Nutritional strategies to control mycotoxin damages in swine

Mycotoxins are contaminants of agricultural products both in the field and during storage and can enter the food chain through contaminated cereals and foods (milk, meat, and eggs) obtained from animals fed mycotoxin contaminated feeds. Mycotoxins are genotoxic carcinogens that cause health and economic problems. Ochratoxin A and fumonisin B1 have been classified by the International Agency for Research on Cancer in 1993, as “possibly carcinogenic to humans” (class 2B). To control mycotoxins induced damages, different strategies have been developed to reduce the growth of mycotoxigenic fungi as well as to decontaminate and/or detoxify mycotoxin contaminated foods and animal feeds. Critical points, target for these strategies, are: prevention of mycotoxin contamination, detoxification of mycotoxins already present in food and feed, inhibition of mycotoxin absorption in the gastrointestinal tract, reduce mycotoxin induced damages when absorption occurs. Decontamination processes, as indicate by FAO, needs the following requisites to reduce toxic and economic impact of mycotoxins: it must destroy, inactivate, or remove mycotoxins; it must not produce or leave toxic and/or carcinogenic/mutagenic residues in the final products or in food products obtained from animals fed decontaminated feed; it must be capable of destroying fungal spores and mycelium in order to avoiding mycotoxin formation under favorable conditions; it should not adversely affect desirable physical and sensory properties of the feedstuff; it has to be technically and economically feasible. One important approach to the prevention of mycotoxicosis in livestock is the addition in the diets of the non-nutritionally adsorbents that bind mycotoxins preventing the absorption in the gastrointestinal tract. Activated carbons, hydrated sodium calcium aluminosilicate (HSCAS), zeolites, bentonites, and certain clays, are the most studied adsorbent and they possess a high affinity for mycotoxins. In recent years, there has been increasing interest on the hypothesis that the absorption in consumed food can be inhibited by microorganisms in the gastrointestinal tract. Numerous investigators showed that some dairy strains of LAB and bifidobacteria were able to bind aflatoxins effectively. There is a strong need for prevention of the mycotoxin-induced damages once the toxin is ingested. Nutritional approaches, such as supplementation of nutrients, food components, or additives with protective effects against mycotoxin toxicity are assuming increasing interest. Since mycotoxins have been known to produce damages by increasing oxidative stress, the protective properties of antioxidant substances have been extensively investigated. Purpose of the present study was to investigate in vitro and in vivo, strategies to counteract mycotoxin threat particularly in swine husbandry. The Ussing chambers technique was applied in the present study that for the first time to investigate in vitro the permeability of OTA and FB1 through rat intestinal mucosa. Results showed that OTA and FB1 were not absorbed from rat small intestine mucosa. Since in vivo absorption of both mycotoxins normally occurs, it is evident that in these experimental conditions Ussing diffusion chambers were not able to assess the intestinal permeability of OTA and FB1. A large number of LAB strains isolated from feces and different gastrointestinal tract regions of pigs and poultry were screened for their ability to remove OTA, FB1, and DON from bacterial medium. Results of this in vitro study showed low efficacy of isolated LAB strains to reduce OTA, FB1, and DON from bacterial medium. An in vivo trial in rats was performed to evaluate the effects of in-feed supplementation of a LAB strain, Pediococcus pentosaceus FBB61, to counteract the toxic effects induced by exposure to OTA contaminated diets. The study allows to conclude that feed supplementation with P. pentosaceus FBB61 ameliorates the oxidative status in liver, and lowers OTA induced oxidative damage in liver and kidney if diet was contaminated by OTA. This P. pentosaceus FBB61 feature joined to its bactericidal activity against Gram positive bacteria and its ability to modulate gut microflora balance in pigs, encourage additional in vivo experiments in order to better understand the potential role of P. pentosaceus FBB61 as probiotic for farm animals and humans. In the present study, in vivo trial on weaned piglets fed FB1 allow to conclude that feeding of 7.32 ppm of FB1 for 6 weeks did not impair growth performance. Deoxynivalenol contamination of feeds was evaluated in an in vivo trial on weaned piglets. The comparison between growth parameters of piglets fed DON contaminated diet and contaminated diet supplemented with the commercial product did not reach the significance level but piglet growth performances were numerically improved when the commercial product was added to DON contaminated diet. Further studies are needed to improve knowledge on mycotoxins intestinal absorption, mechanism for their detoxification in feeds and foods, and nutritional strategies to reduce mycotoxins induced damages in animals and humans. The multifactorial approach acting on each of the various steps could be a promising strategy to counteract mycotoxins damages.

