On-chip non-invasive and label-free cell discrimination by impedance spectroscopy

OBJECTIVES: Many flow-cytometric cell characterization methods require costly markers and colour reagents. We present here a novel device for cell discrimination based on impedance measurement of electrical cell properties in a microfluidic chip, without the need of extensive sample preparation steps and the requirement of labelling dyes. MATERIALS AND METHODS, RESULTS: We demonstrate that in-flow single cell measurements in our microchip allow for discrimination of various cell line types, such as undifferentiated mouse fibroblasts 3T3-L1 and adipocytes on the one hand, or human monocytes and in vitro differentiated dendritic cells and macrophages on the other hand. In addition, viability and apoptosis analyses were carried out successfully for Jurkat cell models. Studies on several species, including bacteria or fungi, demonstrate not only the capability to enumerate these cells, but also show that even other microbiological life cycle phases can be visualized. CONCLUSIONS: These results underline the potential of impedance spectroscopy flow cytometry as a valuable complement to other known cytometers and cell detection systems.

Plant-microbe-herbivore interactions in invasive and non-invasive alien plant species

1. Plants interact with many organisms, such as microbes and herbivores, and these interactions are likely to affect the establishment and spread of plants. In the context of plant invasions, mycorrhizal fungi and constitutive and induced resistance of plants against herbivores have received attention independently of each other. However, plants are frequently involved in complex multi-trophic interactions, which might differ between invasive and non-invasive alien plants. 2. In a multi-species comparative experiment, we aimed to improve our understanding of plant traits associated with invasiveness. We tested whether eight invasive alien plant species use the mycorrhizal symbiosis in a more beneficial way, and have higher levels of constitutive or induced resistance against two generalist bioassay herbivores, than nine non-invasive alien species. We further assessed whether the presence of mycorrhizal fungi altered the resistance of the plant species, and whether this differed between invasive and non-invasive alien species. 3. While invasive species produced more biomass, they did not differ in their biomass response to mycorrhizal fungi from non-invasive alien species. Invasive species also did not have higher levels of constitutive or induced resistance against the two generalist herbivores. Mycorrhizal fungi greatly affected the resistance of our plant species, however, this was also unrelated to whether the alien species were invasive or not. 4. Our study confirms the previous findings that invasive species generally grow faster and produce more biomass than non-invasive alien species. We further show that alien plant species used a variety of defence strategies, and also varied in their interactions with mycorrhizal fungi. These multi-trophic interactions were not consistently related to invasiveness of the alien plant species. 5. We suggest that awareness of the fact that alien plant species are involved in multi-trophic interactions might lead to a more complete understanding of the factors contributing to a plant's success.

Non-staphylococcal infections of cardiac implantable electronic devices

Background. The number of infections of cardiac implantable electronic devices (CIED) continues to escalate out of proportion to the increase rate of device implantation. Staphylococcal organisms account for 70% to 90% of all CIED infections. However, little is known about non-staphylococcal infections, which have been described only in case reports, small case series or combined in larger studies with staphylococcal CIED infections, thereby diluting their individual impact. ^ Methods. A retrospective review of hospital records of patients admitted with a CIED-related infections were identified within four academic hospitals in Houston, Texas between 2002 and 2009. ^ Results. Of the 504 identified patients with CIED-related infection, 80 (16%) had a non-staphylococcal infection and were the focus of this study. Although the demographics and comorbities of subjects were comparable to other reports, our study illustrates many key points: (a) the microbiologic diversity of non-staphylococcal infections was rather extensive, as it included other Gram-positive bacteria like streptococci and enterococci, a variety of Gram-negative bacteria, atypical bacteria including Nocardia and Mycobacteria, and fungi like Candida and Aspergillus; (b) the duration of CIED insertion prior to non-staphylococcal infection was relatively prolong (mean, 109 ± 27 weeks), of these 44% had their device previously manipulated within a mean of 29.5 ± 6 weeks; (c) non-staphylococcal organisms appear to be less virulent, cause prolonged clinical symptoms prior to admission (mean, 48 ± 12.8 days), and are associated with a lower mortality (4%) than staphylococcal organisms; (d) thirteen patients (16%) presented with CIED-related endocarditis; (e) although not described in prior reports, we identified 3 definite and 2 suspected cases of secondary Gram-negative bacteremia seeding of the CIED; and (f) inappropriate antimicrobial coverage was provided in approximately 50% of patients with non-staphylococcal infections for a mean period of 2.1 days. ^ Conclusions. Non-staphylococcal CIED-related infections are prevalent and diverse with a relatively low virulence and mortality rate. Since non-staphylococcal organisms are capable of secondarily seeding the CIED, a high suspicion for CIED-related infection is warranted in patients with bloodstream infection. Additionally, in patients with suspected CIED infection, adequate Gram positive and -negative antibacterial coverage should be administered until microbiologic data become available.^

Applicazione della spettrometria di massa MALDI-TOF in microbiologia clinica

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

Synopsis methodica fungorum : sistens enumeratione omnium huc usque detectarum specierum, cum brevibus descriptionibus nec non synonymis et observationibus selectis /

Indice.

