Entwicklung und Anwendung molekularbiologischer Methoden zur Art- und Stamm-Identifizierung pro- und eukaryotischer Organismen

Das Wachstum von Milchsäurebakterien-Arten der Gattungen Lactobacillus, Pediococcus und Leuconostoc während der Weinfermentation kann durch die Bildung verschiedener Stoffwechselprodukte zu Weinfehlern führen. Um rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergreifen zu können und einem Weinverderb vorzubeugen, bedarf es geeigneter Identifizierungsmethoden. Klassische mikrobiologische Methoden reichen oft nicht aus, um Mikroorganismen auf Art- und Stammniveau gezielt zu identifizieren. Wegen ihrer schnellen Durchführbarkeit und Zuverlässigkeit sind molekularbiologische Identifizierungsmethoden zur Kontrolle der mikrobiellen Flora während der Lebensmittelfermentierung in der heutigen Zeit unabdingbar. In der vorliegenden Forschungsarbeit wurden die 23S rRNA-Gensequenzen von neun Pediococcus-Typstämmen sequenziert, analysiert und phylogenetische Analysen durchgeführt. Zur Art-Identifizierung der Pediokokken wurden PCR-Primer generiert und ein Multiplex PCR System entwickelt, mit dem alle typischen Arten simultan in einer Reaktion nachgewiesen werden konnten. Die Ergebnisse der Multiplex PCR-Identifizierung von 62 Pediococcus-Stämmen aus Kulturensammlungen und 47 neu isolierten Stämmen aus Wein zeigten, dass einige Stämme unter falschen Artnamen hinterlegt waren, und dass P. parvulus im Weinanbaugebiet Rheinhessen weit verbreitet war. Die Fähigkeit der Pediococcus-Stämme zur Exopolysaccharid-Synthese wurde durch den Nachweis zweier Gene überprüft. Auf Basis der 23S rDNA-Sequenzen wurden rRNA-Sekundärstrukturen mit der neu entwickelten Software Structure Star generiert, die zum Auffinden von Zielbereichen für fluoreszenzmarkierte DNA-Sonden geeignet waren. Die Sequenzunterschiede zwischen den Pediococcus-Arten reichten aus, um zwei Gruppen durch Fluoreszenz in situ Hybridisierung differenzieren zu können. Die Verwendung unmarkierter Helfer-sonden verbesserte die Zugänglichkeit der Sonden an die rRNA, wodurch das Fluoreszenz-Signal verstärkt wurde. Um Milchsäurebakterien durch Denaturierende Gradienten Gel Elektrophorese differenzieren zu können, wurden Primer entwickelt, mit denen ein hochvariabler 23S rDNA-Bereich amplifiziert werden konnte. Die Nested Specifically Amplified Polymorphic DNA (nSAPD)-PCR wurde in der vorliegenden Arbeit zur Art- und Stamm-Differenzierung pro- und eukaryotischer Organismen angewandt. Es wurden vor allem weinrelevante Milchsäurebakterien der Gattungen Oenococcus, Lactobacillus, Pediococcus und Leuconostoc und Hefen der Gattungen Dekkera / Brettanomyces und Saccharomyces untersucht. Die Cluster-Analyse der Pediococcus-Typstämme führte zu einer unterschiedlichen Baum-Topologie im Vergleich zum phylogenetischen 23S rDNA-Stammbaum. Die Verwandtschaftsverhältnisse der untersuchten O. oeni-Stämme aus Starterkulturen konnten in Bezug auf eine frühere Cluster-Analyse reproduziert werden. Die Untersuchung von 40 B. bruxellensis-Stämmen aus rheinhessischen Weinproben zeigte eine Gruppierung der Stämme gemäß dem Ort der Probennahme. Beim Vergleich der Verwandtschaftsverhältnisse von Stämmen der Arten P. parvulus und B. bruxellensis, die aus denselben Weinproben isoliert wurden, konnte eine hohe Übereinstimmung der beiden Baum-Topologien beobachtet werden. Anhand der SAPD-PCR Untersuchung von Sekthefen aus Starterkulturen konnten alle Stämme der Art S. cerevisiae zugeordnet werden. Die nSAPD-PCR war darüber hinaus geeignet, um höhere Eukaryoten wie Weinreben zu differenzieren und es konnten die Verwandtschaftsverhältnisse von Mäusen und menschlichen Individuen durch Cluster-Analysen nachvollzogen werden. Mit Hilfe der Sequence Characterized Amplified Region (SCAR)-Technik wurden (n)SAPD-Marker in SCAR-Marker konvertiert. Die neu generierten SCAR-Primer konnten zur simultanen Art-Identifizierung von sieben weinschädlichen Milchsäurebakterien in einer Multiplex PCR erfolgreich eingesetzt werden. Die in dieser Arbeit entwickelten molekularbiologischen Identifizierungsmethoden können zum Beispiel in der mikrobiologischen Qualitätskontrolle Anwendung finden.