Phylogenetische Charakterisierung von Mikroorganismen aus dem Intestinaltrakt von Insekten

Zusammenfassung Die komplexe Lebensgemeinschaft des Termitendarms fasziniert die Biologen schon seit langem. Es ist bekannt, dass Termiten ihre Nahrung mit Hilfe von symbiontischen Bakterien und Protozoen verdauen können. Ohne ihre Symbionten würden sie verhungern. Das Zusammenspiel von Termiten und darmbewohnenden Mikroorganismen, zu denen Flagellaten, Bakterien, Archaebakterien und Hefen gehören, ist trotz moderner Untersuchungstechniken keineswegs vollständig aufgeklärt. In der vorliegenden Arbeit wurden:1) Einige kultivierte und nicht-kultivierte Bakterien charakterisiert, die an der Darmwand von Mastotermes darwiniensis lokalisiert sind. Die Darmwandbakterien wurden entweder nach Kultivierung oder direkt von der Darmwand für die Analyse der 16S rDNA verwendet. Die Sequenzierung erfolgte entweder nach DGGE oder nach Klonierung der PCR-Produkte. Die identifizierten Bakterien kann man in 7 Gruppen teilen:1: Gram-positive Bakterien mit hohem GC-Gehalt 2: Gram-positive Bakterien mit niedrigem GC-Gehalt 3: Fusobakterien-ähnliche Bakterien 4: ß-Proteobakterien5: Verrucomicrobien6: Bacteroides-ähnliche Bakterien7: Methanogene Bakterien 2) Aufgrund des Vorhandenseins des Coenzyms Deazaflavin-Derivats F420, kann man Methanbakterien mikroskopisch identifizieren und von anderen Bakterien unterscheiden, weil Methanbakterien im kurzwelligen Blaulicht blaugrün aufleuchten. Untersuchungen haben gezeigt, dass mindestens zwei Morphotypen von Methanbakterien an der Darmwand von M. darwiniensis vorkommen. Sie wurden auch über 16S rDNA Sequenzanalyse identifiziert. Ihre Lokalisierung an der Darmwand wurde durch Fluoreszenz-in-situ-Hybridsierung mit spezifischen Oligonukleotiden nachgewiesen. Schließlich konnte gezeigt werden, dass pro Gramm Termite 2,6 µg Methan pro Stunde produziert werden. 3) Bis jetzt wurden aus verschiedenen Termiten sulfatreduzierende Bakterien (SRB) isoliert. Deshalb wurde in dieser Arbeit die Verbreitung der SRB in verschiedenen Insekten untersucht. Insgesamt wurden zwei Sequenzen aus Libellenlarven (FSBO4 und FSBRO2), drei Sequenzen aus Zuckmückenlarven (FSCI, FSCII und FSC4), eine Sequenz aus Rosenkäfern (FSPa4-5) und ebenfalls eine Sequenz aus Eintagsfliegenlarven (FSB6) identifiziert. Alle identifizierten Bakterien ausser Klon FSB6, gehören zur Gattung Desulfovibrio. Klon FSB6 gehört zu der Gram-positiven Gattung Desulfotomaculum.Außerdem wurde die Sulfatreduktionsrate der SRB im Darm von Rosenkäfern (Pachnoda marginata), Holz- bzw. Sulfat-gefütterten Termiten (Mastotermes darwiniensis) und einer Reinkultur von Desulfovibrio intestinalis gemessen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Aktivität pro Zelle in Holz-gefütterten Termite am höchsten ist (4,9 nmol/107 Bakterien x h).

Study of two novel streptococcus pneumoniae operons: pilus islet 2 and the lantibiotic operon

