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.

Gene repression by the ferric uptake regulator in Pseudomonas aeruginosa: cycle selection of iron-regulated genes.

The expression of at least 24 distinct genes of Pseudomonas aeruginosa PAO1 is under direct control of the "ferric uptake regulator" (Fur). Novel targets of the Fur protein were isolated in a powerful SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment)-like cycle selection consisting of in vitro DNA-Fur interaction, binding to anti-Fur antibody, purification on protein G, and PCR amplification. DNA fragments obtained after at least three exponential enrichment cycles were cloned and subjected to DNA mobility-shift assays and DNase I footprint analyses to verify the specific interaction with the Fur protein in vitro. Iron-dependent expression of the corresponding genes in vivo was monitored by RNase protection analysis. In total, 20 different DNA fragments were identified which represent actual Pseudomonas iron-regulated genes (PIGs). While four PIGs are identical to already known genes (pfeR, pvdS, tonB, and fumC, respectively), 16 PIGs represent previously unknown genes. Homology studies of the putative proteins encoded by the PIGs allowed us to speculate about their possible function. Two PIG products were highly similar to siderophore receptors from various species, and three PIG products were significantly homologous to alternative sigma factors. Furthermore, homologs of the Escherichia coli ORF1-tolQ, nuoA, stringent starvation protein Ssp, and of a two-component regulatory system similar to the Pseudomonas syringae LemA sensor kinase were identified. The putative gene products of seven additional PIGs did not show significant homologies to any known proteins. The PIGs were mapped on the P.aeruginosa chromosome. Their possible role in iron metabolism and virulence of P. aeruginosa is discussed.

The sigma factor sigma s affects antibiotic production and biological control activity of Pseudomonas fluorescens Pf-5.

Pseudomonas fluorescens Pf-5, a rhizosphere-inhabiting bacterium that suppresses several soilborne pathogens of plants, produces the antibiotics pyrrolnitrin, pyoluteorin, and 2,4-diacetylphloroglucinol. A gene necessary for pyrrolnitrin production by Pf-5 was identified as rpoS, which encodes the stationary-phase sigma factor sigma s. Several pleiotropic effects of an rpoS mutation in Escherichia coli also were observed in an RpoS- mutant of Pf-5. These included sensitivities of stationary-phase cells to stresses imposed by hydrogen peroxide or high salt concentration. A plasmid containing the cloned wild-type rpoS gene restored pyrrolnitrin production and stress tolerance to the RpoS- mutant of Pf-5. The RpoS- mutant overproduced pyoluteorin and 2,4-diacetyl-phloroglucinol, two antibiotics that inhibit growth of the phytopathogenic fungus Pythium ultimum, and was superior to the wild type in suppression of seedling damping-off of cucumber caused by Pythium ultimum. When inoculated onto cucumber seed at high cell densities, the RpoS- mutant did not survive as well as the wild-type strain on surfaces of developing seedlings. Other stationary-phase-specific phenotypes of Pf-5, such as the production of cyanide and extracellular protease(s) were expressed by the RpoS- mutant, suggesting that sigma s is only one of the sigma factors required for the transcription of genes in stationary-phase cells of P. fluorescens. These results indicate that a sigma factor encoded by rpoS influences antibiotic production, biological control activity, and survival of P. fluorescens on plant surfaces.

Crystal structure of Pseudomonas aeruginosa catabolic ornithine transcarbamoylase at 3.0-A resolution: a different oligomeric organization in the transcarbamoylase family.