Identifizierung biogene Amine bildender Bakterien und Einsatz von Enzymen zur Hemmung ihres Wachstums während der Weinbereitung

Mikroorganismen spielen eine wichtige Rolle in der Weinherstellung. Neben ihren positiven Stoffwechselaktivitäten wie die Bildung von Ethanol während der alkoholischen Gärung sind vor allem Bakterien in der Lage, Weinfehler zu verursachen. Einer dieser Weinfehler ist die Produktion von biogenen Aminen. Diese niedermolekularen Stickstoffverbindungen können zu verschiedenen Gesundheitsproblemen wie Bluthochdruck und Migräne führen. Aufgrund von hohen Ethanolgehalten und dem Vorkommen verschiedener biogener Amine kommt es im Wein zu einer Verstärkung dieser physiologischen Effekte. Um die Bildung dieser Verbindungen zu verhindern, ist es von speziellem Interesse, die verantwortlichen Mikroorganismen zu identifizieren und sie in ihrem Wachstum zu hemmen.In einem Teil der Dissertation stand die Isolierung und Identifizierung biogener Amine produzierender Bakterien aus deutschen Jungweinen und Mosten im Vordergrund. Es konnte gezeigt werden, dass hauptsächlich Milchsäurebakterien als potenzielle Produzenten in Frage kommen. Diese Bakteriengruppe war in hohen Titern in nahezu allen Proben vorhanden und stellt somit eine potentielle Gefahr für die Weinbereitung dar. Zur Identifizierung der Isolate wurden verschiedene molekularbiologische Methoden wie specifically amplified DNA polymorphic-PCR (Fingerprintmethode), Multiplex-PCR oder 16S rDNA-Sequenzierung angewandt. Das Screening bezüglich der Bildung von biogenen Aminen erfolgte mit Hilfe einer im Rahmen dieser Arbeit entwickelten hochauflösenden Dünnschichtchromatographie gefolgt von der Quantifizierung mittels HPLC.Zur Wachstumshemmung dieser Schadbakterien wurden zwei Exoenzyme aus Streptomyces albidoflavus B578 isolieren. Diese Enzyme wurden gereinigt und als eine Muramidase und eine Protease identifiziert. Aktivitätstests konnten zeigen, dass diese Enzyme eine hohe lytische Wirkung gegen weinrelevante Mikroorganismen aufweisen. Ebenso war die Aktivität der Enzyme unter Weinbedingungen sehr stabil. Aufgrund dieser Ergebnisse könnten diese Enzyme eine mögliche Alternative zur Zugabe von Lysozym oder Schwefeldioxid sein, welche konventionell in der Weinbereitung ihren Einsatz finden.