Analysis of publicly available genomes of Streptococcus pneumoniae has led to the identification of a new genomic element resembling gram-positive pilus islets (PIs). Here, we demonstrate that this genomic region, herein referred to as PI-2 (containing the genes pitA, sipA, pitB, srtG1, and srtG2) codes for a novel functional pilus in pneumococcus. Therefore, there are two pilus islets identified so far in this pathogen (PI-1 and PI-2). Polymerization of the PI-2 pilus requires the backbone protein PitB as well as the sortase SrtG1 and the signal peptidase-like protein SipA. PI-2 is associated with serotypes 1, 2, 7F, 19A, and 19F, considered to be emerging in both industrialized and developing countries. Interestingly, strains belonging to clonal complex 271 (CC271) contain both PI-1 and PI-2, as revealed by genome analyses. In these strains both pili are surface exposed and independently assembled. Furthermore, in vitro experiments provide evidence that the pilus encoded by PI-2 of S. pneumoniae is involved in adherence. Thus, pneumococci encode at least two types of pili that may play a role in the initial host cell contact to the respiratory tract. In addition, the pilus proteins are potential antigens for inclusion in a new generation of pneumococcal vaccines. Adherence by pili could represent important factor in bacterial community formation, since it has been demonstrated that bacterial community formation plays an important role in pneumococcal otitis media. In vitro quantification of bacterial community formation by S. pneumoniae was performed in order to investigate the possible role of pneumococcal pili to form communities. By using different growth media we were not able to see clear association between pili and community formation. But our findings revealed that strains belonging to MLST clonal complex CC15 efficiently form bacterial communities in vitro in a glucose dependent manner. We compared the genome of forty-four pneumococcal isolates discovering four open reading frames specifically associated with CC15. These four genes are annotated as members of an operon responsible for the biosynthesis of a putative lanctibiotic peptide, described to be involved in bacterial community formation. Our experiments show that the lanctibiotic operon deletion affects glucose mediated community formation in CC 15 strain INV200. Moreover, since glucose consumption during bacterial growth produce an acidic environment, we tested bacterial community formation at different pH and we showed that the lanctibiotic operon deletion affected pH mediated community formation in CC 15 strain INV200. In conclusion, these data demonstrate that the putative lanctibiotic operon is associated with pneumococcal CC 15 strains in vitro bacterial community formation.

Induktion und Signaltransduktion bei der Expression des Chemokins MCP-1 in Monozyten

Das Chemokin 'Monocyte Chemoattractant Protein-1' (MCP-1) spielt bei inflammatorischen Erkrankungen eine wesentliche Rolle. Verschiedene Zelltypen produzieren MCP-1. Es interessierte, welche Stimuli in Monozyten MCP-1 induzieren können und welche Signaltransduktionskaskaden daran beteiligt sind. Darüber hinaus sollte die Rolle einzelner Transkriptionsfaktoren und Promotorregionen des MCP-1-Gens untersucht werden.Komponenten Gram-positiver und -negativer Bakterien, Phorbolester und Substanzen, die die intrazelluläre Calciumkonzentration erhöhen, induzierten die MCP-1-Expression in einer humanen myelomonozytären Zellinie (THP-1) und in frisch isolierten Monozyten. Die mit Lipopolysaccharid (LPS)-induzierte MCP-1-Expression war stark von der MAPK/ERK-Kinase (MEK)-1/-2 und von I-kappaB Kinasen beziehungsweise NF-kappaB abhängig, dagegen scheinen Calcineurin, Calmodulinkinasen und die 'Mitogen-Activated Protein Kinase' p38 keine entscheidende Rolle zu spielen. Die Thapsigargin (TG)-induzierte MCP-1-Bildung durch Erhöhung der intrazellulären Calciumkonzentration war zusätzlich von Calcineurin und Calmodulinkinasen abhängig. Als nukleäre Transkriptionsfaktoren wurden bei der LPS-Stimulation NF-kappaB sowie AP-1 und zusätzlich NF-ATc3 bei Stimulation durch TG nachgewiesen. Die Untersuchung des MCP-1-Promotors konnte eine Bindung von NF-kappaB- und AP-1-Mitglieder an eine bislang nicht untersuchte distale Region und eine AP-1-Bindung an eine proximale Region nachweisen. Die Ergebnisse lassen den Schluß zu, daß die Aktivierung der MCP-1-Expression durch verschiedene Stimuli unter Beteiligung teilweise unterschiedlicher Signaltransduktionswege abläuft und sowohl eine proximale als auch eine distale Promotorregion des MCP-1-Gens daran beteiligt ist.