The crystal structure of the Glu-105-->Gly mutant of catabolic ornithine transcarbamoylase (OTCase; carbamoyl phosphate + L-ornithine = orthophosphate + L-citrulline, EC 2.1.3.3) from Pseudomonas aeruginosa has been determined at 3.0-A resolution. This mutant is blocked in the active R (relaxed) state. The structure was solved by the molecular replacement method, starting from a crude molecular model built from a trimer of the catalytic subunit of another transcarbamoylase, the extensively studied aspartate transcarbamoylase (ATCase) from Escherichia coli. This model was used to generate initial low-resolution phases at 8-A resolution, which were extended to 3-A by noncrystallographic symmetry averaging. Four phase extensions were required to obtain an electron density map of very high quality from which the final model was built. The structure, including 4020 residues, has been refined to 3-A, and the current crystallographic R value is 0.216. No solvent molecules have been added to the model. The catabolic OTCase is a dodecamer composed of four trimers organized in a tetrahedral manner. Each monomer is composed of two domains. The carbamoyl phosphate binding domain shows a strong structural homology with the equivalent ATCase part. In contrast, the other domain, mainly implicated in the binding of the second substrate (ornithine for OTCase and aspartate for ATCase) is poorly conserved. The quaternary structures of these two allosteric transcarbamoylases are quite divergent: the E. coli ATCase has pseudo-32 point-group symmetry, with six catalytic and six regulatory chains; the catabolic OTCase has 23 point-group symmetry and only catalytic chains. However, both enzymes display homotropic and heterotropic cooperativity.

The crystal structure of Pseudomonas aeruginosa exotoxin domain III with nicotinamide and AMP: conformational differences with the intact exotoxin.

Domain III of Pseudomonas aeruginosa exotoxin A catalyses the transfer of ADP-ribose from NAD to a modified histidine residue of elongation factor 2 in eukaryotic cells, thus inactivating elongation factor 2. This domain III is inactive in the intact toxin but is active in the isolated form. We report here the 2.5-A crystal structure of this isolated domain crystallized in the presence of NAD and compare it with the corresponding structure in the intact Pseudomonas aeruginosa exotoxin A. We observe a significant conformational difference in the active site region from Arg-458 to Asp-463. Contacts with part of domain II in the intact toxin prevent the adoption of the isolated domain conformation and provide a structural explanation for the observed inactivity. Additional electron density in the active site region corresponds to separate AMP and nicotinamide and indicates that the NAD has been hydrolyzed. The structure has been compared with the catalytic domain of the diphtheria toxin, which was crystallized with ApUp.

Multiple N-acyl-L-homoserine lactone signal molecules regulate production of virulence determinants and secondary metabolites in Pseudomonas aeruginosa.

Pseudomonas aeruginosa produces a spectrum of exoproducts many of which have been implicated in the pathogenesis of human infection. Expression of some of these factors requires cell-cell communication involving the interaction of a small diffusible molecule, an "autoinducer," with a positive transcriptional activator. In P. aeruginosa PAO1, LasI directs the synthesis of the autoinducer N-(3-oxododecanoyl)-L-homoserine lactone (OdDHL), which activates the positive transcriptional activator, LasR. Recently, we have discovered a second signaling molecule-based modulon in PAO1, termed vsm, which contains the genes vsmR and vsmI. Using HPLC, mass spectrometry, and NMR spectroscopy we now establish that in Escherichia coli, VsmI directs the synthesis of N-butanoyl-L-homoserine lactone (BHL) and N-hexanoyl-L-homoserine lactone (HHL). These compounds are present in the spent culture supernatants of P. aeruginosa in a molar ratio of approximately 15:1 and their structures were unequivocally confirmed by chemical synthesis. Addition of either BHL or HHL to PAN067, a pleiotropic P. aeruginosa mutant unable to synthesize either of these autoinducers, restored elastase, chitinase, and cyanide production. In E. coli carrying a vsmR/vsmI'::lux transcriptional fusion, BHL and HHL activated VsmR to a similar extent. Analogues of these N-acyl-L-homoserine lactones in which the N-acyl side chain has been extended and/or oxidized at the C-3 position exhibit substantially lower activity (e.g., OdDHL) or no activity (e.g., dDHL) in this lux reporter assay. These data indicate that multiple families of quorum sensing modulons interactively regulate gene expression in P. aeruginosa.

The algT (algU) gene of Pseudomonas aeruginosa, a key regulator involved in alginate biosynthesis, encodes an alternative sigma factor (sigma E).

Chronic infection by alginate-producing (mucoid) Pseudomonas aeruginosa is the leading cause of mortality among cystic fibrosis (CF) patients. During the course of sustained infection, the production of an alginate capsule protects the bacteria and allows them to persist in the CF lung. One of the key regulators of alginate synthesis is the algT (algU) gene encoding a putative alternative sigma factor (sigma E). AlgT was hyperproduced and purified from Escherichia coli. The N-terminal sequence of the purified protein matched perfectly with that predicted from the DNA sequence. The purified protein, in the presence of E. coli RNA polymerase core enzyme, was able to initiate transcription of an algT promoter. Deletion of the -35 region of this promoter abolished this activity in vitro as well as in vivo. These data indicate that the algT gene encodes a sigma factor that is autoregulatory.

