Bacterial ecology of tilapia fresh fillets and some factors that can influence their microbial quality

The purpose of research was to investigate the bacterial ecology of tilapia (Oreochromis niloticus) fresh fillets and some factors that can influence its microbial quality. Samples of fish cultivation water (n = 20), tilapia tegument and gut (n = 20) and fresh fillets (n = 20) were collected in an experimental tilapia aquaculture located in the city of Lavras, Minas Gerais, Brazil. Staphylococcus spp., Aeromonas spp., Enterococcus spp. and Enterobacteriaceae were quantified using selective plating. For the enumeration of Pseudomonas spp., the most probable number technique (MPN) was utilized. Bacterial colonies (n = 198) were identified by Gram strain and biochemical tests. Aeromonas spp., Pseudomonas spp., Enterococcus spp. and Enterobacteriaceae were found in the cultivation water (water from a fishpond cultivation), tegument, gut, and fresh fillets. Staphylococcus spp. was not isolated in the cultivation water. Salmonella spp. was not detected. The count variable of 10 to 10³ CFU or MPN.(g or mL)-1. Associated to freshwater tilapia fillet processing, there is a large variety of microorganisms related to foodborne illnesses and fish products deterioration.

Isolation and characterization of bacterial strains with a hydrolytic profile with potential use in bioconversion of agroindustial by-products and waste

There is a trend towards the use of novel technologies nowadays, mainly focused on biological processes, for recycling and the efficient utilization of organic residues that can be metabolized by different microorganisms as a source of energy. In the present study the isolation of bacterial strains from six different agro-industrial by-products and waste was performed with the objective of evaluating their hydrolytic capacities and suitability for use in bioconversion of specific substrates. The 34 isolated strains were screened in specific culture media for the production of various hydrolytic enzymes (lipase, protease, cellulase, and amylase). It was found that 28 strains exhibited proteolytic activity, 18 had lipolytic activity, 13 had caseinolytic activity, 15 had amylolytic activity, and 11 strains exhibited cellulolytic activity. The strains that showed the highest hydrolytic capacities with biotechnological potential were selected, characterized genotipically, and identified as Bacillus, Serratia, Enterococcus, Klebsiella, Stenotrophomonas, Lactococcus, and Escherichia genera. It was concluded that the strain isolates have a high potential for use in the bioconversion of agro-industrial waste, both as a pure culture and as a microbial consortium.

Green and brown propolis: efficient natural biocides for the control of bacterial contamination of alcoholic fermentation of distilled beverage

This study aimed to evaluate the efficiency of natural biocides, brown and green propolis, for the control of bacterial contamination in the production of sugarcane spirit. The treatments consisted of brown and green propolis extracts, ampicillin, and a control and were assessed at the beginning and end of harvest season in ten fermentation cycles. In the microbiological analyses, the lactic acid bacteria were quantified in the inoculum before and after the treatment with biocides, and the viability of yeast cells during fermentation was evaluated. The levels of acids, glycerol, total residual reducing sugars, and ethanol were analyzed for the wine resulting from each fermentation cycle. A reduction in the number of bacterial contaminants in the inoculum in the treatments with the natural biocides was observed, but it did not affect the viability of yeast cells. The control of the contaminants led to the production of higher levels of ethanol and reduced acidity in the wine produced. The results of the use of brown and green propolis to control the growth microorganisms in the fermentation of sugarcane spirit can be of great importance for using alternative strategies to synthetic antibacterials in fermentation processes including other distilled beverage or spirits.