Functional characterization of Streptococcus pyogenes pili

Group A Streptococcus is a Gram-positive human pathogen able to colonize both upper respiratory tract and skin. GAS is responsible for several acute diseases and autoimmune sequelae that account for half a million deaths worldwide every year (Cunningham et al., 2000). As other bacteria, GAS infections requires the capacity of the pathogen to adhere to host tissues and to form cell aggregates. The ability to persist in distinct host niches like the throat and the skin and to trigger infections is associated with the expression of different GAS virulence factors. GAS pili has been described as important virulence factors encoded by different FCT-operon regions. Based on this information, we decided to study the possible effect of environmental conditions that could regulate the pili expression. In this study we reported the influence of pH environment variations in biofilm formation for strains pertaining to a panel of different GAS FCT-types. The biofilm formation was promoted, excepted in the FCT-1 strains, by a changing in pH from physiological to acidic condition of growth in in vitro biofilm assay. By analyzing the possible association between biofilm formation and pH dependence, we have found that in FCT-2 and FCT-3 strains, the biofilm is promoted by pH reduction leading to an increase of pili expression. These data confirmed a direct link between pH dependent pilus expression and biofilm formation in GAS. As pili are a multi component structure we decided to investigate the functional role of one of its subunits, the AP-1 protein. AP-1 is highly conserved through the different FCT-types and suggests a possible essential role for the pili function. We focused our attention on the AP-1 protein encoded by the FCT-1 strains (M6). In particular this AP-1 protein contains the von Willebrand Factor A (VWFA) domain, which share an homology with the human VWFA domain that has been reported to be involved in adhesion process. We have demonstrated that the AP-1 protein binds to human epithelial cells by its VWFA domain, whereas the biofilm formation is mediated by the N-terminal region of AP-1 protein. Moreover, analyzing the importance of AP-1 in in vivo experiments we found a major capacity of tissue dissemination for the wild-type strain compared to the isogenic AP-1 deletion mutant. Pili have been also reported as potential vaccine candidates against Gram positive bacteria. For these reason we decided to investigate the relationship between cross reaction of sera raised against different GAS and GBS pilin subunits and the presence of a conserved Cna_B domain, in different pilin components. Our idea was to investigate if, using pilus conserved domains, a broad coverage vaccine against streptococcal infection could be possible.

Therapeutic strategies for modulation of the vaginal microbiota

The vaginal microbiota of healthy women consists of a wide variety of anaerobic and aerobic bacteria, dominated by the genus Lactobacillus. The activity of lactobacilli is essential to protect women from genital infections and to maintain the natural healthy balance of the vaginal ecosystem. This role is particularly important during pregnancy because vaginal infection is one of the most important mechanisms for preterm birth. The most common vaginal disorder is bacterial vaginosis (BV). BV is a polymicrobial disorder, characterized by a depletion of lactobacilli and an increase in the concentration of other bacteria, including Gardnerella vaginalis, anaerobic Gram-negative rods, anaerobic Gram-positive cocci, Mycoplasma hominis, and Mobiluncus spp. An integrated molecular approach based on real-time PCR and PCR-DGGE was used to investigate the effects of two different therapeutic approaches on the vaginal microbiota composition. (i) The impact of a dietary supplementation with the probiotic VSL#3, a mixture of Lactobacillus, Bifidobacterium and Streptococcus strains, on the vaginal microbial ecology and immunological profiles of healthy women during late pregnancy was investigated. The intake was associated to a slight modulation of the vaginal microbiota and cytokine secretion, with potential implications in preventing preterm birth. (ii) The efficacy of different doses of the antibiotic rifaximin (100 mg/day for 5 days, 25 mg/day for 5 days, 100 mg/day for 2 days) on the vaginal microbiota of patients with BV enrolled in a multicentre, double-blind, randomised, placebo-controlled study was also evaluated. The molecular analyses demonstrated the ability of rifaximin 25 mg/day for 5 days to induce an increase of lactobacilli and a decrease of the BV-associated bacteria after antibiotic treatment, and a reduction of the complexity of the vaginal microbial communities. Thus, confirming clinical results, it represents the most effective treatment to be used in future pivotal studies for the treatment of BV.