Identifizierung, Quantifizierung und Hemmung von ausgewählten Hefen im Wein

Hefen stellen einen großen und wichtigen Teil der Mikrobiota während der Weinbereitung dar, da ohne ihre alkoholische Fermentation die Umwandlung von Most und Wein nicht möglich wäre. Ferner ist es ihre Vielzahl an Stoffwechselprodukten, die dem Aroma des fertigen Weines eine zusätzliche Komplexität verleihen. Auf der anderen Seite steht durch den Metabolismus verschiedenster so genannter Wildhefen die Gefahr von Qualitätsabstufungen der Weine, was allgemein als „Weinfehler“ betrachtet wird. Ziel dieser Arbeit war zum einen die taxonomische Einordnung von Saccharomyces-Spezies, sowie die Quantifizierung und Hemmung von ausgewählten Wildhefen während der Weinbereitung.rnEin Teil dieser Arbeit umfasste die Identifizierung der nahverwandten Mitglieder der Saccharomyces sensu stricto-Gruppe. Durch den Einsatz des DNA-Fingerpinting-Systems SAPD-PCR konnten alle die Gruppe umfassenden Spezies anhand spezifischer Bandenmuster nachgewiesen werden, wodurch eine Einordnung dieser schwer zu differenzierenden Arten möglich war. Die Differenzierung zwischen den einzelnen Spezies war in jedem Fall deutlicher als dies die Sequenzierung der 5.8S rDNA und ihre flankierenden ITS-Regionen vermochte. Die SAPD-PCR zeichnete sich zudem durch eine geringe Muster-Varianz bei verschiedenen Stämmen einer Art aus und konnte zuverlässig unbekannte Stämme bestimmen und bereits hinterlegte Stämme neu klassifizieren. Zudem konnte mit Hilfe dieses Systems Hybride aus Saccharomyces cerevisiae und S. bayanus bzw. S. cerevisiae und S. kudriavzevii detektiert werden, wenn diese Hybride aus relativ gleichen genomischen Anteilen der Eltern bestanden. rnZusätzlich wurde ein quantitatives PCR-System entwickelt, um die Gattungen Saccharomyces, Hanseniaspora und Brettanomyces in Most und Wein detektieren und quantifizieren zu können. Die hierfür entwickelten Primer zeigten sich spezifisch für die untersuchten Arten. Durch die serielle Verdünnung definierter DNA-Mengen konnte für alle drei Systeme eine Kalibrierungskurve erstellt werden, mit Hilfe derer die tatsächlichen Quantifizierungen durchgeführt wurden. Die qPCR-Analyse lieferte ähnliche Zellzahlen wie Lebendzellzahl-Bestimmungen und wurde nicht von anderen Spezies und von Traubensaft gestört. Die maximal detektierbare Zellzahl betrug 2 x 107 Zellen/ml, während die minimale Detektionsgrenze je nach Art zwischen 1 x 102 Zellen/ml und 1 x 103 Zellen/ml lag. Allerdings konnte eine effektive DNA-Isolierung dieser geringen Zellzahlen nur erreicht werden, wenn die Zellzahl durch artfremde Hefen künstlich erhöht wurde. Die Analyse einer Most-Vergärung mit den drei Spezies zeigte schlussendlich, dass die quantitative PCR sicher und schnell Veränderungen und Sukzessionen detektiert und so ein geeignetes Mittel darstellt, um Populationsdynamiken während der Weinherstellung zu beobachten. rnDer letzte Teil dieser Arbeit befasste sich mit der Inhibierung von Schadhefen durch zellwand-hydrolysierende Enzyme. Es konnte hierbei eine endoglykosidisch wirkende β-1,3-Glucanase aus dem Bakterium Delftia tsuruhatensis isoliert werden. Diese besaß eine ungefähre Masse von 28 kDa, einen isolektrischen Punkt von ca. 4,3 und wirkte mit einer spezifischen Aktivität von 10 U/mg Protein gegen das Glucan Laminarin. Zudem zeigte das Enzym ein Temperaturoptimum von 50 °C und ein pH-Optimum bei pH 4,0. Weinparameter wie erhöhte Konzentrationen an Ethanol, Phenolen und Sulfit beeinflussten die Wirkung des Enzyms nicht oder nur wenig. Neben der allgemeinen Wirkung gegen β-1,3-Glucane konnte hier auch gezeigt werden, dass ebenso gut die β-1,3-Glucane in der Zellwand verschiedener Hefen hydrolysiert wurden. Fluoreszenz- und rasterelektronen-mikroskopische Aufnahmen von Hefezellen nach Inkubation mit der β-1,3-Glucanase zeigten zusätzlich die Zerstörung der Zelloberfläche der Hefen. Die lytische Wirkung des Enzyms wurde an verschiedenen weintypischen Hefen getestet. Hierbei zeigten sich stammspezifische Unterschiede in der Sensitivität gegenüber dem Enzym. Außerdem konnte festgestellt werden, dass sowohl Wachstumsphase als auch Medium der Hefen Einfluss auf deren Zellwand hat und somit auch auf die Wirkung des Enzyms.rn

Entwicklung und Evaluierung von Methoden zur zeitnahen Identifizierung weinrelevanter Mikroorganismen

