profilo anomalo in quanto presenti sia i picchi del farmaco intatto che quelli del farmaco idrolizzato. Per questo ceppo resistente ai tre carbapenemi saggiati, negativo ai saggi fenotipici per la presenza di carbapenemasi, è stata dimostrata la presenza del gene blaKPC mediante Real-Time PCR. Per questo ceppo si può ipotizzare la presenza di mutazioni a carico del gene blaKPC che sebbene non interferiscano con il suo rilevamento mediante PCR (Real-Time PCR positiva), potrebbero condizionare l’attività della proteina prodotta (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia negativi) riducendone la funzionalità come dimostrato, mediante analisi MALDI-TOF MS, dalla presenza dei picchi relativi sia all’idrolisi del farmaco sia dei picchi relativi al farmaco intatto. Questa ipotesi dovrebbe essere confermata mediante sequenziamento del gene blaKPC e successiva analisi strutturale della sequenza amminoacidica deducibile. L’utilizzo della tecnologia MALDI-TOF MS per la verifica dell’avvenuta idrolisi del maropenem è risultato un saggio fenotipico indiretto in grado di distinguere, al pari del test di Hodge modificato impiegato comunemente nella routine diagnostica in microbiologia, un ceppo produttore di carbapenemasi da un ceppo non produttore sia per scopi diagnostici che per la sorveglianza epidemiologica. L’impiego del MALDI-TOF MS ha mostrato, infatti, diversi vantaggi rispetto ai metodi convenzionali (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia) impiegati nella routine diagnostica di laboratorio i quali richiedono personale esperto per l’interpretazione del risultato e lunghi tempi di esecuzione e di conseguenza di refertazione. La semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questa tecnica un metodo accurato e rapido. Inoltre, il metodo risulta conveniente dal punto di vista economico, con un costo totale stimato di 1,00 euro per ceppo analizzato. Tutte queste considerazioni pongono questa metodologia in posizione centrale in ambito microbiologico anche nel caso del rilevamento di ceppi produttori di carbapenemasi. Indipendentemente dall’approccio identificativo utilizzato, comparato con i metodi convenzionali il MALDI-TOF MS conferisce in molti casi un guadagno in termini di tempo di lavoro tecnico (procedura pre-analititca per la preparazione dei campioni) e di tempo di ottenimento dei risultati (procedura analitica automatizzata). Questo risparmio di tempo si accentua quando sono analizzati in contemporanea un maggior numero di isolati. Inoltre, la semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questo un metodo di identificazione accurato e rapido risultando più conveniente anche dal punto di vista economico, con un costo totale di 0,50 euro (materiale consumabile) per ceppo analizzato. I risultati ottenuti dimostrano che la spettrometria di massa MALDI-TOF sta diventando uno strumento importante in microbiologia clinica e sperimentale, data l’elevata efficacia identificativa, grazie alla disponibilità sia di nuove banche dati commerciali sia di aggiornamenti delle stesse da parte di diversi utenti, e la possibilità di rilevare con successo anche se in modo indiretto le antibiotico-resistenze.

Novel microbicidal agents derived from Naja atra cardiotoxin 1 (CTX-1)

During my PhD course, I focused my research on antimicrobial peptides (AMPs), in particular on the aspects of their computational design and development. This work led to the development of a new family of AMPs that I designed, starting from the amino acid sequence of a snake venom toxin, the cardiotoxin 1 (CTX-1) of Naja atra. Naja atra atra cardiotoxin 1, produced by Chinese cobra snakes belonging to Elapidae family, is included in the three-finger toxin family and exerts high cytotoxicity and antimicrobial activity too. This toxin family is characterized by specific folding of three beta-sheet loops (“fingers”) extending from the central core and by four conserved disulfide bridges. Using as template the first loop of this toxin, different sequences of 20 amino acids linear cationic peptides have been designed in order to avoid toxic effects but to maintain and strengthen the antimicrobial activity. As a result, the sequence NCP-0 (Naja Cardiotoxin Peptide-0) was designed as ancestor and subsequently other 4 variant sequences of NCP0 were developed. These variant sequences have shown microbicidal activity towards a panel of reference strains of Gram-positive and Gram-negative bacteria, fungi and an enveloped virus. In particular, the sequence designed as NCP-3 (Naja Cardiotoxin Peptide-3) and its variants NCP-3a and NCP-3b have shown the best antimicrobial activity together with low cytotoxicity against eukaryotic cells and low hemolytic activity. Bactericidal activity has been demonstrated by minimum bactericidal concentration (MBC) assay at values below 10 μg/ml for Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853, Acinetobacter baumannii ( clinical isolates), Moraxella catharralis ATCC 25238, MRSA ATCC 43400, while towards Staphylococcus aureus ATCC 25923, Enterococcus hirae ATCC 10541 and Streptococcus agalactiae ATCC 13813 the bactericidal activity was demonstrated even below 1.6 μg/ml concentration. This potent antimicrobial activity was confirmed even for unicellular fungi Candida albicans, Candida glabrata and Malassezia pachydermatis (MBC 32.26-6.4 μg/ml), and also against the fast-growing mycobacteria Mycobacterium smegmatis DSMZ 43756 and Mycobacterium fortuitum DSMZ 46621 (MBC 100 μg/ml). Moreover, NCP-3 has shown a virucidal activity on the enveloped virus Bovine Herpesvirus 1 (BoHV1) belonging to herpesviridae family. The bactericidal activity is maintained in a high salt concentration (125 and 250 mM NaCl) medium and PB +20% Mueller Hinton Medium for E. coli, MRSA and Pseudomonas aeruginosa reference strains. Considering these in vitro obtained data, we propose NCP-3 and its variants NCP-3a and NCP-3b as promising antimicrobial candidates. For this reason, the whole novel AMPs family has been protected by a national patent (n°102015000015951).