Biochemische Charakterisierung des O 2-Sensors NreB aus Staphylococcus carnosus

Staphylococcus carnosus wird in der Lebensmittelindustrie als Starterkultur in der Rohwurstfermentation eingesetzt. Das Gram-positive Bakterium ist fakultativ anaerob und kann unter anaeroben Bedingungen Nitrat und Nitrit zu Ammonium reduzieren. Die Expression der Gene der Nitrat-, Nitritreduktase und des potentiellen Nitrattrans-porters, wird vom NreBC Zwei-Komponentensystem reguliert. NreB ist eine cy-toplasmatische Sensor-Histidinkinase, die Ähnlichkeiten zu HämB-bindenden PAS-Domänen aufweist. NreB reagiert auf Sauerstoff und kontrolliert zusammen mit dem Response-Regulator NreC die Expression der Gene der Nitrat/Nitrit-Atmung. Die Gene nreBC wurden in Staphylococcus Arten, Bacillus clausii und anderen Bacil-lus Arten gefunden. Anaerob präpariertes NreB von S. carnosus enthält ein diamag-netisches [4Fe-4S]2+-Zentrum, das durch Mössbauer-Spektroskopie identifiziert wur-de. Nach Luftexposition wurde das [4Fe-4S]2+-Zentrum mit einer Halbwertszeit von 2,5 Minuten zu nicht an das Protein gebundenem γ-FeOOH oxidiert. Mit EPR- und Mössbauer-Spektroskopie konnten keine signifikanten Mengen von Zwischenstufen detektiert werden. Photoreduktion mit Deazaflavin lieferte kleine Mengen von [4Fe-4S]1+, die aber nicht stabil waren und sofort wieder zerfielen. Das magnetische Mössbauer-Spektrum des [4Fe-4S]2+-Zentrums wies eine hohe Symmetrie auf, wor-aus man auf eine vollständige Delokalisation der Elektronen und dieselben Liganden für alle Eisenionen schließen kann. In Übereinstimmung mit ihrer Rolle als Liganden des FeS-Zentrums inaktivierte der Austausch der einzelnen Cysteinreste (Cys59, Cys62, Cys74, Cys77) gegen Alanin oder Serin die Funktion von NreB in vivo. Die [4Fe-4S]2+-enthaltende Form von NreB besaß eine hohe Kinaseaktivität. Luftexposition erniedrigte den Gehalt an [4Fe-4S]2+-Zentrum und die Kinaseaktivität mit ähnlichen Halbwertszeiten von 2,5 min. Die Sensor-Domäne von NreB ist eine neuartige PAS-Domäne, die einen FeS-haltigen Co-Faktor (in diesem Fall ein [4Fe-4S]2+-Zentrum) zur Reizperzeption be-sitzt. Das O2-sensitive [4Fe-4S]2+-Zentrum von NreB ist dem [4Fe-4S]2+-Zentrum des DNA-bindenden FNR Proteins aus Escherichia coli ähnlich und kommt möglicherwei-se in anderen O2-wahrnehmenden bakteriellen Proteinen vor. Daraus kann man schließen, dass der Mechanismus der Sauerstoffwahrnehmung über O2-sensitive [4Fe-4S]2+-Zentren in der Evolution mehrfach und unabhängig voneinander in ver-schiedenen bakteriellen O2-Sensoren entstanden ist.

Untersuchungen zur Struktur und Funktion des Vibrio cholerae Cytolysins

Vibrio cholerae Cytolysin (VCC) gehört zur Gruppe der Exotoxine und bildet auf Membranen heptamere transmembrane Poren. VCC wird als protoxin mit einem Molekulargewicht von 79 kDa sezerniert und benötigt die proteolytische Spaltung der N-terminalen Pro-Region um Poren in der Membran zu bilden. Diese Spaltung erfolgt sowohl in Lösung, als auch nach der Bindung an Membranen, aber nur aktiviertes VCC oligomererisiert in eine lytische Pore. Die Kristallstruktur von VCC zeigt, dass das Monomer vier verschiedenen strukturellen Domänen enthält; die cytolytische Domäne, mit der Pre-Stem-Sequenz, der Pro-Region und den beiden C-terminalen Domänen β-Trefoil und β-Prism. Die porenbildende β-Barrel wird aus je einer Pre-Stem Domäne jedes der einzelnen sieben Untereinheiten gebildet. Da sich die porenbildende Region im Monomer zwischen den Domänen β-Prism und β-Trefoil befindet, sind konformationelle Änderungen des Toxins notwendig, um die Insertion dieser Region in die Membran zu ermöglichen. In dieser Arbeit wurde unter anderem der Mechanismus der Porenbildung durch die Konstruktion von Disulfid-Derivaten untersucht. Die Bildung von Disulfidbrücken wurde verwendet, um die porenbildende Region entweder mit der β-Trefoil oder β-Prism Domäne zu verknüpfen. Unter nicht-reduzierenden Bedingungen bindet das Toxin an Membranen und oligomerisiert zu SDS-labilen Oligomeren. Nach der Reduktion der künstlichen Disulfidbrücke erlangen die gebildeten Oligomere SDS-Stabilität und permeabilisieren die Membran. Durch die Zugabe steigender Konzentrationen des VCC-Derivats zu aktivem Toxin, wird die SDS-Stabilität der gebildeten Oligomere stark reduziert. Die Insertion des aktiven Toxins in die Membran wird allerdings nicht verhindert und daher Poren mit reduziertem funktionellen Durchmesser gebildet. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass die Bildung einer Prä-Pore vor der Insertion des Toxins in die Membran erfolgt und zeigt zum ersten Mal ein solches Zwischenstadium für ein β-porenbildendes Toxin, das von Gram-negativen Organismen produziert wird. Diese Ergebnisse deuten auf einen archetypischen Mechanismus der Porenbildung hin. Zusätzlich wurde die Funktion der beiden C-terminalen Domänen untersucht, und daher verschiedene Deletions- und Substitutionsmutanten konstruiert. Die β-Trefoil Domäne ist nicht essentiell für die Bindung des Toxins an Membranen, ist aber für die korrekte Faltung des Toxins notwendig. Die C-terminale β-Prism Domäne vermittelt die Bindung des Toxins an Membranen über Zuckerrezeptoren.