Bacterial adhesion and biofilm formation on monolithic zirconia

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää bakteerien kiinnittymistä ja bakteeribiofilmin muodostumista implanttimateriaalien pinnalla. Monoliittisen zirkonian ja lasikeramien käyttö implanttikruunujen materiaaleina kasvaa jatkuvasti. Zirkoniaa käytetään myös abutmenttien materiaalina esteettisillä alueilla. Tällä hetkellä on vain vähän tutkimustietoa näiden implanttikruunumateriaalien sekä implanttikruunujen sementoimiseen käytetyn sementin pinnalla tapahtuvasta bakteeriadheesiosta ja biofilmin muodostumisesta. Bakteerien adheesiota ja biofilmin muodistumista tutkittiin neljän eri materiaalin pinnalla. Tutkimuksessa käytetyt materiaalit olivat: (1) Litiumdisilikaatti (LDS; IPS e.max CAD, Ivoclar Vivadent,kontrolli), (2) Kokonaan stabiloitu zirkonia (FSZ; Prettau Anterior, Zirkonzahn), (3) Osittain stabiloitu zirkonia (PSZ; Katana, Noritake), ja (4) Kaksoiskovetteinen sementti (DCC; Multilink hybrid abutment cement, Ivoclar Vivadent). Kaikki tutkimuksessa käytetyt materiaalit valmisteltiin ja kiillotettiin valmistajien ohjeiden mukaisesti Tutkittavat pinnat inkuboitiin Streptococcus mutans-suspensiossa +37°C:ssä asteessa. Bakteeriadheesiotestissä inkubointiaika oli 30 minuuttia ja biofilmitestissä vastaava aika oli 24 tuntia. Materiaalien pintoja tarkasteltiin myös elektronimikroskooppia käyttäen. Tutkimuksessa todettiin, että bakteeriadheesiossa oli eroja eri materiaalien välillä. Biofilmin. muodostumisessa ei todettu tilastollisesti merkittäviä eroja tutkittavien materiaalien välillä.

Analytical modelling of bacterial migration and accumulation with rate-limited sorption in discrete fractures

An analytical model for bacterial accumulation in a discrete fractllre has been developed. The transport and accumlllation processes incorporate into the model include advection, dispersion, rate-limited adsorption, rate-limited desorption, irreversible adsorption, attachment, detachment, growth and first order decay botl1 in sorbed and aqueous phases. An analytical solution in Laplace space is derived and nlln1erically inverted. The model is implemented in the code BIOFRAC vvhich is written in Fortran 99. The model is derived for two phases, Phase I, where adsorption-desorption are dominant, and Phase II, where attachment-detachment are dominant. Phase I ends yvhen enollgh bacteria to fully cover the substratllm have accllillulated. The model for Phase I vvas verified by comparing to the Ogata-Banks solution and the model for Phase II was verified by comparing to a nonHomogenous version of the Ogata-Banks solution. After verification, a sensitiv"ity analysis on the inpllt parameters was performed. The sensitivity analysis was condllcted by varying one inpllt parameter vvhile all others were fixed and observing the impact on the shape of the clirve describing bacterial concentration verSllS time. Increasing fracture apertllre allovvs more transport and thus more accllffilliation, "Vvhich diminishes the dllration of Phase I. The larger the bacteria size, the faster the sllbstratum will be covered. Increasing adsorption rate, was observed to increase the dllration of Phase I. Contrary to the aSSllmption ofllniform biofilm thickness, the accllffilliation starts frOll1 the inlet, and the bacterial concentration in aqlleous phase moving towards the olitiet declines, sloyving the accumulation at the outlet. Increasing the desorption rate, redllces the dliration of Phase I, speeding IIp the accllmlilation. It was also observed that Phase II is of longer duration than Phase I. Increasing the attachment rate lengthens the accliffililation period. High rates of detachment speeds up the transport. The grovvth and decay rates have no significant effect on transport, althollgh increases the concentrations in both aqueous and sorbed phases are observed. Irreversible adsorption can stop accllillulation completely if the vallIes are high.

X-ray diffraction of a gram-negative bacterial membrane mimetic

This thesis applies x-ray diffraction to measure he membrane structure of lipopolysaccharides and to develop a better model of a LPS bacterial melilbrane that can be used for biophysical research on antibiotics that attack cell membranes. \iVe ha'e Inodified the Physics department x-ray machine for use 3.'3 a thin film diffractometer, and have lesigned a new temperature and relative humidity controlled sample cell.\Ve tested the sample eel: by measuring the one-dimensional electron density profiles of bilayers of pope with 0%, 1%, 1G :VcJ, and 100% by weight lipo-polysaccharide from Pse'udo'lTwna aeTuginosa. Background VVe now know that traditional p,ntibiotics ,I,re losing their effectiveness against ever-evolving bacteria. This is because traditional antibiotic: work against specific targets within the bacterial cell, and with genetic mutations over time, themtibiotic no longer works. One possible solution are antimicrobial peptides. These are short proteins that are part of the immune systems of many animals, and some of them attack bacteria directly at the membrane of the cell, causing the bacterium to rupture and die. Since the membranes of most bacteria share common structural features, and these featuret, are unlikely to evolve very much, these peptides should effectively kill many types of bacteria wi Lhout much evolved resistance. But why do these peptides kill bacterial cel: '3 , but not the cells of the host animal? For gramnegative bacteria, the most likely reason is that t Ileir outer membrane is made of lipopolysaccharides (LPS), which is very different from an animal :;ell membrane. Up to now, what we knovv about how these peptides work was likely done with r !10spholipid models of animal cell membranes, and not with the more complex lipopolysa,echaricies, If we want to make better pepticies, ones that we can use to fight all types of infection, we need a more accurate molecular picture of how they \vork. This will hopefully be one step forward to the ( esign of better treatments for bacterial infections.