Hefen der Gattung Saccharomyces und Milchsäurebakterien sind bei der Weinbereitung von besonderer Bedeutung. Neben der alkoholischen Gärung sind Hefen an der Ausbildung von Aromastoffen beteiligt. Milchsäurebakterien spielen eine Rolle beim biologischen Säureabbau (malolaktische Fermentation), können jedoch aufgrund ihrer Stoffwechseleigenschaft weitere Aromamodifikationen bewirken. Die Zusammensetzung der mikrobiellen Flora zu verschiedenen Zeitpunkten der Weinbereitung hat einen direkten Einfluss auf die Qualität der Weine, welche sich sowohl positiv als auch negativ verändern kann. Daher ist die zuverlässige Identifizierung und Differenzierung verschiedener Mikroorganismen auf Art- aber auch Stamm-Ebene während der Vinifikation von Bedeutung.rnDer erste Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit der Differenzierung von Hefearten der Gattung Saccharomyces, welche mit Hilfe konventioneller Methoden nicht eindeutig identifiziert werden können. Unter Verwendung des DNA-Fingerprintverfahrens Specifically Amplified Polymorphic DNA (SAPD)-PCR sowie der Matrix-Assisted-Laser-Desorption/Ionization-Time-Of-Flight-Mass-Spectrometry (MALDI-TOF-MS) war eine Differenzierung dieser taxonomisch sehr nah verwandten Arten möglich. Weiterhin konnten interspezifische Hybridstämme detektiert werden. In diesem Zusammenhang wurde der Hybridcharakter des Stammes NCYC 3739 (S. cerevisiae x kudriavzevii) entdeckt. Um die Elternspezies eines Hybridstamms zuverlässig zu bestimmen, sind weiterführende Genanalysen notwendig. Hierzu konnte eine Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus (RFLP)-Analyse verschiedener genetischer Marker erfolgreich herangezogen werden.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde weiterhin ein Schnellidentifizierungssystem zum Nachweis weinrelevanter Milchsäurebakterien entwickelt. Mit Hilfe der Sequence Characterized Amplified Region (SCAR)-Technik konnten artspezifische Primer generiert werden, welche auf der Grundlage charakteristischer Fragmente der SAPD-PCR abgeleitet wurden. Durch die Anwendung dieser Primer in einer Multiplex-PCR-Reaktion war die Detektion verschiedener, einerseits häufig in Wein vorkommender und andererseits potentiell an der Ausbildung von Weinfehlern beteiligter Milchsäurebakterien-Arten möglich. Die ermittelte Nachweisgrenze dieser Methode lag mit 10^4 - 10^5 Zellen/ml im Bereich der Zelltiter, die in Most und Wein anzutreffen sind. Anhand der Untersuchung verschiedener Weinproben von Winzern in Rheinhessen wurde die Praxistauglichkeit dieser Methode demonstriert. rnUm die gesamten Milchsäurebakterien-Population im Verlauf der Weinbereitung zu kontrollieren, kann die Denaturierende Gradienten-Gelelektrophorese herangezogen werden. Hierzu wurden in dieser Arbeit Primer zur Amplifikation eines Teilbereichs des rpoB-Gens abgeleitet, da dieses Gen eine Alternative zur 16S rDNA darstellt. Die DNA-Region erwies sich als geeignet, um zahlreiche weinrelevante Milchsäurebakterien-Arten zu differenzieren. In einigen ersten Versuchen konnte gezeigt werden, dass diese Methode für eine praktische Anwendung in Frage kommt.rnOenococcus oeni ist das wichtigste Milchsäurebakterien während der malolaktischen Fermentation und wird häufig in Form kommerzieller Starterkulturen eingesetzt. Da verschiedene Stämme unterschiedliche Eigenschaften aufweisen können, ist es von Bedeutung, die Identität eines bestimmten Stammes zweifelsfrei feststellen zu können. Anhand der Analyse verschiedener O. oeni-Stämme aus unterschiedlichen Weinbaugebieten konnte gezeigt werden, dass sowohl die nested SAPD-PCR als auch die MALDI-TOF-MS genügend Sensitivität aufweisen, um eine Unterscheidung auf Stamm-Ebene zu ermöglichen, wobei die mittels nSAPD-PCR ermittelten Distanzen der Stämme zueinander mit deren geographischer Herkunft korrelierte.rnDie in der vorliegenden Arbeit entwickelten Methoden können dazu beitragen, den Prozess der Weinherstellung besser zu kontrollieren und so eine hohe Qualität des Endproduktes zu gewährleisten.rn

Bedeutung von allelen Varianten des Hexose-Transporters Hxt3p und der Hexokinasen Hxk1p und Hxk2p für Aufnahme und Verwertung von Glucose und Fructose durch Weinhefen