The silent survival of Staphylococcus aureus phagocyted by HL-60 derived neutrophils

Staphylococcus aureus is a Gram positive pathogen that causes various human infections and represents one of the most common causes of bacteremia. S. aureus is able to invade a variety of non-professional phagocytes and that can survive engulfment by neutrophils, producing both secreted and surface components that compromise innate immune responses. In the contest of our study we evaluated the functional activity of vaccine specific antibodies by opsonophagocytosis killing assay (OPKA). Interestingly a low level of killing of the staphylococcal cells has been observed. In the meanwhile intracellular survival studies showed that S. aureus persisted inside phagocytes for several hours until a burst of growth after 5 hours in the supernatant. These data suggest that the strong ability of S. aureus to survive in the phagocytes could be the cause of the low killing measured by OPKA. Moreover parallel studies on HL-60 cells infected with S. aureus done by using transmission electron microscopy (TEM) interestingly showed that staphylococcal cells have an intracellular localization (endosomal vacuoles) and that they are able not only to maintain the integrity of their membrane but also to replicate inside vacuolar compartments. Finally in order to generate 3D volume of whole bacteria when present inside neutrophilic vacuoles, we collected a series of tomographic two-dimensional (2D) images by using a transmission electron microscope, generating 5 different tomograms. The three-dimensional reconstruction reveals the presence of intact bacteria within neutrophil vacuoles. The S. aureus membrane appears completely undamaged and integral in contrast with the physiological process of phagosytosis through vacuoles progression. S. aureus bacteria show a homogenous distribution of the density in all the three dimensions (X, Y, Z). All these evidences definitely explain the ability of the pathogen to survive inside the endosomal vacuoles and should be the cause of the low killing level.

The oxygen sensors FNR from Escherichia coli and NreABC from Staphylococcus carnosus

Im Laufe der Evolution entwickelte sich eine Reihe von Sauerstoff-Sensorsystemen in Bakterien, um die Genexpression der Sauerstoffverfügbarkeit anzupassen. Der Sauerstoffsensor FNR aus Escherichia coli bindet unter anaeroben Bedingungen ein [4Fe4S]2+ Zentrum. Unter Sauerstoffeinfluß zerfällt aktives [4Fe4S]2+FNR zu inaktivem [2Fe2S]2+FNR und weiter zu ebenfalls inaktivem apoFNR. In der vorliegenden Arbeit wurde der Zustand von FNR in vivo in aeroben und anaeroben Zellen von Escherichia coli aufgeklärt. Durch Alkylierung der Cysteine in FNR und anschließender Analyse im Massenspektrometer konnte gezeigt werden, das FNR in aeroben Zellen hauptsächlich in der apo-Form vorliegt. Nach ca. 6 Minuten war in lebenden E. coli Zellen die Umwandlung von [4Fe4S]2+ FNR zu apoFNR abgeschlossen.rnrnIn dem gram positiven Bakterium Staphylococcus carnosus aktiviert das NreBC System unter anaeroben Wachstumsbedingungen die Gene der Nitratatmung. NreB ist eine cytoplasmatische Sensorhistidinkinase, die ein sauerstofflabiles [4Fe4S]2+ Zentrum über eine PAS-Domäne bindet. Das [4Fe4S]2+ Zentrum wird von vier Cysteinen gebunden. Der Responsregulator NreC steuert nach Aktivierung durch NreB die Transkription der Zielgene. In der vorliegenden Arbeit wurde NreB mit Hilfe von Cysteinmarkierungen in vivo charakterisiert. Durch die Änderung der Cystein-Zugänglichkeit für Thiolreagenzien nach Sauerstoffzugabe konnte eine Halbwertszeit von ca. 3 Minuten für das [4Fe4S]2+ Zentrum in vivo bestimmt werden. In anaeroben Bakterien stellt [4Fe4S]2+NreB die Hauptform von NreB dar, während in aeroben Bakterien hauptsächlich apoNreB vorkommt. Dieses Ergebnis konnte durch Massenspektroskopie bestätigt werden. Weiterhin konnte gezeigt werden das NreA mit NreB und NreC wechselwirkt und Bestandteil des NreABC Drei-Komponentensystems ist. rn