Cell wall degrading enzymes and interaction between Trichoderma Aggressivum and Agaricus Bisporus

Agaricus bisporus is the most commonly cultivated mushroom in North America and has a great economic value. Green mould is a serious disease of A. bisporus and causes major reductions in mushroom crop production. The causative agent of green mould disease in North America was identified as Trichoderma aggressivum f. aggressivum. Variations in the disease resistance have been shown in the different commercial mushroom strains. The purpose of this study is to continue investigations of the interactions between T. aggressivum and A. bisporus during the development of green mould disease. The main focus of the research was to study the roles of cell wall degrading enzymes in green mould disease resistance and pathogenesis. First, we tried to isolate and sequence the N-acetylglucosaminidase from A. bisporus to understand the defensive mechanism of mushroom against the disease. However, the lack of genomic and proteomic information of A. bisporus limited our efforts. Next, T. aggressivum cell wall degrading enzymes that are thought to attack Agaricus and mediate the disease development were examined. The three cell wall degrading enzymes genes, encoding endochitinase (ech42), glucanase (fJ-1,3 glucanase) and protease (prb 1), were isolated and sequenced from T. aggressivum f. aggressivum. The sequence data showed significant homology with the corresponding genes from other fungi including Trichoderma species. The transcription levels of the three T. aggressivum cell wall degrading enzymes were studied during the in vitro co-cultivation with A. bisporus using R T -qPCR. The transcription levels of the three genes were significantly upregulated compared to the solitary culture levels but were upregulated to a lesser extent in co-cultivation with a resistant strain of A. bisporus than with a sensitive strain. An Agrobacterium tumefaciens transformation system was developed for T. aggressivum and was used to transform three silencing plasmids to construct three new T. aggressivum phenotypes, each with a silenced cell wall degrading enzyme. The silencing efficiency was determined by RT-qPCR during the individual in vitro cocultivation of each of the new phenotypes with A. bisporus. The results showed that the expression of the three enzymes was significantly decreased during the in vitro cocultivation when compared with the wild type. The phenotypes were co-cultivated with A. bisporus on compost with monitoring the green mould disease progression. The data indicated that prbi and ech42 genes is more important in disease progression than the p- 1,3 glucanase gene. Finally, the present study emphasises the role of the three cell wall degrading enzymes in green mould disease infection and may provide a promising tool for disease management.

Erwinia amylovora bacteriophage resistance

It has been proposed that phages can be used commercially as a biopesticide for the control of fire blight caused by the phytopathogen Erwinia amylovora. The aim of these studies was to investigate two common bacterial resistance mechanisms, lysogeny and exopolysaccharide production and their influence on phage pathogenesis. A multiplex real-time PCR protocol was designed to monitor and quantify Podoviridae and Myoviridae phages. This protocol is compatible with known E. amylovora and Pantoea agglomerans rtPCR primers/probes which allowed simultaneous study of both phage and bacterial targets. Using in vitro positive phage selection, bacteriophage insensitive derivatives were isolated within sensitive populations of E. amylovora. Prophage screening with real-time PCR and mitomycin C induction determined that the insensitive derivatives harboured the temperate Podoviridae phage ΦEaTlOO. Lysogenic conversion resulted in resistance to secondary homologous phage infections. Prophage screening of environmental samples of E. amylovora and P. agglomerans collected from various locations in Canada, United States and Europe did not demonstrate lysogeny. Therefore, lysogeny is rare or absent while these bacterial species reside on the plant. Recombineering was used to construct exopolysaccharide deficient E. amylovora mutants. The EPS amylovoran mutants became resistant to Podoviridae and certain Siphoviridae phages. Increasing amylovoran production increased phage population growth, presumably by increasing the total number of bacterial cell surface receptors which promoted increased phage infections. In contrast, amylovoran did not playa role in Myoviridae infections, nor did production of the EPS levan for any phage pathogenesis.