Synopsis methodica fungorum : sistens enumerationem omnium huc usque detectarum specierum, cum brevibus descriptionibus nec non synonymis et observationibus selectis /

Includes Index botanicus sistens omnes fungorum species ... confectus a G.H.L. [i.e., Georg Heinrich Luenemann]

Highly organized structure in the non-coding region of the psbA minicircle from clade C Symbiodinium

The chloroplast genes of dinoflagellates are distributed among small, circular dsDNA molecules termed minicircles. In this paper, we describe the structure of the non-coding region of the psbA minicircle from Symbiodinium. DNA sequence was obtained from five Symbiodinium strains obtained from four different coral host species (Goniopora tenuidens, Heliofungia actiniformis, Leptastrea purpurea and Pocillopora damicornis), which had previously been determined to be closely related using LSU rDNA region D1/D2 sequence analysis. Eight distinct sequence blocks, consisting of four conserved cores interspersed with two metastable regions and flanked by two variable regions, occurred at similar positions in all strains. Inverted repeats (IRs) occurred in tandem or 'twin' formation within two of the four cores. The metastable regions also consisted of twin IRs and had modular behaviour, being either fully present or completely absent in the different strains. These twin IRs are similar in sequence to double-hairpin elements (DHEs) found in the mitochondrial genomes of some fungi, and may be mobile elements or may serve a functional role in recombination or replication. Within the central unit (consisting of the cores plus the metastable regions), all IRs contained perfect sequence inverses, implying they are highly evolved. IRs were also present outside the central unit but these were imperfect and possessed by individual strains only. A central adenine-rich sequence most closely resembled one in the centre of the non-coding part of Amphidinium operculatum minicircles, and is a potential origin of replication. Sequence polymorphism was extremely high in the variable regions, suggesting that these regions may be useful for distinguishing strains that cannot be differentiated using molecular markers currently available for Symbiodinium.

Discriminating antigen and non-antigen using proteome dissimilarity III:tumour and parasite antigens

Computational genome analysis enables systematic identification of potential immunogenic proteins within a pathogen. Immunogenicity is a system property that arises through the interaction of host and pathogen as mediated through the medium of a immunogenic protein. The overt dissimilarity of pathogenic proteins when compared to the host proteome is conjectured by some to be the determining principal of immunogenicity. Previously, we explored this idea in the context of Bacterial, Viral, and Fungal antigen. In this paper, we broaden and extend our analysis to include complex antigens of eukaryotic origin, arising from tumours and from parasite pathogens. For both types of antigen, known antigenic and non-antigenic protein sequences were compared to human and mouse proteomes. In contrast to our previous results, both visual inspection and statistical evaluation indicate a much wider range of homologues and a significant level of discrimination; but, as before, we could not determine a viable threshold capable of properly separating non-antigen from antigen. In concert with our previous work, we conclude that global proteome dissimilarity is not a useful metric for immunogenicity for presently available antigens arising from Bacteria, viruses, fungi, parasites, and tumours. While we see some signal for certain antigen types, using dissimilarity is not a useful approach to identifying antigenic molecules within pathogen genomes.

Horizontal genetic transfer in asexual fungi

Four aspects of horizontal genetic transfer during heterokaryon formation were examined in the asexual pathogen Fusarium oxysporum f.sp. cubense (Foc): (1) variability based on method of heterokaryon formation; (2) differences in nuclear and mitochondrial inheritance; (3) the occurrence of recombination without nuclear fusion; (4) the occurrence of horizontal genetic transfer between distantly related isolates. The use of non-pathogenic strains of Fusarium oxysporum as biocontrol agents warrants a closer examination at the reproductive life cycle of this fungus, particularly if drug resistance or pathogenicity genes can be transmitted horizontally. Experiments were divided into three phases. Phase I looked at heterokaryon formation by hyphal anastomosis and protoplast fusion. Phase II was a time course of heterokaryon formation to look at patterns of nuclear and mitochondrial inheritance. Phase III examined the genetic relatedness of the different vegetative compatibility groups using a multilocus analysis approach. Heterokaryon formation was evident within and between vegetative compatibility groups. Observation of non-parental genotypes after heterokaryon formation confirmed that, although a rare event, horizontal genetic transfer occurred during heterokaryon formation. Uniparental mitochondria inheritance was observed in heterokaryons formed either by hyphal anastomosis or protoplast fusion. Drug resistance was expressed during heterokaryon formation, even across greater genetic distances than those distances imposed by vegetative compatibility. Phylogenies inferred from different molecular markers were incongruent at a significant level, challenging the clonal origins of Foc. Mating type genes were identified in this asexual pathogen Polymorphisms were detected within a Vegetative Compatibility Group (VCG) suggesting non-clonal inheritance and/or sexual recombination in Foc. This research was funded in part by a NIH-NIGMS (National Institutes of Health-National Institute of General Medical Sciences) Grant through the MBRS (Minority Biomedical Research Support), the Department of Biological Sciences and the Tropical Biology Program at FIU. ^