In Hinsicht darauf, dass sich S. cerevisiae-Stämme im Laufe der Domestizierung und Anpassung an verschiedene Habitate genetisch verändert haben, wurde in dieser Arbeit eine repräsentative Auswahl von Labor-, kommerziellen und in der Natur vorkommenden Saccharomyces-Stämmen und ihren Interspezies-Hybriden auf die Verbreitung alleler Varianten der Hexokinase-Gene HXK1 und HXK2 getestet. Von den Hexose-Transportern stand Hxt3p im Mittelpunkt, da seine essentielle Rolle bei der Vergärung von Glucose und Fructose bereits belegt wurde.rnIn dieser Arbeit wurde gezeigt, dass es bedeutende Unterschiede in der Vergärung von Glucose und Fructose zwischen Weinhefen der Gattung Saccharomyces gibt, die z.T. mit Struktur-Varianten des Hexose-Transporter Hxt3p korrelieren. rnInsgesamt 51 Hefestämme wurden auf ihre allele Variante des HXT3-Gens untersucht. Dabei haben sich drei Hauptgruppen (die Fermichamp®-Typ Gruppe, Bierhefen und Hybrid-Stämme) mit unterschiedlichem HXT3-Allel ergeben. Im Zusammenhang mit der Weinherstellung wurden signifikante Nukleotid-Substitutionen innerhalb des HXT3-Gens der robusten S. cerevisiae-Stämme (wie z.B. Sekthefen, kommerzielle Starterkulturen) und Hybrid-Stämmen festgestellt. Diese Hefen zeichneten sich durch die Fähigkeit aus, den Most trotz stressigen Umwelt-Bedingungen (wie hohe Ethanol-Konzentration, reduzierter Ammonium-Gehalt, ungünstiges Glucose:Fructose-Verhältnis) zu vergären. rnDie Experimente deuten darauf hin, dass die HXT3-Allel-Variante des als Starterkultur verwendbaren Stammes Fermichamp®, für den verstärkten Fructose-Abbau verantwortlich ist. Ein gleiches Verhalten der Stämme mit dieser Allel-Variante wurde ebenfalls beobachtet. Getestet wurden die S. cerevisiae-Stämme Fermichamp® und 54.41, die bezüglich Hxt3p-Aminosäuresequenz gleich sind, gegenüber zwei S. cerevisiae-Stämmen mit dem HXT3-Standard-Alleltyp Fermivin® und 33. Der Unterschied in der Hexose-Verwertung zwischen Stämmen mit Fermichamp®- und Standard-Alleltyp war in der Mitte des Gärverlaufs am deutlichsten zu beobachten. Beide Gruppen, sowohl mit HXT3 Fermichamp®- als auch Fermivin®-Alleltyp vergoren die Glucose schneller als die Fructose. Der Unterschied aber zwischen diesen HXT3-Alleltypen bei der Zucker-Verwertung lag darin, dass der Fermichamp®-Typ eine kleinere Differenz in der Abbau-Geschwindigkeit der beiden Hexosen zeigte als der Fermivin®-Typ. Die Zuckeraufnahme-Messungen haben die relativ gute Fructose-Aufnahme dieser Stämme bestätigt.rnEbenfalls korrelierte der fructophile Charakter des Triple-Hybrides S. cerevisiae x S. kudriavzevii x S. bayanus-Stamm HL78 in Transportexperimenten mit verstärkter Aufnahme von Fructose im Vergleich zu Glucose. Insgesamt zeigte dieser Stamm ähnliches Verhalten wie die S. cerevisiae-Stämme Fermichamp® und 54.41. rnIn dieser Arbeit wurde ein Struktur-Modell des Hexose-Transporters Hxt3p erstellt. Als Basis diente die zu 30 % homologe Struktur des Proton/Xylose-Symporters XylE aus Escherichia coli. Anhand des Hxt3p-Modells konnten Sequenzbereiche mit hoher Variabilität (Hotspots) in drei Hxt3p-Isoformen der Hauptgruppen (die Fermichamp®-Typ Gruppe, Bierhefen und Hybrid-Stämme) detektiert werden. Diese signifikanten Aminosäure-Substitutionen, die eine mögliche Veränderung der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Carriers mit sich bringen, konzentrieren sich auf drei Bereiche. Dazu gehören die Region zwischen den N- und C-terminalen Domänen, die cytosolische Domäne und der Outside-Loop zwischen Transmembranregion 9 und Transmembranregion 10. rnObwohl die Transportmessungen keinen Zusammenhang zwischen Stämmen mit unterschiedlichen HXT3-Allelen und ihrer Toleranz gegenüber Ethanol ergaben, wurde ein signifikanter Anstieg in der Zuckeraufnahme nach vorheriger 24-stündiger Inkubation mit 4 Vol% Ethanol bei den Teststämmen beobachtet. rnInsgesamt könnten allele Varianten von HXT3-Gen ein nützliches Kriterium bei der Suche nach robusten Hefen für die Weinherstellung oder für andere industrielle Anwendungen sein. Die Auswirkung dieser Modifikationen auf die Struktur und Effizienz des Hexose-Transporters, sowie der mögliche Zusammenhang mit Ethanol-Resistenz müssen weiter ausführlich untersucht werden. rnEin Zusammenhang zwischen den niedrig variablen Allel-Varianten der Hexokinase-Gene HXK1 und HXK2 und dem Zucker-Metabolismus wurde nicht gefunden. Die Hexokinasen der untersuchten Stämme wiesen allerdings generell eine signifikante geringere Affinität zu Fructose im Vergleich zu Glucose auf. Hier liegt sicherlich eine Hauptursache für den Anstieg des Fructose:Glucose-Verhältnisses im Laufe der Vergärung von Traubenmosten.rn

Complessi tetrazolici di Re(I): design e preparazione di una nuova classe di probes luminescenti

In this experimental work we report the design, the synthesis and characterization of a new class of Re(I) complexes of the general formula fac-[Re(CO)3(N^N)(2-QTZ)], where N^N = 2,2’ bipyridine or 1,10 phenantroline, whereas 2-QTZ is the anion 2-quinolyl-tetrazolate. The complexes and, in particular, the tetrazolate ligand 2-QTZ were designed in order to investigate their specific interaction with biologically and toxicologically relevant metal ions, as Zn(II), Cd(II) e Cu(II). The addition of such ions led to substantial variations of the photophysical properties of these complexes, suggesting their application as luminescent sensors. The photophysical performance of the complexes proved to remain unchanged inside cellular substrates, as Yarrowia Lipolytica cultures. Within these yeasts, the complexes show unchanged ability to perform luminescent sensing towards Zn(II) and Cd(II) ions.