Regulation of Systemic Acquired Resistance through the Interaction of Arabidopsis thaliana Transcription factors TGAI and TGA2 with NPRI

Arabidopsis thaliana is an established model plant system for studying plantpathogen interactions. The knowledge garnered from examining the mechanism of induced disease resistance in this model system can be applied to eliminate the cost and danger associated with current means of crop protection. A specific defense pathway, known as systemic acquired resistance (SAR), involves whole plant protection from a wide variety of bacterial, viral and fungal pathogens and remains induced weeks to months after being triggered. The ability of Arabidopsis to mount SAR depends on the accumulation of salicylic acid (SA), the NPRI (non-expressor of pathogenesis related gene 1) protein and the expression of a subset of pathogenesis related (PR) genes. NPRI exerts its effect in this pathway through interaction with a closely related class of bZIP transcription factors known as TGA factors, which are named for their recognition of the cognate DNA motif TGACG. We have discovered that one of these transcription factors, TGA2, behaves as a repressor in unchallenged Arabidopsis and acts to repress NPRI-dependent activation of PRJ. TGA1, which bears moderate sequence similarity to TGA2, acts as a transcriptional activator in unchallenged Arabidopsis, however the significance of this activity is J unclear. Once SAR has been induced, TGAI and TGA2 interact with NPRI to form complexes that are capable of activating transcription. Curiously, although TGAI is capable of transactivating, the ability of the TGAI-NPRI complex to activate transcription results from a novel transactivation domain in NPRI. This transactivation domain, which depends on the oxidation of cysteines 521 and 529, is also responsible for the transactivation ability of the TGA2-NPRI complex. Although the exact mechanism preventing TGA2-NPRI interaction in unchallenged Arabidopsis is unclear, the regulation of TGAI-NPRI interaction is based on the redox status of cysteines 260 and 266 in TGAl. We determined that a glutaredoxin, which is an enzyme capable of regulating a protein's redox status, interacts with the reduced form of TGAI and this interaction results .in the glutathionylation of TGAI and a loss of interaction with NPRl. Taken together, these results expand our understanding of how TGA transcription factors and NPRI behave to regulate events and gene expression during SAR. Furthermore, the regulation of the behavior of both TGAI and NPRI by their redox status and the involvement of a glutaredoxin in modulating TGAI-NPRI interaction suggests the redox regulation of proteins is a general mechanism implemented in SAR.

Surface display of proteins by Gram-negative bacterial autotransporters

Affiliation: Faculté de Médecine Vétérinaire, Université de Montréal

Étude des interactions entre Haemophilus parasuis et des cellules endothéliales et épithéliales porcines: implications d’une composante bactérienne, le lipooligosaccharide (LOS)

Haemophilus parasuis est un pathogène porcin causant la maladie de Glässer caractérisée par de la polysérosite fibrineuse, polyarthrite, méningite et septicémie. La pathogenèse de l’infection et les facteurs de virulence sont encore mal connus. Le site de colonisation de Haemophilus parasuis dans le tractus respiratoire supérieur est controversé. Pour accéder à la circulation sanguine, H. parasuis doit envahir la muqueuse. H. parasuis adhère à des cellules épithéliales porcines de trachée (NPTr). Pour accéder au système nerveux central et causer la méningite, H. parasuis doit traverser la barrière hémato-méningée. H. parasuis adhère à et envahit des cellules endothéliales porcines de microvaisseaux cérébraux (PBMEC) provenant de la BBB. Le but de cette étude était d’étudier certaines interactions entre H. parasuis et son lipooligosccharide (LOS), et des cellules endothéliales et épithéliales porcines. Les résultats démontrent que l’adhésion de H. parasuis Nagasaki aux NPTr et aux PBMEC est en partie médiée par son LOS. H. parasuis induit l’apoptose des NPTr et des PBMEC, mais le LOS ne semble pas impliqué. H. parasuis, et à un niveau moindre son LOS, stimulent la sécrétion d’interleukine- (IL) 6 et d’IL-8. Différentes souches de H. parasuis sérotypes 4 et 5 (sérotypes les plus prévalents en Amérique du Nord) stimulent également les NPTr et PBMEC à produire IL-6 et IL-8. Les résultats suggèrent que le LOS de H. parasuis joue un certain rôle dans la pathogenèse de l’infection, mais d’autres composantes bactériennes sont également impliquées.