Integration host factor suppresses promiscuous activation of the sigma 54-dependent promoter Pu of Pseudomonas putida.

In the presence of m-xylene, the Pu promoter of the TOL plasmid of Pseudomonas putida is activated by the prokaryotic enhancer-binding protein XylR. The intervening DNA segment between the upstream activating sequences (UASs) and those for RNA polymerase binding contains an integration host factor (IHF) attachment site that is required for full transcriptional activity. In the absence of IHF, the Pu promoter can be cross-activated by other members of the sigma 54-dependent family of regulatory proteins. Such illegitimate activation does not require the binding of the heterologous regulators to DNA and it is suppressed by bent DNA structures, either static or protein induced, between the promoter core elements (UAS and RNA polymerase recognition sequence). The role of IHF in some sigma 54 promoters is, therefore, not only a structural aid for assembling a correct promoter geometry but also that of an active suppressor (restrictor) of promiscuous activation by heterologous regulators for increased promoter specificity.

Autoinducer-mediated regulation of rhamnolipid biosurfactant synthesis in Pseudomonas aeruginosa.

The opportunistic human pathogen Pseudomonas aeruginosa produces a variety of virulence factors, including exotoxin A, elastase, alkaline protease, alginate, phospholipases, and extracellular rhamnolipids. The previously characterized rhlABR gene cluster encodes a regulatory protein (RhlR) and a rhamnosyltransferase (RhlAB), both of which are required for rhamnolipid synthesis. Another gene, rhII, has now been identified downstream of the rhlABR gene cluster. The putative RhlI protein shares significant sequence similarity with bacterial autoinducer synthetases of the LuxI type. A P. aeruginosa rhlI mutant strain carrying a disrupted rhlI gene was unable to produce rhamnolipids and lacked rhamnosyltransferase activity. Rhamnolipid synthesis was restored by introducing a wild-type rhlI gene into such strains or, alternatively, by adding either the cell-free spent supernatant from a P. aeruginosa wild-type strain or synthetic N-acylhomoserine lactones. Half-maximal induction of rhamnolipid synthesis in the rhlI mutant strain required 0.5 microM N-butyrylhomoserine lactone or 10 microM N-(3-oxohexanoyl)homoserine lactone. The P. aeruginosa rhlA promoter was active in the heterologous host Pseudomonas putida when both the rhlR and rhlI genes were present or when the rhlR gene alone was supplied together with synthetic N-acylhomoserine lactones. The RhlR-RhlI regulatory system was found to be essential for the production of elastase as well, and cross-communication between the RhlR-RhlI rhamnolipid regulatory system and the LasR-LasI elastase regulatory system was demonstrated.

Avaliação da qualidade microbiológica, contagem de Pseudomonas spp, e sua importância durante a obtenção e armazenamento de leite cru refrigerado no período de seca e chuva