Biofilm formation by the anaerobic pathogen Clostridium difficile

Clostridium difficile is an obligate anaerobic, Gram-positive, endospore-forming bacterium. Although an opportunistic pathogen, it is one of the important causes of healthcare-associated infections. While toxins TcdA and TcdB are the main virulence factors of C. difficile, the factors or processes involved in gut colonization during infection remain unclear. The biofilm-forming ability of bacterial pathogens has been associated with increased antibiotic resistance and chronic recurrent infections. Little is known about biofilm formation by anaerobic gut species. Biofilm formation by C. difficile could play a role in virulence and persistence of C. difficile, as seen for other intestinal pathogens. We demonstrate that C. difficile clinical strains, 630, and the strain isolated in the outbreak, R20291, form structured biofilms in vitro. Biofilm matrix is made of proteins, DNA and polysaccharide. Strain R20291 accumulates substantially more biofilm. Employing isogenic mutants, we show that virulence-associated proteins, Cwp84, flagella and a putative quorum sensing regulator, LuxS, Spo0A, are required for maximal biofilm formation by C. difficile. Moreover we demonstrate that bacteria in C. difficile biofilms are more resistant to high concentrations of vancomycin, a drug commonly used for treatment of CDI, and that inhibitory and sub-inhibitory concentrations of the same antibiotic induce biofilm formation. Surprisingly, clinical C. difficile strains from the same out-break, but from different origin, show differences in biofilm formation. Genome sequence analysis of these strains showed presence of a single nucleoide polymorphism (SNP) in the anti-σ factor RsbW, which regulates the stress-induced alternative sigma factor B (σB). We further demonstrate that RsbW, a negative regulator of alternative sigma factor B, has a role in biofilm formation and sporulation of C. difficile. Our data suggest that biofilm formation by C. difficile is a complex multifactorial process and may be a crucial mechanism for clostridial persistence in the host.

Polymerizing activity and regulation of group B Streptococcus pilus 2a sortase C1

Group B Streptococcus [GBS; Streptococcus agalactiae] is the leading cause of life-threatening diseases in newborn and is also becoming a common cause of invasive diseases in non-pregnant, elderly and immune-compromised adults. Pili, long filamentous fibers protruding from the bacterial surface, have been discovered in GBS, as important virulence factors and vaccine candidates. Gram-positive bacteria build pili on their cell surface via a class C sortase-catalyzed transpeptidation mechanism from pilin protein substrates. Despite the availability of several crystal structures, pilus-related C sortases remain poorly characterized to date and their mechanisms of transpeptidation and regulation need to be further investigated. The available three-dimensional structures of these enzymes reveal a typical sortase fold except for the presence of a unique feature represented by an N-terminal highly flexible loop, known as the “lid”. This region interacts with the residues composing the catalytic triad and covers the active site, thus maintaining the enzyme in an auto-inhibited state and preventing the accessibility to the substrate. It is believed that enzyme activation may occur only after lid displacement from the catalytic domain. In this work we provide the first direct evidence of the regulatory role of the lid, demonstrating that it is possible to obtain in vitro an efficient polymerization of pilin subunits using an active C sortase lid mutant carrying a single residue mutation in the lid region. Moreover, biochemical analyses of this recombinant mutant reveal that the lid confers thermodynamic and proteolytic stability to the enzyme. A further characterization of this sortase active mutant showed promiscuity in the substrate recognition, as it is able to polymerize different LPXTG-proteins in vitro.

Structural and functional characterization of Group B Streptococcus pilus 2b

Group B Streptococcus (GBS) is a Gram-positive human pathogen representing one of the most common causes of life-threatening bacterial infections such as sepsis and meningitis in neonates. Covalently polymerized pilus-like structures have been discovered in GBS as important virulence factors as well as vaccine candidates. Pili are protein polymers forming long and thin filamentous structures protruding from bacterial cells, mediating adhesion and colonization to host cells. Gram-positive bacteria, including GBS, build pili on their cell surface via a class C sortase-catalyzed transpeptidation mechanism from pilin protein substrates that are the backbone protein forming the pilus shaft and two ancillary proteins. Also the cell-wall anchoring of the pilus polymers made of covalently linked pilin subunits is mediated by a sortase enzyme. GBS expresses three structurally distinct pilus types (type 1, 2a and 2b). Although the mechanisms of assembly and cell wall anchoring of GBS types 1 and 2a pili have been investigated, those of pilus 2b are not understood until now. Pilus 2b is frequently found in ST-17 strains that are mostly associated with meningitis and high mortality rate especially in infants. In this work the assembly mechanism of GBS pilus type 2b has been elucidated by dissecting through genetic, biochemical and structural studies the role of the two pilus-associated sortases. The most significant findings show that pilus 2b assembly appears “non-canonical”, differing significantly from current pilus assembly models in Gram-positive pathogens. Only sortase-C1 is involved in pilin polymerization, while the sortase-C2 does not act as a pilin polymerase, but it is involved in cell-wall pilus anchoring. Our findings provide new insights into pili biogenesis in Gram-positive bacteria. Moreover, the role of this pilus type during host infection has been investigated. By using a mouse model of meningitis we demonstrated that type 2b pilus contributes to pathogenesis of meningitis in vivo.