Caractérisation phénotypique et génotypique d’isolats de Salmonella Typhimurium provenant de porcs sains ou septicémiques

Les infections à Salmonella Typhimurium constituent un problème de taille pour l’industrie porcine et la santé publique car cet animal est un réservoir pour les infections chez l’homme. De plus, on observe, chez des souches appartenant au lysotype (LT) 104, des résistances multiples aux antimicrobiens associées à des septicémies chez les porcs en engraissement, ce qui peut contribuer à la contamination des carcasses. Il faut donc contrôler l’infection au niveau du troupeau. Pour ce faire, il importe donc de mieux caractériser ces souches, comprendre la pathogénie de l’infection et identifier des facteurs de virulence. L’objectif principal de cette étude était de caractériser des isolats de S. Typhimurium provenant de porcs septicémiques et de les comparer avec ceux de porcs sains. Une banque d’isolats provenant de porcs septicémiques (ASC) et de porcs sains à l’abattoir (SSC) était constituée. Le lysotype des isolats a été identifié et ceux-ci ont été caractérisés selon le profil de résistance aux antimicrobiens, le SDS-PAGE et l’immunobuvardage et le PFGE. Chez les isolats ASC, LT 104 représentait 36.4% des isolats et chez les isolats SSC la proportion était de 51.5%. Les isolats pouvaient être résistants jusqu’à douze antimicrobiens, peu importe leur origine. Il n’a toutefois pas été possible d’associer une protéine spécifique au groupe d’isolats ASC. Parmi les souches LT 104, plusieurs groupes génétiques ont été identifiés. Les différentes étapes de la pathogénie de Salmonella ont ensuite été évaluées, dont l’adhésion et l’invasion des isolats des deux banques sur des cellules intestinales humaines. Nos résultats ont démontré que les isolats ASC avaient un pouvoir accru d’invasion comparés aux isolats SSC (P=0.003). Pour un sous-groupe d’isolats sélectionnés selon leur taux d’invasion, des tests de phagocytose, d’apoptose et d’adhésion au mucus intestinal ont été effectués en utilisant la cytométrie en flux. La survie des bactéries après la phagocytose a aussi été évaluée et la méthode MATS a été utilisée pour évaluer l'adhésion aux solvants. Les pourcentages de phagocytose chez les isolats SSC par les monocytes porcins étaient plus élevés que chez les isolats ASC à 15 minutes (P=0.02). Nous n’avons trouvé aucune différence significative pour les autres méthodes utilisées. Nous avons ensuite comparé le génome d’un isolat ASC (#36) à celui d’un isolat SSC (#1) par le SSH pour identifier des facteurs de virulence potentiels. Des clones correspondant à des gènes retrouvés sur le chromosome ainsi que sur des plasmides ont été identifiés. Ces résultats nous ont dirigés vers l’analyse des profils plasmidiques de tous les isolats. Les différents profils étaient retrouvés autant chez les isolats ASC que chez les isolats SSC. Deux profils (PL14 et PL20) étaient observés plus fréquemment chez les isolats LT 104 que chez les isolats d’autres lysotypes (P=0.01 et P=0.01, respectivement). Le séquençage d’un des plasmides de l’isolat ASC, démontrait la présence d’informations génétiques codant pour la réplication et une bêta-galactosidase-α. Il serait intéressant de préciser le rôle exact de ces gènes dans l’infection. Nos travaux suggèrent que les isolats de S. Typhimurium provenant de porcs septicémiques se distinguent par un pouvoir d’invasion accru ainsi que par des taux de phagocytose plus faibles dans les phases initiales de l’infection. Cette étude aura donc permis d’accroître les connaissances sur la pathogénie des infections à S. Typhimurium chez le porc.

Studies on the exaggerated inflammatory response caused by streptococcus suis at systemic and central nervous system levels