Na propriedade rural, onde o leite cru refrigerado fica armazenado até a captação pelo caminhão tanque em coleta a granel, o mesmo é mantido a temperatura de refrigeração entre 1 a 4ºC por longos períodos (até 96 horas), os microrganismos psicrotróficos encontram condições favoráveis para sua multiplicação, produzindo enzimas proteolíticas e lipolíticas termotolerantes, podendo provocar alterações indesejáveis no leite e nos seus derivados. Quando estes microrganismos estão presentes em elevadas populações, pode ser indicativo de baixa qualidade do leite e insatisfatória condições sanitárias para o processamento. Devido a necessidade da melhora da qualidade dos produtos lácteos, objetivou-se a execução desta pesquisa realizando levantamentos sobre o cumprimento dos padrões microbiológicos exigidos pela atual legislação brasileira IN 62 (BRASIL, 2011), pesquisas sobre os microrganismos psicrotróficos, Pseudomonas spp. e produção de enzimas proteolítica e lipolítica por Pseudomonas spp. As coletas foram realizadas em 10 propriedades do Estado de São Paulo na Regional Agrícola do Escritório de Desenvolvimento Rural - EDR Limeira - SP, sendo, 5 propriedades com ordenha manual e 5 propriedades com ordenha mecânica, nos períodos de chuva e seca e em vários pontos durante a obtenção do leite cru refrigerado e também do leite com intervalo de 24 horas até a captação deste leite pelo caminhão. As médias das populações dos microrganismos mesófilos na ordenha manual, foi diferente estatisticamente significativo no leite recém ordenhado (1,52×106 UFC.mL-1) para o leite com 24 horas de armazenamento (2,67×107 UFC.mL-1) no período chuvoso, e na ordenha mecânica, o encontrado foi uma diferença estatisticamente significativa no leite recém ordenhado (3,87×106 UFC.mL-1) para o leite com 24 horas de armazenamento (9,82×108 UFC.mL-1) também no período chuvoso. Nas populações dos microrganismos psicrotróficos, suas médias diferiram estatisticamente na ordenha manual no período da chuva no leite recém ordenhado (1,48×104 UFC.mL-1) para o leite com 48 horas de armazenamento (1,49×105 UFC.mL-1) e na ordenha mecânica, o leite recém ordenhado (8,74×103 UFC.mL-1), com 24 horas de armazenamento (4,33×104 UFC.mL-1) não diferiram entre si e foram diferentes estatisticamente do leite com 48 horas de armazenamento (3,46×105 UFC.mL-1) apresentaram valor elevado, principalmente quando o leite cru refrigerado permanece por longos períodos de armazenamento na propriedade rural, que pode ser um sério fator de comprometimento pela produção de lipases ou proteases principalmente pelas Pseudomonas spp. onde em todos os pontos amostrados foram isolados este microrganismo produzindo enzimas (lipase e/ou protease). A maior porcentagem de atividade lipolítica foi verificada no período seco, já a maior porcentagem de atividade proteolítica foi verificada no período chuvoso. Contudo, deve-se intensificar as medidas de autocontrole para minimizar os efeitos dos microrganismos mesófilos e psicrotróficos sobre a qualidade do leite cru refrigerado e, consequentemente, de seus derivados.

Imobilização do fungo Penicillium citrinum CBMAI 1186 e lipase de Pseudomonas fluorescens em biopolímeros para aplicações em biocatálise

Diversos biomateriais podem ser aplicados como suportes na imobilização de células totais de fungos filamentosos ou enzimas isoladas, visando a manutenção e o prolongamento da atividade enzimática em processos biocatalíticos. Exemplos promissores de biomateriais são a fibroína da seda e o alginato de sódio. A fibroína é um material protéico com alta estabilidade térmica, elasticidade, resistência à tensão, não sofre ataque microbiano, baixo custo de purificação e alta tenacidade, o alginato é um biopolímero versátil, devido a suas propriedades gelificantes em soluções aquosas. Assim, neste trabalho empregou-se micélios do fungo derivado de ambiente marinho, Penicillium citrinum CBMAI 1186, livres e imobilizados em biopolímeros (fibra de algodão, fibra de fibroína da seda e fibra de paina) na biorredução quimiosseletiva, regiosseletiva e enantiosseletiva da ligação α,β-C=C de enonas α,β-, α,β,γ,δ- e di-α,β-insaturadas previamente sintetizados pela a reação de condensação aldólica. Foi possível a utilização do fungo P. citrinum CBMAI 1186 na redução quimiosseletiva, regiosseletiva e enantiosseletiva da ligação dupla carbono-carbono de sistemas α,β-insaturados. A imobilização do fungo P. citrinum CBMAI 1186 em biopolímeros (algodão, fibroína da seda, paina e quitosana) permitiu a prolongamento da atividade celular do fungo. O protocolo desenvolvido foi capaz de obter compostos até então descritos apenas por síntese clássica. Também foi realizado reações de resolução enzimática de derivados de haloidrinas por diferentes lipases microbianas de: Pseudomonas fluorescens, Candida cylindracea, Rhizopus niveus e Aspergillus niger. A lipase de P. fluorescens foi imobilizada em esferas de fibroína do bicho da seda (método 1, via adsorção) e em blenda com alginato de cálcio (método 2, via encapsulação) em diferentes condições, tais como, variação de solvente, variação da quantidade de enzima imobilizada e tempo de reação. As condições otimizadas foram empregadas em diferentes haloidrinas, rendendo elevados excessos enantioméricos (ee > 99%) e alta razão enanantiomérica (E > 200) para os produtos acetilados. Foi possível desenvolver um protocolo simples, barato e prático para a síntese enantiosseletiva de haloidrina reforçando a versatilidade da fibroína e do alginato como suportes de imobilização para catalisadores heterogêneos. Também foi possível utilizar a lipase imobilizada (método 2) na reação de transesterificação para obtenção do biodiesel etílico. As melhores condições para o bom funcionamento do biocatalisador foram: 30% do biocatalisador, 20% de n-hexano, relação óleo e etanol de 1:4 a 32 ºC por 48 h em agitação magnética (400 rpm). Essas condições permitiram a formação de 42% de rendimento do biodiesel etílico. O biocatalisador apresentou algumas limitações reacionais, tais como, fragilidade frente a elevadas temperaturas (> 32 ºC) e prolongado tempo de agitação magnética. Porém, permaneceu apto no meio por 4 ciclos consecutivas. Conclui-se que os biomateriais (fibroína, alginato e quitosana) podem ser utilizados como alternativas versáteis na imobilização de micélios de fungos filamentoso e de enzimas isoladas para aplicações em biocatalíticas.