Influência do LPS e do zinco na interação mãe e filhote

O comportamento materno consiste em um conjunto de mudanças comportamentais e fisiológicas, exercidas pelos indivíduos adultos em torno dos indivíduos reprodutivamente imaturos, garantindo sua sobrevivência e a propagação de sua espécie. A interação mãe e filhote é tida tipicamente como simbiótica. Os filhotes quando separados da mãe sinalizam para serem recolhidos através de dicas olfativas, visuais e da vocalização que representa uma forma de comunicação filhote e mãe. O modelo de febre clássico e amplamente empregado envolve a utilização do lipopolissacarídeo (LPS), principal componente da parede celular de bactérias Gram-Negativas. Além da febre, as infecções apresentam uma cadeia de respostas não especificas do hospedeiro que se sabe estarem envolvidos em muitas das funções vitais, incluindo a resposta imune estas incluem a hipozinquemia. Sendo assim, fêmeas virgens, gestantes e lactantes receberam LPS (100 µg/kg, i.p.) e foram tratadas com zinco (2 mg/kg, s.c.) O peso corporal, consumo de água, ração, e a temperatura corporal foram medidas por noventa e seis horas, duas horas após a administração do LPS. No quinto dia de lactação foram observados o comportamento maternal, a atividade geral em campo aberto e a vocalização ultrassônica nos filhotes. No dia do desmame os filhotes dessas fêmeas receberam um desafio com LPS (50 µg/kg, i.p.) e duas horas após a administração, foram observados a atividade geral em campo aberto, e o burst e fagocitose de neutrófilos. Observamos que: 1) Em ratas virgens, gestantes e lactantes, a exposição ao LPS e o tratamento com zinco modificou de forma específica a temperatura e peso corporal, consumo de água e ração e a atividade geral observadas em campo aberto; 2) No período de lactação, houve redução da latência para busca do primeiro filhote. Na prole das fêmeas lactantes verificou-se que: 3) Houve alteração no padrão de vocalização dos filhotes; 4) houve alteração na atividade geral observada em campo aberto e no burst e fagocitose de neutrófilos no vigésimo primeiro dia pós natal, após um desafio com a endotoxina, Assim, os resultados indicam que a administração de LPS e o tratamento com zinco têm seus efeitos modulados conforme o estágio fisiológico em que a fêmea se encontra, e interfere com a interação mãe/filhote, resultando em efeitos de curto e longo prazo sobre o comportamento dos filhotes. A partir deste trabalho, a possibilidade da exposição de mães à endotoxina bacteriana e da modulação de seus efeitos pelo zinco programar as respostas inflamatórias dos filhos torna-se factível

Banho de clorexidina para prevenção de colonização e infecção por micro-organismos multirresistentes na unidade de transplante de células tronco e hematopoiéticas