Streptococcus suis de type 2 est un microorganisme pathogène d’importance chez le porc. Il est la cause de différentes pathologies ayant comme caractéristique commune la méningite. C’est également un agent émergeant de zoonose : des cas cliniques humains ont récemment été rapportés en Asie. Cependant, la pathogénèse de S. suis n’est pas encore complètement élucidée. Jusqu’à présent, la réponse pro-inflammatoire initiée par S. suis n’a été étudiée qu’in vitro. L’étude du choc septique et de la méningite requiert toujours des modèles expérimentaux appropriés. Au cours de cette étude, nous avons développé un modèle in vivo d’infection chez la souris qui utilise la voie d’inoculation intra-péritonéale. Ce modèle a servi à l’étude de la réponse pro-inflammatoire associée à ce pathogène, tant au niveau systémique qu’au niveau du système nerveux central (SNC). Il nous a également permis de déterminer si la sensibilité aux infections à S. suis pouvait être influencée par des prédispositions génétiques de l’hôte. Le modèle d’infection par S. suis a été mis au point sur des souris de lignée CD1. Les résultats ont démontré une bactériémie élevée pendant les trois jours suivant l’infection. Celle-ci était accompagnée d’une libération rapide et importante de différentes cytokines pro-inflammatoires (TNF-α, IL-6, IL-12p40/p70, IFN-ɣ) et de chémokines (KC, MCP-1 and RANTES), qui ont entraîné un choc septique et la mort de 20 % des animaux. Ensuite, pour confirmer le rôle de l’inflammation sur la mortalité et pour déterminer si les caractéristiques génétiques de l’hôte pouvaient influencer la réponse inflammatoire et l’issue de la maladie, le modèle d’infection a été étendu à deux lignées murines consanguines différentes considérées comme résistante : la lignée C57BL/6 (B6), et sensible : la lignée A/J. Les résultats ont démontré une importante différence de sensibilité entre les souris A/J et les souris B6, avec un taux de mortalité atteignant 100 % à 20 h post-infection (p.i.) pour la première lignée et de seulement 16 % à 36 h p.i. pour la seconde. La quantité de bactéries dans le sang et dans les organes internes était similaire pour les deux lignées. Donc, tout comme dans la lignée CD1, la bactériémie ne semblait pas être liée à la mort des souris. La différence entre les taux de mortalité a été attribuée à un choc septique non contrôlé chez les souris A/J infectées par S. suis. Les souris A/J présentaient des taux exceptionnellement élevés de TNF-α, IL-12p40/p70, IL-1β and IFN- γ, significativement supérieurs à ceux retrouvés dans la lignée B6. Par contre, les niveaux de chémokines étaient similaires entre les lignées, ce qui suggère que leur influence est limitée dans le développement du choc septique dû à S. suis. Les souris B6 avaient une production plus élevée d’IL-10, une cytokine anti-inflammatoire, ce qui suppose que la cascade cytokinaire pro-inflammatoire était mieux contrôlée, entraînant un meilleur taux de survie. Le rôle bénéfique potentiel de l’IL-10 chez les souris infectées par S. suis a été confirmé par deux approches : d’une part en bloquant chez les souris B6 le récepteur cellulaire à l’IL-10 (IL-10R) par un anticorps monoclonal anti-IL-10R de souris et d’autre part en complémentant les souris A/J avec de l’IL-10 de souris recombinante. Les souris B6 ayant reçu le anticorps monoclonal anti-IL-10R avant d’être infectées par S. suis ont développé des signes cliniques aigus similaires à ceux observés chez les souris A/J, avec une mortalité rapide et élevée et des taux de TNF-α plus élevés que les souris infectées non traitées. Chez les souris A/J infectées par S. suis, le traitement avec l’IL-10 de souris recombinante a significativement retardé l’apparition du choc septique. Ces résultats montrent que la survie au choc septique dû à S. suis implique un contrôle très précis des mécanismes pro- et anti-inflammatoires et que la réponse anti-inflammatoire doit être activée