Metallic copper as an antimicrobial surface

Bacteria, yeasts, and viruses are rapidly killed on metallic copper surfaces, and the term "contact killing" has been coined for this process. While the phenomenon was already known in ancient times, it is currently receiving renewed attention. This is due to the potential use of copper as an antibacterial material in health care settings. Contact killing was observed to take place at a rate of at least 7 to 8 logs per hour, and no live microorganisms were generally recovered from copper surfaces after prolonged incubation. The antimicrobial activity of copper and copper alloys is now well established, and copper has recently been registered at the U.S. Environmental Protection Agency as the first solid antimicrobial material. In several clinical studies, copper has been evaluated for use on touch surfaces, such as door handles, bathroom fixtures, or bed rails, in attempts to curb nosocomial infections. In connection to these new applications of copper, it is important to understand the mechanism of contact killing since it may bear on central issues, such as the possibility of the emergence and spread of resistant organisms, cleaning procedures, and questions of material and object engineering. Recent work has shed light on mechanistic aspects of contact killing. These findings will be reviewed here and juxtaposed with the toxicity mechanisms of ionic copper. The merit of copper as a hygienic material in hospitals and related settings will also be discussed.

Effects of potentised substances on growth kinetics of Saccharomyces cerevisiae and Schizosaccharomyces pombe

BACKGROUND: Homeopathic potencies are used as specific remedies in complementary medicine. Since the mode of action is unknown, the presumed specificity is discussed controversially. OBJECTIVE: This study investigated the effects of potentised substances on two yeast species, Saccharomyces cerevisiae and Schizosaccharomyces pombe, in a stable and reliable test system with systematic negative controls. MATERIALS AND METHODS: Yeast cells were cultivated in either potentised substances or water controls in microplates and their growth kinetics were measured photometrically. Water control runs were performed repeatedly to investigate the stability of the experimental set-up (systematic negative controls). RESULTS: 4 out of 14 screened substances seem to have affected the growth curve parameters slope or yield. Out of these substances, azoxystrobin and phosphorus were chosen for 8 further replication experiments, which partly confirmed the results of the screening. On the average of all experiments, azoxystrobin affected the slope of the growth curve of Saccharomyces cerevisiae (p < 0.05), and phosphorus affected the slope of the growth curve of Schizosaccharomyces pombe (p < 0.05). No effects were seen in the water control runs. In addition, significant interactions between treatment with potentised substances and experiment number were observed in all experiments with potentised substances (p < 0.01), but not in the water control runs. CONCLUSIONS: Both yeast species reacted to certain potentised substances by changing their growth kinetics. However, the interactions found point to additional factors of still unknown nature, that modulate the effects of potentised substances. This stable test system with yeasts may be suitable for further studies regarding the efficacy of homeopathic potencies.

Transplantation of yeast-infected cardiac allografts: a report of 2 cases

For the first time in the literature to date, we report 2 cases of transplantation of yeast-infected cardiac allografts. In both cases, endocardial vegetations were observed before graft implantation. Microbiologic samples grew yeasts: Rhodotorula glutinis was found close to the left atrial appendage in the first case and Candida parapsilosis was identified in a vegetation located at the base of the tricuspid valve in the second case. We discuss the possible routes of donor organ infection and management of these 2 unusual cases.

Ethanol Production from Hardboard Manufacturing Process Wastewater: Methods for Improving Product Yields from Hemicellulose Hydrolysates

Waste effluents from the forest products industry are sources of lignocellulosic biomass that can be converted to ethanol by yeast after pretreatment. However, the challenge of improving ethanol yields from a mixed pentose and hexose fermentation of a potentially inhibitory hydrolysate still remains. Hardboard manufacturing process wastewater (HPW) was evaluated at a potential feedstream for lignocellulosic ethanol production by native xylose-fermenting yeast. After screening of xylose-fermenting yeasts, Scheffersomyces stipitis CBS 6054 was selected as the ideal organism for conversion of the HPW hydrolysate material. The individual and synergistic effects of inhibitory compounds present in the hydrolysate were evaluated using response surface methodology. It was concluded that organic acids have an additive negative effect on fermentations. Fermentation conditions were also optimized in terms of aeration and pH. Methods for improving productivity and achieving higher ethanol yields were investigated. Adaptation to the conditions present in the hydrolysate through repeated cell sub-culturing was used. The objectives of this present study were to adapt S. stipitis CBS6054 to a dilute-acid pretreated lignocellulosic containing waste stream; compare the physiological, metabolic, and proteomic profiles of the adapted strain to its parent; quantify changes in protein expression/regulation, metabolite abundance, and enzyme activity; and determine the biochemical and molecular mechanism of adaptation. The adapted culture showed improvement in both substrate utilization and ethanol yields compared to the unadapted parent strain. The adapted strain also represented a growth phenotype compared to its unadapted parent based on its physiological and proteomic profiles. Several potential targets that could be responsible for strain improvement were identified. These targets could have implications for metabolic engineering of strains for improved ethanol production from lignocellulosic feedstocks. Although this work focuses specifically on the conversion of HPW to ethanol, the methods developed can be used for any feedstock/product systems that employ a microbial conversion step. The benefit of this research is that the organisms will the optimized for a company's specific system.