Introdução: Infecções relacionadas à assistência de saúde (IRAS) representam hoje um dos principais desafios da qualidade do cuidado do paciente, principalmente em pacientes submetido a transplante de células tronco e hematopoiéticas (TCTH) O banho diário com a clorexidina (CHG) degermante a 2% tem sido proposto principalmente em unidades de terapia intensivas (UTIs) para diminuir a colonização bacteriana do paciente e assim diminuir IRAS. O objetivo deste estudo foi avaliar o impacto do banho com CHG degermante a 2% em unidade de internação de TCTH na incidência de infecção e colonização por patógenos multirresistentes e ainda avaliar seu impacto na sensibilidade das bactérias ao antisséptico. Métodos: Foi realizado um estudo quasi-experimental, com duração de 9 anos, com início em janeiro/2005 até dezembro/2013. A intervenção foi iniciada em agosto de 2009, sendo que os períodos pré e pós-intervenção tiveram duração de 4,5 anos. As taxas de IRAS, infecção por gram-negativos multirresistentes e infecção e colonização por enterococo resistente a vancomicina (VRE) foram avaliadas através de série temporal, para estudar o impacto da intervenção. As concentrações inibitórias mínimas (CIM) das bactérias para a CHG com e sem o inibidor de bomba de efluxo (CCCP) foram avaliadas nos dois períodos. Os genes de resistência a CHG foram estudados por meio da PCR e a clonalidade dos isolados por eletroforese em campo pulsátil. Resultados: Foi observada redução significativa na incidência de infecção e colonização de VRE na unidade no período pós-intervenção (p: 0,001). Essa taxa permaneceu estável em outras UTIs clínicas do hospital. Contudo as taxas de infecção por Gram negativos multirresistentes aumentou nos últimos anos na unidade. Não ocorreu diminuição na taxa de IRAS na unidade. As CIMs testadas de CHG aumentaram nas amostras de VRE e K. pneumoniae após o período de exposição ao antisséptico, com queda importante da CIM após o uso do CCCP, revelando ser a bomba de efluxo, um importante mecanismo de resistência à CHG. As amostras de A. baumannii e P. aeruginosa não apresentaram aumento da CIM após período de exposição à clorexidina. As bombas de efluxo Ade A, B e C estiveram presentes na maioria dos A. baumannii do grupo controle (66%). A bomba cepA foi encontrada em 67% de todas as K. pneumoniae testadas e em 44,5% das P. aeruginosas do grupo pré intervenção. Observamos uma relação positiva entre a presença da CepA nas amostras de K. pneumoniae e a resposta ao CCCP: de todas as 49 amostras CepA positivas 67,3% obtiveram redução do seu MIC em 4 diluições após adição do CCCP. A avaliação de clonalidade demonstrou padrão policlonal das amostras de VRE, K. pneumoniae e A. baumannii avaliadas. Em relação às amostras de P. aeruginosa foi observado que no período pós-intervenção ocorreu predominância de um clone com > 80% semelhança em 10 das 22 amostras avaliadas pelo dendrograma. Conclusões: O banho de clorexidina teve impacto na redução da incidência de infecção e colonização por VRE na unidade de TCTH, e não teve o mesmo impacto nas bactérias gram-negativas. Os mecanismos moleculares de resistência à clorexidina estão intimamente ligados à presença de bomba de efluxo, sendo provavelmente o principal mecanismo de resistência e tolerância das bactérias ao antisséptico

Otimização da inativação fotodinâmica de E. coli por fotossensibilizadores veiculados por nanopartículas de sílica

A nanotecnologia tem sido aplicada para o desenvolvimento de materiais para diversas aplicações inclusive na inativação de patógenos. As nanopartículas de sílica (npSi) destacam-se pela alta área superficial, facilidade na alteração da superfície para aumento da eficiência adsortiva, penetrabilidade e toxicidade para bactérias gram-negativas sendo biocompatíveis para células de mamíferos e mais foto-estáveis que a maioria dos compostos orgânicos. Devido as suas vantagens, as npSi podem ser usadas para veicular fotossensibilizadores (FSs) uma vez que permitem sua utilização em solução aquosa em que os FSs geralmente são insolúveis. Além disso, o uso de FSs em vez de antibióticos, permite a inativação microbiológica pela Terapia Fotodinâmica sem que as bactérias adquiram resistência por mecanismos genéticos. Esse processo ocorre pela interação entre um FS, luz e oxigênio molecular produzindo oxigênio singleto que é extremamente reativo danificando estruturas celulares. O objetivo desse estudo foi otimizar a fotoinativação dinâmica de E .coli utilizando Azul de Metileno (AM) e Azul de Toluidina O (ATO) veiculados por npSi. As npSi foram preparadas pela metodologia sol-gel, caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e submetidas à adsorção de AM e ATO em sua superfície. A presença de AM e ATO na superfície das npSi foram analisadas por espectroscopia no infravermelho; espectroscopia de fluorescência por raio-X e análise termogravimétrica. O planejamento experimental, iniciado pelo fatorial 23 e modelado ao composto central em busca das condições ótimas foi adotado pela primeira vez nessa aplicabilidade, visando a fotoinativação de E. coli empregando AM e ATO em solução e em seguida com npSi. AM e ATO veiculados por npSi permitem a fotoinativação em concentrações mais baixas de FS (20 e 51% respectivamente), causando desestruturação da integridade bacteriana demonstrada por MEV. Os resultados sugerem que a veiculação de AM e ATO por npSi é extremamente efetiva para a fotoinativação dinâmica de E. coli e que o planejamento composto central pode levar à completa inativação das bactérias.