simultanément ou très rapidement après le début de la réponse pro-inflammatoire. Grâce à ces expériences, nous avons donc fait un premier pas dans l’identification de gènes associés à la résistance envers S. suis chez l’hôte. Une des réussites les plus importantes du modèle d’infection de la souris décrit dans ce projet est le fait que les souris CD1 ayant survécu à la septicémie présentaient dès 4 jours p.i. des signes cliniques neurologiques clairs et un syndrome vestibulaire relativement similaires à ceux observés lors de méningite à S. suis chez le porc et chez l’homme. L’analyse par hybridation in situ combinée à de l’immunohistochimie des cerveaux des souris CD1 infectées a montré que la réponse inflammatoire du SNC débutait avec une augmentation significative de la transcription du Toll-like receptor (TLR)2 et du CD14 dans les microvaisseaux cérébraux et dans les plexus choroïdes, ce qui suggère que S. suis pourrait se servir de ces structures comme portes d’entrée vers le cerveau. Aussi, le NF-κB (suivi par le système rapporteur de l’activation transcriptionnelle de IκBα), le TNF-α, l’IL-1β et le MCP-1 ont été activés, principalement dans des cellules identifiées comme de la microglie et dans une moindre mesure comme des astrocytes. Cette activation a également été observée dans différentes structures du cerveau, principalement le cortex cérébral, le corps calleux, l’hippocampe, les plexus choroïdes, le thalamus, l’hypothalamus et les méninges. Partout, cette réaction pro-inflammatoire était accompagnée de zones extensives d’inflammation et de nécrose, de démyélinisation sévère et de la présence d’antigènes de S. suis dans la microglie. Nous avons mené ensuite des études in vitro pour mieux comprendre l’interaction entre S. suis et la microglie. Pour cela, nous avons infecté des cellules microgliales de souris avec la souche sauvage virulente (WT) de S. suis, ainsi qu’avec deux mutants isogéniques, un pour la capsule (CPS) et un autre pour la production d’hémolysine (suilysine). Nos résultats ont montré que la capsule était un important mécanisme de résistance à la phagocytose pour S. suis et qu’elle modulait la réponse inflammatoire, en dissimulant les composants pro-inflammatoires de la paroi bactérienne. Par contre, l’absence d’hémolysine, qui est un facteur cytotoxique potentiel, n’a pas eu d’impact majeur sur l’interaction de S. suis avec la microglie. Ces études sur les cellules microgliales ont permis de confirmer les résultats obtenus précédemment in vivo. La souche WT a induit une régulation à la hausse du TLR2 ainsi que la production de plusieurs médiateurs pro-inflammatoires, dont le TNF-α et le MCP-1. S. suis a induit la translocation du NF-kB. Cet effet était plus rapide dans les cellules stimulées par le mutant déficient en CPS, ce qui suggère que les composants de la paroi cellulaire représentent de puissants inducteurs du NF-kB. De plus, la souche S. suis WT a stimulé l’expression de la phosphotyrosine, de la PKC et de différentes cascades liées à l’enzyme mitogen-activated protein kinase (MAPK). Cependant, les cellules microgliales infectées par le mutant déficient en CPS ont montré des profils de phosphorylation plus forts et plus soutenus que celles infectées par le WT. Finalement, la capsule a aussi modulé l’expression de l’oxyde nitrique synthétase inductible (iNOS) induite par S. suis et par la production subséquente d’oxyde nitrique par la microglie. Ceci pourrait être lié in vivo à la neurotoxicité et à la vasodilatation. Nous pensons que ces résultats contribueront à une meilleure compréhension des mécanismes sous-tendant l’induction de l’inflammation par S. suis, ce qui devrait permettre, d’établir éventuellement des stratégies plus efficaces de lutte contre la septicémie et la méningite. Enfin, nous pensons que ce modèle expérimental d’infection chez la souris pourra être utilisé dans l’étude de la pathogénèse d’autres bactéries ayant le SNC pour cible.