Low Mannan-binding lectin serum levels are associated with complicated Crohn's disease and reactivity to oligomannan (ASCA)

OBJECTIVES: Mannan-binding lectin (MBL) acts as a pattern-recognition molecule directed against oligomannan, which is part of the cell wall of yeasts and various bacteria. We have previously shown an association between MBL deficiency and anti-Saccharomyces cerevisiae mannan antibody (ASCA) positivity. This study aims at evaluating whether MBL deficiency is associated with distinct Crohn's disease (CD) phenotypes. METHODS: Serum concentrations of MBL and ASCA were measured using ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay) in 427 patients with CD, 70 with ulcerative colitis, and 76 healthy controls. CD phenotypes were grouped according to the Montreal Classification as follows: non-stricturing, non-penetrating (B1, n=182), stricturing (B2, n=113), penetrating (B3, n=67), and perianal disease (p, n=65). MBL was classified as deficient (<100 ng/ml), low (100-500 ng/ml), and normal (500 ng/ml). RESULTS: Mean MBL was lower in B2 and B3 CD patients (1,503+/-1,358 ng/ml) compared with that in B1 phenotypes (1,909+/-1,392 ng/ml, P=0.013). B2 and B3 patients more frequently had low or deficient MBL and ASCA positivity compared with B1 patients (P=0.004 and P<0.001). Mean MBL was lower in ASCA-positive CD patients (1,562+/-1,319 ng/ml) compared with that in ASCA-negative CD patients (1,871+/-1,320 ng/ml, P=0.038). In multivariate logistic regression modeling, low or deficient MBL was associated significantly with B1 (negative association), complicated disease (B2+B3), and ASCA. MBL levels did not correlate with disease duration. CONCLUSIONS: Low or deficient MBL serum levels are significantly associated with complicated (stricturing and penetrating) CD phenotypes but are negatively associated with the non-stricturing, non-penetrating group. Furthermore, CD patients with low or deficient MBL are significantly more often ASCA positive, possibly reflecting delayed clearance of oligomannan-containing microorganisms by the innate immune system in the absence of MBL.

A mutation in the human ortholog of the Saccharomyces cerevisiae ALG6 gene causes carbohydrate-deficient glycoprotein syndrome type-Ic

Carbohydrate-deficient glycoprotein syndrome (CDGS) represents a class of genetic diseases characterized by abnormal N-linked glycosylation. CDGS patients show a large number of glycoprotein abnormalities resulting in dysmorphy, encephalopathy, and other organ disorders. The majority of CDGSs described to date are related to an impaired biosynthesis of dolichyl pyrophosphate-linked Glc3Man9GlcNAc2 in the endoplasmic reticulum. Recently, we identified in four related patients a novel type of CDGS characterized by an accumulation of dolichyl pyrophosphate-linked Man9GlcNAc2. Elaborating on the analogy of this finding with the phenotype of alg5 and alg6 Saccharomyces cerevisiae strains, we have cloned and analyzed the human orthologs to the ALG5 dolichyl phosphate glucosyltransferase and ALG6 dolichyl pyrophosphate Man9GlcNAc2 alpha1,3-glucosyltransferase in four novel CDGS patients. Although ALG5 was not altered in the patients, a C-->T transition was detected in ALG6 cDNA of all four CDGS patients. The mutation cosegregated with the disease in a Mendelian recessive manner. Expression of the human ALG5 and ALG6 cDNA could partially complement the respective S. cerevisiae alg5 and alg6 deficiency. By contrast, the mutant ALG6 cDNA of CDGS patients failed to revert the hypoglycosylation observed in alg6 yeasts, thereby proving a functional relationship between the alanine to valine substitution introduced by the C-->T transition and the CDGS phenotype. The mutation in the ALG6 alpha1,3-glucosyltransferase gene defines an additional type of CDGS, which we propose to refer to as CDGS type-Ic.