The Multiple Signaling Systems Regulating Virulence in Pseudomonas aeruginosa

Cell-to-cell communication is a major process that allows bacteria to sense and coordinately react to the fluctuating conditions of the surrounding environment. In several pathogens, this process triggers the production of virulence factors and/or a switch in bacterial lifestyle that is a major determining factor in the outcome and severity of the infection. Understanding how bacteria control these signaling systems is crucial to the development of novel antimicrobial agents capable of reducing virulence while allowing the immune system of the host to clear bacterial infection, an approach likely to reduce the selective pressures for development of resistance. We provide here an up-to-date overview of the molecular basis and physiological implications of cell-to-cell signaling systems in Gram-negative bacteria, focusing on the well-studied bacterium Pseudomonas aeruginosa. All of the known cell-to-cell signaling systems in this bacterium are described, from the most-studied systems, i.e., N-acyl homoserine lactones (AHLs), the 4-quinolones, the global activator of antibiotic and cyanide synthesis (GAC), the cyclic di-GMP (c-di-GMP) and cyclic AMP (cAMP) systems, and the alarmones guanosine tetraphosphate (ppGpp) and guanosine pentaphosphate (pppGpp), to less-well-studied signaling molecules, including diketopiperazines, fatty acids (diffusible signal factor [DSF]-like factors), pyoverdine, and pyocyanin. This overview clearly illustrates that bacterial communication is far more complex than initially thought and delivers a clear distinction between signals that are quorum sensing dependent and those relying on alternative factors for their production.

Microcin J25 has a threaded sidechain-to-backbone ring structure and not a head-to-tail cyclized backbone

Microcin J25 is a 21 amino acid bacterial peptide that has potent antibacterial activity against Gram-negative bacteria, resulting from its interaction with RNA polymerase. The peptide was previously proposed to have a head-to-tail cyclized peptide backbone and a tight globular structure (Blond, A., Peduzzi, J., Goulard, C., Chiuchiolo, M. J., Barthelemy, M., Prigent, Y., Salomon, R. A., Farias, R. N., Moreno, F. & Rebuffat, S. Eur. J. Biochem. 1999, 259, 747-755). It exhibits remarkable thermal stability for a peptide of its size lacking disulfide bonds and in part this was previously proposed to derive from its macrocyclic structure. We show here that in fact the peptide does not have a head-to-tail cyclic structure but rather a side chain to backbone cyclization between Glu8 and the N-terminus. This creates an embedded ring that is threaded by the C-terminal tail of the molecule, forming a noose-like feature. The three-dimensional structure deduced from NMR data suggests that slippage of the noose is prevented by two aromatic residues flanking the embedded ring. Unthreading does not occur even when the molecule is enzymatically digested with thermolysin. The new structural interpretation fully accounts for previously reported NMR and biophysical data and is consistent with the remarkable stability of this potent antimicrobial peptide.

Mutational analysis of the large periplasmic loop 7-8 of the putrescine transporter PotE in Escherichia coli

The PotE protein is a putrescine-ornithine antiporter found in many gram-negative bacteria. It is a member of the APA family of transporters and has 12 predicted alpha-helical transmembrane spanning segments (TMS). While the substrate binding site has previously been mapped to a region near the surface of the cytoplasmic lipid layer, no structural feature within the periplasmic domains of PotE have been shown to be important for function. We examined the role of the only large outer loop, situated between transmembrane spanning segment 7 and 8, in putrescine uptake. Deletion of the highly conserved amino acids in the region closest to transmembrane spanning segment 7 produced a protein with little activity. Glycine-scanning mutagenesis of this region showed that Val(249) and Leu(254) were required for optimal transporter function. The V249G mutant transported putrescine at a lower maximal rate compared to wild-type (WT) but with the same substrate binding affinity. In contrast, the L254G mutant had a higher substrate affinity. A series of Val(249) mutants indicated that the hydrophobicity of this residue, which is located at or near the membrane surface, is important for PotE function. Secondary structure predictions of the large outer loop indicated the presence of a hydrophobic alpha-helix in the centre with a hydrophobic region at each end suggesting that the loop was not entirely exposed to the aqueous periplasmic space. The study shows that loop 7-8 is important for PotE function, possibly by forming a re-entrant loop in the channel of the transporter. (C) 2003 Elsevier Ltd. All rights reserved.