Mapeamento global de interações proteicas nas vias de sinalização mediadas por c-di-GMP de Pseudomonas aeruginosa

A persistência bacteriana correlacionada à formação de biofilmes bacterianos é, há algum tempo, fonte de grande preocupação médica em virtude de sua ampla associação com a dificuldade de tratamento de infecções crônicas. Por outro lado, as perspectivas de utilização de biofilmes bacterianos em novas aplicações biotecnológicas e até mesmo para fins terapêuticos são promissoras. Há, portanto, grande interesse em compreender os mecanismos que levam as células bacterianas a deixar o estado planctônico, de vida livre, e associarem-se nesses conglomerados celulares altamente complexos. Ao longo das últimas décadas, o segundo mensageiro c-di-GMP – em conjunto com as moléculas que catalisam sua síntese (diguanilato ciclases) e sua degradação (fosfodiesterases) e seus receptores – estabeleceu-se como um elemento central de regulação de uma série de respostas celulares que determinam a formação ou a dispersão de biofilmes. Curiosamente, as proteínas que participam do metabolismo deste segundo mensageiro estão, frequentemente, codificadas múltiplas vezes em um mesmo genoma bacteriano. Em vista dessa observação, estudos mais recentes apontam que, para reger paralelamente uma variedade tão ampla de fenótipos, este sistema opera em modo de alta especificidade de sinalização e que, portanto, o sinal metabolizado por determinados conjuntos de diguanilato ciclases e fosfodiesterases tem alvos celulares específicos. Evidências robustas, porém isoladas até o momento, apontaram que um dos meios pelo qual ocorre a segregação entre sinal produzido e alvo específico é a interação direta entre as proteínas componentes das vias de sinalização. Mais, demonstrou-se que, em algumas vias, a transmissão de sinal ocorre exclusivamente via interação proteica, dispensando a intermediação do sinalizador em si. Para avaliar a validade e relevância global deste mecanismo, propôs-se, neste estudo, a investigação da rede total de interações entre as proteínas tipicamente associadas às vias de sinalização por c-di-GMP em Pseudomonas aeruginosa, utilizando ensaios de duplo-hibrido bacteriano. Para tanto, foram construídas duas bibliotecas de DNA direcionadas e foram feitos testes de interação de forma estratégica para possibilitar o esgotamento e averiguação de todas as possíveis interações entre as proteínas alvo identificadas. O resultado obtido, um mapa inicial, porém abrangente, da rede de interações proteicas em P. aeruginosa, indica uma grande probabilidade de que os mecanismos previamente descritos sejam realmente recorrentes e relevantes para o intermédio da sinalização nesse organismo. Algumas das interações mais robustas encontradas são bastante interessantes e serão, em estudos futuros, mais extensivamente estudadas.

Impacto da colonização por Pseudomonas aeruginosa na fibrose quística

Trabalho Final do Curso de Mestrado Integrado em Medicina, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2014