Pollen and non-pollen palynomorphs counting data from Borsteler Moor (Germany)

In order to reconstruct regional vegetation changes and local conditions during the fen-bog transition in the Borsteler Moor (northwestern Germany), a sediment core covering the period between 7.1 and 4.5 cal kyrs BP was palynologically in vestigated. The pollen diagram demonstrates the dominance of oak forests and a gradual replacement of trees by raised bog vegetation with the wetter conditions in the Late Atlantic. At ~ 6 cal kyrs BP, the non-pollen palynomorphs (NPP) demonstrate the succession from mesotrophic conditions, clearly indicated by a number of fungal spore types, to oligotrophic conditions, indicated by Sphagnum spores, Bryophytomyces sphagni, and testate amoebae Amphitrema, Assulina and Arcella, etc. Four relatively dry phases during the transition from fen to bog are clearly indicated by the dominance of Calluna and associated fungi as well as by the increase of microcharcoal. Several new NPP types are described and known NPP types are identified. All NPP are discussed in the context of their palaeoecological indicator values.

Structural and Biochemical Dissection of the Trehalose Biosynthetic Complex in Pathogenic Fungi

Trehalose is a non-reducing disaccharide essential for pathogenic fungal survival and virulence. The biosynthesis of trehalose requires the trehalose-6-phosphate synthase, Tps1, and trehalose-6-phosphate phosphatase, Tps2. More importantly, the trehalose biosynthetic pathway is absent in mammals, conferring this pathway as an ideal target for antifungal drug design. However, lack of germane biochemical and structural information hinders antifungal drug design against these targets.

In this dissertation, macromolecular X-ray crystallography and biochemical assays were employed to understand the structures and functions of proteins involved in the trehalose biosynthetic pathway. I report here the first eukaryotic Tps1 structures from Candida albicans (C. albicans) and Aspergillus fumigatus (A. fumigatus) with substrates or substrate analogs. These structures reveal the key residues involved in substrate binding and catalysis. Subsequent enzymatic assays and cellular assays highlight the significance of these key Tps1 residues in enzyme function and fungal stress response. The Tps1 structure captured in its transition-state with a non-hydrolysable inhibitor demonstrates that Tps1 adopts an “internal return like” mechanism for catalysis. Furthermore, disruption of the trehalose biosynthetic complex formation through abolishing Tps1 dimerization reveals that complex formation has regulatory function in addition to trehalose production, providing additional targets for antifungal drug intervention.

I also present here the structure of the Tps2 N-terminal domain (Tps2NTD) from C. albicans, which may be involved in the proper formation of the trehalose biosynthetic complex. Deletion of the Tps2NTD results in a temperature sensitive phenotype. Further, I describe in this dissertation the structures of the Tps2 phosphatase domain (Tps2PD) from C. albicans, A. fumigatus and Cryptococcus neoformans (C. neoformans) in multiple conformational states. The structures of the C. albicans Tps2PD -BeF3-trehalose complex and C. neoformans Tps2PD(D24N)-T6P complex reveal extensive interactions between both glucose moieties of the trehalose involving all eight hydroxyl groups and multiple residues of both the cap and core domains of Tps2PD. These structures also reveal that steric hindrance is a key underlying factor for the exquisite substrate specificity of Tps2PD. In addition, the structures of Tps2PD in the open conformation provide direct visualization of the conformational changes of this domain that are effected by substrate binding and product release.

Last, I present the structure of the C. albicans trehalose synthase regulatory protein (Tps3) pseudo-phosphatase domain (Tps3PPD) structure. Tps3PPD adopts a haloacid dehydrogenase superfamily (HADSF) phosphatase fold with a core Rossmann-fold domain and a α/β fold cap domain. Despite lack of phosphatase activity, the cleft between the Tps3PPD core domain and cap domain presents a binding pocket for a yet uncharacterized ligand. Identification of this ligand could reveal the cellular function of Tps3 and any interconnection of the trehalose biosynthetic pathway with other cellular metabolic pathways.

Combined, these structures together with significant biochemical analyses advance our understanding of the proteins responsible for trehalose biosynthesis. These structures are ready to be exploited to rationally design or optimize inhibitors of the trehalose biosynthetic pathway enzymes. Hence, the work described in this thesis has laid the groundwork for the design of Tps1 and Tps2 specific inhibitors, which ultimately could lead to novel therapeutics to treat fungal infections.