Semisynthetic aminoglycoside antibiotics : toward biomimetic synthesis, evasion of bacterial resistance and reduced toxicity

Les antibiotiques aminoglycosidiques sont des agents bactéricides de grande valeur et d’efficacité à large spectre contre les pathogènes Gram-positifs et Gram-négatifs, dont plusieurs membres naturels et semisynthétiques sont importants dans l’histoire clinique depuis 1950. Des travaux crystallographiques sur le ribosome, récompensés par le prix Nobel, ont démontré comment leurs diverses structures polyaminées sont adaptées pour cibler une hélice d’ARN dans le centre de codage de la sous-unité 30S du ribosome bactérien. Leur interférence avec l’affinité et la cinétique des étapes de sélection et vérification des tARN induit la synthèse de protéines à basse fidélité, et l’inhibition de la translocation, établissant un cercle vicieux d’accumulation d’antibiotique et de stress sur la membrane. En réponse à ces pressions, les pathogènes bactériens ont évolué et disséminé une panoplie de mécanismes de résistance enzymatiques et d’expulsion : tels que les N acétyltransférases, les O phosphotransférases et les O nucleotidyltransférases qui ciblent les groupements hydroxyle et amino sur le coeur des aminoglycosides; des méthyl-transférases, qui ciblent le site de liaison ribosomale; et des pompes d’expulsion actives pour l’élimination sélective des aminoglycosides, qui sont utilisés par les souches Gram-négatives. Les pathogènes les plus problématiques, qui présentent aujourd’hui une forte résilience envers la majorité des classes d’antibiotiques sur le bord de la pan-résistance ont été nommés des bactéries ESKAPE, une mnémonique pour Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa et Enterobacteriaceae. La distribution globale des souches avec des mécanismes de résistance envers les standards cliniques aminoglycosides, tels que la tobramycine, l’amikacine et la gentamicine, est comprise entre 20 et 60% des isolées cliniques. Ainsi, les aminoglycosides du type 4,6-disubstitués-2-deoxystreptamine sont inadéquats comme thérapies anti-infectieuses à large spectre. Cependant, la famille des aminoglycosides 4,5-disubstitués, incluant la butirosine, la neomycine et la paromomycine, dont la structure plus complexe, pourrait constituter une alternative. Des collègues dans le groupe Hanessian et collaborateurs d’Achaogen Inc. ont démontré que certains analogues de la paraomomycine et neomycine, modifiés par désoxygénation sur les positions 3’ et 4’, et par substitution avec la chaîne N1-α-hydroxy-γ-aminobutyramide (HABA) provenant de la butirosine, pourrait produire des antibiotiques très prometteurs. Le Chapitre 4 de cette dissertation présente la conception et le développement d’une stratégie semi-synthétique pour produire des nouveaux aminoglycosides améliorés du type 4,5 disubstitués, inspiré par des modifications biosynthétiques de la sisomicine, qui frustrent les mécanismes de résistance bactérienne distribuées globalement. Cette voie de synthèse dépend d’une réaction d’hydrogénolyse de type Tsuji catalysée par palladium, d’abord développée sur des modèles monosaccharides puis subséquemment appliquée pour générer un ensemble d’aminoglycosides hybrides entre la neomycine et la sisomicine. Les études structure-activité des divers analogues de cette nouvelle classe ont été évaluées sur une gamme de 26 souches bactériennes exprimant des mécanismes de résistance enzymatique et d’expulsion qui englobe l’ensemble des pathogènes ESKAPE. Deux des antibiotiques hybrides ont une couverture antibacterienne excellente, et cette étude a mis en évidence des candidats prometteurs pour le développement préclinique. La thérapie avec les antibiotiques aminoglycosidiques est toujours associée à une probabilité de complications néphrotoxiques. Le potentiel de toxicité de chaque aminoglycoside peut être largement corrélé avec le nombre de groupements amino et de désoxygénations. Une hypothèse de longue date dans le domaine indique que les interactions principales sont effectuées par des sels des groupements ammonium, donc l’ajustement des paramètres de pKa pourrait provoquer une dissociation plus rapide avec leurs cibles, une clairance plus efficace et globalement des analogues moins néphrotoxiques. Le Chapitre 5 de cette dissertation présente la conception et la synthèse asymétrique de chaînes N1 HABA β substitutées par mono- et bis-fluoration. Des chaînes qui possèdent des γ-N pKa dans l’intervalle entre 10 et 7.5 ont été appliquées sur une neomycine tétra-désoxygénée pour produire des antibiotiques avancés. Malgré la réduction considérable du γ N pKa, le large spectre bactéricide n’a pas été significativement affecté pour les analogues fluorés isosteriques. De plus, des études structure-toxicité évaluées avec une analyse d’apoptose propriétaire d’Achaogen ont démontré que la nouvelle chaîne β,β difluoro-N1-HABA est moins nocive sur un modèle de cellules de rein humain HK2 et elle est prometteuse pour le développement d’antibiotiques du type neomycine avec des propriétés thérapeutiques améliorées. Le chapitre final de cette dissertation présente la proposition et validation d’une synthèse biomimétique par assemblage spontané du aminoglycoside 66-40C, un dimère C2 symétrique bis-imine macrocyclique à 16 membres. La structure proposée du macrocycle a été affinée par spectroscopie nucléaire à un système trans,trans-bis-azadiène anti-parallèle. Des calculs indiquent que l’effet anomérique de la liaison α glycosidique entre les anneaux A et B fournit la pré-organisation pour le monomère 6’ aldéhydo sisomicine et favorise le produit macrocyclique observé. L’assemblage spontané dans l’eau a été étudié par la dimérisation de trois divers analogues et par des expériences d’entre croisement qui ont démontré la généralité et la stabilité du motif macrocyclique de l'aminoglycoside 66-40C.