Lokalisation und Quantifizierung von 4-Hydroxynonenal in der Kochlea des Meerschweinchens nach Applikation von Gentamicin

Einleitung und Literaturdiskussion: Gentamicin ist ein aus Bakterien gewonnenes Aminoglykosid-Antibiotikum, das seit vielen Jahren im klinischen Alltag zur Therapie von bakteriellen Infektionen und zur Behandlung des Morbus Ménière eingesetzt wird. Ein bedeutender, jedoch noch nicht vollständig verstandener, Pathomechanismus ist dabei die Entstehung von 4-HNE durch Lipid Peroxidation und die konsekutive Schädigung durch das gebildete Aldehyd. Ziel dieser Arbeit war es, die Beeinflussung der Expression von 4-HNE in sieben verschiedenen Regionen der Kochlea (SV, SL, CO, NF, LF, IDZ und SGZ) durch Gentamicin zu beschreiben und quantitativ zu ermitteln.rnMaterial und Methoden: Die Meerschweinchen wurden in vier Gruppen unterteilt: eine unbehandelte Kontrollgruppe und je eine Gruppe 1, 2 und 7 Tage nach Gentamicin-Applikation. Nach Ablauf der Inkubationszeit wurden die Kochleae den Tieren entnommen, das Gewebe fixiert, geschnitten und auf Objektträgern aufgebracht. Die Schnitte wurden mit 4-HNE-Antikörpern behandelt und die Immunreaktion mikroskopisch lokalisiert und zelluläre quantitative Unterschiede am Computer berechnet.rnErgebnisse: Die Auswertung der Daten ergab signifikante Anstiege der Immunreaktion auf 4-HNE von der Kontrollgruppe zu allen drei Behandlungsgruppen in vier der sieben untersuchten Regionen (Stria vascularis, Spirales Ligament, Cortisches Organ und Nervenfasern). In zwei Bereichen (Fibrozyten im Limbus und Interdentalzellen) kam es zwischen Kontrollgruppe und nur einer Behandlungsgruppe D (7d) zu einer signifikanten Erhöhung. Lediglich die Spiralganglionzellen erbrachten keine signifikanten Differenzen. Der Vergleich der Einzelwindungen erbrachte für die Stria vascularis, das Spirale Ligament, das Cortische Organ und die Nervenfasern signifikante Anstiege innerhalb der drei Windungen von der Kontrollgruppe zu den drei Behandlungsgruppen. Bei der Stria vascularis zeigte sich als einzige Region eine signifikant erhöhte Immunfärbung in allen drei Einzelwindungen von der Kontrollgruppe zu allen Behandlungsgruppen. Beim Vergleich der Gesamtwindungen ließ sich ausschließlich für die Region der Stria vascularis von der ersten zur dritten Windung ein Anstieg der Braunfärbung feststellen. Zudem konnten Korrelationen der Färbeintensitäten einerseits zwischen den beiden Regionen der Lateralen Wand und andererseits zwischen zwei Zelltypen im Limbus aufgezeigt werden.rnDiskussion: Die durch Gentamicin-gesteigerte 4-HNE-Expression kann durch genomische und nicht-genomische Prozesse hervorgerufen werden.

Genome sequence of Desulfosporosinus sp. OT, an acidophilic sulfate-reducing bacterium from copper mining waste in Norilsk, Northern Siberia

We have sequenced the genome of Desulfosporosinus sp. OT, a Gram-positive, acidophilic sulfate-reducing Firmicute isolated from copper tailing sediment in the Norilsk mining-smelting area in Northern Siberia, Russia. This represents the first sequenced genome of a Desulfosporosinus species. The genome has a size of 5.7 Mb and encodes 6,222 putative proteins.