Punctuated evolution and transitional hybrid network in an ancestral cell cycle of fungi

© Medina et al.Although cell cycle control is an ancient, conserved, and essential process, some core animal and fungal cell cycle regulators share no more sequence identity than non-homologous proteins. Here, we show that evolution along the fungal lineage was punctuated by the early acquisition and entrainment of the SBF transcription factor through horizontal gene transfer. Cell cycle evolution in the fungal ancestor then proceeded through a hybrid network containing both SBF and its ancestral animal counterpart E2F, which is still maintained in many basal fungi. We hypothesize that a virally-derived SBF may have initially hijacked cell cycle control by activating transcription via the cis-regulatory elements targeted by the ancestral cell cycle regulator E2F, much like extant viral oncogenes. Consistent with this hypothesis, we show that SBF can regulate promoters with E2F binding sites in budding yeast.

Accessing occupational exposure to fungi in a cork industry

Different forms of fungal diseases affecting the nose and paranasal sinuses are recognized, including invasive and non-invasive fungal rhinosinusitis. Penicillium glabrum complex is associated with respiratory diseases such as suberosis, a typical disease of cork industry workers. In addition, Chrysonilia sitophila has been described as causing occupational asthma, associated to prolonged exposure to high counts of spores. In this study we aimed to access fungal exposure in workers from one cork industry through the mycological analysis of their nasal exudate and the environmental fungal contamination of their surroundings as well.

Exposure and risk assessment in occupational exposure to fungi: aspects to consider in highly contaminated settings

Although a clear correlation between levels of fungi in the air and health impacts has not been shown in epidemiological studies, fungi must be regarded as potential occupational health hazards. Fungi can have an impact on human health in four different ways: (1) they can infect humans, (2) they may act as allergens, (3) they can be toxigenic, or (4) they may cause inflammatory reactions. Fungi of concern in occupational hygiene are mostly non-pathogenic or facultative pathogenic (opportunistic) species, but are relevant as allergens and mycotoxins producers. It is known that the exclusive use of conventional methods for fungal quantification (fungal culture) may underestimate the results due to different reasons. The incubation temperature chosen will not be the most suitable for every fungal species, resulting in the inhibition of some species and the favouring of others. Differences in fungi growth rates may also result in data underestimation, since the fungal species with higher growth rates may inhibit others species’ growth. Finally, underestimated data can result from non-viable fungal particles that may have been collected or fungal species that do not grow in the culture media used, although these species may have clinical relevance in the context. Due to these constraints occupational exposure assessment, in setings with high fungal contamination levels, should follow these steps: Apply conventional methods to obtain fungal load information (air and surfaces) regarding the most critical scenario previously selected; Guideline comparation aplying or legal requirements or suggested limits by scientific and/or technical organizations. We should also compare our results with others from the same setting (if there is any); Select the most suitable indicators for each setting and apply conventional-culture methods and also molecular tools. These methodology will ensure a more real characterization of fungal burden in each setting and, consequently, permits to identify further measures regarding assessment of fungal metabolites, and also a more adequate workers health surveillance. The methodology applied to characterize fungal burden in several occupational environments, focused in Aspergillus spp. prevalence, will be present and discussed.

Toxicity of the therapeutic potassium permanganate to tilapia Oreochromis niloticus and to non-target organisms Ceriodaphnia dubia (microcrustacean cladocera) and Pseudokirchneriella subcapitata (green microalgae)

Potassium permanganate is a chemical compound widely used in aquaculture for the control and removal of parasites, and in the prevention of diseases caused by bacteria and fungi. However, this compound can be toxic to fish, being a strong oxidant. Moreover, there is no consistent information in the literature about its toxicity to non-target organisms. The purpose of this study was to evaluate the acute toxicity (LC50;96h) of potassium permanganate for tilapia, Oreochromis niloticus, and to determine its toxic effects on nontarget organisms using ecotoxicological assays performed with the microcrustacean Ceriodaphnia dubia and with the green microalgae Pseudokirchneriella subcapitata. The results showed that the concentration of 1.81 mg L-1 of potassium permanganate caused acute toxic effect in tilapia fingerlings. The ecotoxicological assays demonstrated that concentrations above 0.12 mg L-1 can cause chronic toxic effects on non-target organisms, indicating possible deleterious effects on the food chain of the aquatic ecosystem that may receive the discharge of effluents released by fish cultures treated with this chemotherapy. All toxic concentrations determined in this study were below those recommended in the literature for the use of this chemotherapy in fish cultures, demonstrating that this type of therapy should be more carefully considered in order to avoid damage to the treated fish and to the environment. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.