Evaluation of PCR electrospray-ionization mass spectrometry for rapid molecular diagnosis of bovine mastitis

Bovine mastitis, an inflammatory disease of the mammary gland, is one of the most costly diseases affecting the dairy industry. The treatment and prevention of this disease is linked heavily to the use of antibiotics in agriculture and early detection of the primary pathogen is essential to control the disease. Milk samples (n=67) from cows suffering from mastitis were analyzed for the presence of pathogens using PCR electrospray-ionization mass spectrometry (PCR/ESI-MS) and were compared with standard culture diagnostic methods. Concurrent identification of the primary mastitis pathogens was obtained for 64% of the tested milk samples, whereas divergent results were obtained for 27% of the samples. The PCR/ESI-MS failed to identify some of the primary pathogens in 18% of the samples, but identified other pathogens as well as microorganisms in samples that were negative by culture. The PCR/ESI-MS identified bacteria to the species level as well as yeasts and molds in samples that contained a mixed bacterial culture (9%). The sensitivity of the PCR/ESI-MS for the most common pathogens ranged from 57.1 to 100% and the specificity ranged from 69.8 to 100% using culture as gold standard. The PCR/ESI-MS also revealed the presence of the methicillin-resistant gene mecA in 16.2% of the milk samples, which correlated with the simultaneous detection of staphylococci including Staphylococcus aureus. We demonstrated that PCR/ESI-MS, a more rapid diagnostic platform compared with bacterial culture, has the significant potential to serve as an important screening method in the diagnosis of bovine clinical mastitis and has the capacity to be used in infection control programs for both subclinical and clinical disease.

Pathology of sarcoptic mange in red foxes (Vulpes vulpes): macroscopic and histologic characterization of three disease stages

Sarcoptic mange is a highly contagious skin disease that can have a devastating impact on affected wild mammal populations. There are notable variations in the clinical and pathologic picture of sarcoptic mange among species and among conspecifics. However, the origin of these variations is unclear. We propose a classification scheme for skin lesions associated with Sarcoptes scabiei infestation to provide a basis for a subsequent risk factor analysis. We conducted a case-control study focused on macroscopic and histologic examination of the skin, using 279 red foxes (Vulpes vulpes) found dead or shot in Switzerland between November 2004 and February 2006. All animals were submitted to gross necropsy following a detailed protocol. Selection criteria for cases (n=147) vs. controls (n=111) were the presence or absence of mange-like lesions, mite detection by isolation or histologic examination, and serologic testing for S. scabiei antibodies. Characteristic features of mange lesions were scored macroscopically in all foxes and histologically in 67 cases and 15 controls. We classified skin lesions and associated necropsy findings into three types of mange: A) early stage (n=45): focal-extensive skin lesions, thin crusts, mild to moderate alopecia, few mites, numerous eosinophils, and mild lymph node enlargement; B) hyperkeratotic, fatal form (n=86): generalized skin lesions, thick crusts with or without alopecia, foul odor, abundance of mites, numerous bacteria and yeasts, numerous lymphocytes and mast cells, severe lymph node enlargement, and emaciation; C) alopecic, healing form (n=16): focal lesions, no crusts, severe alopecia, hyperpigmentation and lichenification, absence of mites, mixed cell infiltration, and rare mild lymph node enlargement. We hypothesize that after stage A, the animal either enters stage B and dies, or stage C and survives, depending on largely unknown extrinsic or intrinsic factors affecting the host ability to control mite infestation.

Transcript levels of AtMRPs after cadmium treatment: induction of AtMRP3

In yeasts, the ABC-type transporters are involved in vacuolar sequestration of cadmium. In plants, transport experiments with isolated vacuoles indicate that this is also true. In order to know more about the response of AtMRPs, a subclass of Arabidopsis ABC transporters, to cadmium, their expression pattern was analysed using the microchip technology and semi-quantitative reverse transcriptase-polymerase chain reaction. From 15 putative sequences coding for AtMRPs, transcript levels were detected for 14. All were expressed in the roots as well as in the shoots, although at a different level. In 4-week-old Arabidopsis, transcript levels of four AtMRPs were up-regulated after cadmium treatment. In all cases up-regulation was exclusively observed in the roots. The increase of transcript levels was most pronounced for AtMRP3. A more detailed analysis revealed that induction of AtMRP3 could also be observed in the shoot when leaves were cut and cadmium allowed to be taken up in the shoot. In young plantlets, a far higher portion of Cd2+ was translocated in the aerial part compared with adult plants. Consequently, AtMRP3 transcript levels increased in both root and shoot of young plants. This suggests that 7-day-old seedlings do not exhibit such a strict root–shoot barrier as 4-week-old plants. Expression analysis with mutant plants for glutathione and phytochelatin synthesis as well as with compounds producing oxidative stress indicate that induction of AtMRP3 is likely due to the heavy metal itself.