Afipia felis induces uptake by macrophages directly into a nonendocytic compartment

Afipia felis is a Gram-negative bacterium that causes some cases of human Cat Scratch Disease. A. felis can survive and multiply in several mammalian cell types, including macrophages, but the precise intracellular compartmentalization of A. felis-containing phagosomes is unknown. Here, we demonstrate that, in murine macrophages, most A. felis-containing phagosomes exclude lysosomal tracer loaded into macrophage lysosomes before, as well as endocytic tracer loaded after, establishment of an infection. Established Afipia-containing phagosomes possess neither early endosomal marker proteins [early endosome antigen 1 (EEA1), Rab5, transferrin receptor, trytophane aspartate containing coat protein (TACO)] nor late endosomal or lysosomal proteins [cathepsin D, β-glucuronidase, vacuolar proton-pumping ATPase, rab7, mannose-6-phosphate receptor, vesicle-associated membrane protein 8, lysosome-associated membrane proteins LAMP-1 and LAMP-2]. Those bacteria that will be found in a nonendosomal compartment enter the macrophage via an EEA1-negative compartment, which remains negative for LAMP-1. The smaller subpopulation of afipiae whose phagosomes will be part of the endocytic system enters into an EEA1-positive compartment, which also subsequently acquires LAMP-1. Killing of Afipia or opsonization with immune antibodies leads to a strong increase in the percentage of A. felis-containing phagosomes that interact with the endocytic system. We conclude that most phagosomes containing A. felis are disconnected from the endosome–lysosome continuum, that their unusual compartmentalization is decided at uptake, and that this compartmentalization requires bacterial viability.

A minimal gene set for cellular life derived by comparison of complete bacterial genomes.

The recently sequenced genome of the parasitic bacterium Mycoplasma genitalium contains only 468 identified protein-coding genes that have been dubbed a minimal gene complement [Fraser, C.M., Gocayne, J.D., White, O., Adams, M.D., Clayton, R.A., et al. (1995) Science 270, 397-403]. Although the M. genitalium gene complement is indeed the smallest among known cellular life forms, there is no evidence that it is the minimal self-sufficient gene set. To derive such a set, we compared the 468 predicted M. genitalium protein sequences with the 1703 protein sequences encoded by the other completely sequenced small bacterial genome, that of Haemophilus influenzae. M. genitalium and H. influenzae belong to two ancient bacterial lineages, i.e., Gram-positive and Gram-negative bacteria, respectively. Therefore, the genes that are conserved in these two bacteria are almost certainly essential for cellular function. It is this category of genes that is most likely to approximate the minimal gene set. We found that 240 M. genitalium genes have orthologs among the genes of H. influenzae. This collection of genes falls short of comprising the minimal set as some enzymes responsible for intermediate steps in essential pathways are missing. The apparent reason for this is the phenomenon that we call nonorthologous gene displacement when the same function is fulfilled by nonorthologous proteins in two organisms. We identified 22 nonorthologous displacements and supplemented the set of orthologs with the respective M. genitalium genes. After examining the resulting list of 262 genes for possible functional redundancy and for the presence of apparently parasite-specific genes, 6 genes were removed. We suggest that the remaining 256 genes are close to the minimal gene set that is necessary and sufficient to sustain the existence of a modern-type cell. Most of the proteins encoded by the genes from the minimal set have eukaryotic or archaeal homologs but seven key proteins of DNA replication do not. We speculate that the last common ancestor of the three primary kingdoms had an RNA genome. Possibilities are explored to further reduce the minimal set to model a primitive cell that might have existed at a very early stage of life evolution.

A common evolutionary origin for mitochondria and hydrogenosomes.

Trichomonads are among the earliest eukaryotes to diverge from the main line of eukaryotic descent. Keeping with their ancient nature, these facultative anaerobic protists lack two "hallmark" organelles found in most eukaryotes: mitochondria and peroxisomes. Trichomonads do, however, contain an unusual organelle involved in carbohydrate metabolism called the hydrogenosome. Like mitochondria, hydrogenosomes are double-membrane bounded organelles that produce ATP using pyruvate as the primary substrate. Hydrogenosomes are, however, markedly different from mitochondria as they lack DNA, cytochromes and the citric acid cycle. Instead, they contain enzymes typically found in anaerobic bacteria and are capable of producing molecular hydrogen. We show here that hydrogenosomes contain heat shock proteins, Hsp70, Hsp60, and Hsp10, with signature sequences that are conserved only in mitochondrial and alpha-Gram-negative purple bacterial Hsps. Biochemical analysis of hydrogenosomal Hsp60 shows that the mature protein isolated from the organelle lacks a short, N-terminal sequence, similar to that observed for most nuclear-encoded mitochondrial matrix proteins. Moreover, phylogenetic analyses of hydrogenosomal Hsp70, Hsp60, and Hsp10 show that these proteins branch within a monophyletic group composed exclusively of mitochondrial homologues. These data establish that mitochondria and hydrogenosomes have a common eubacterial ancestor and imply that the earliest-branching eukaryotes contained the endosymbiont that gave rise to mitochondria in higher eukaryotes.

Type 1 fimbrial expression enhances Escherichia coli virulence for the urinary tract.

Type 1 fimbriae are adhesion organelles expressed by many Gram-negative bacteria. They facilitate adherence to mucosal surfaces and inflammatory cells in vitro, but their contribution to virulence has not been defined. This study presents evidence that type 1 fimbriae increase the virulence of Escherichia coli for the urinary tract by promoting bacterial persistence and enhancing the inflammatory response to infection. In a clinical study, we observed that disease severity was greater in children infected with E. coli O1:K1:H7 isolates expressing type 1 fimbriae than in those infected with type 1 negative isolates of the same serotype. The E. coli O1:K1:H7 isolates had the same electrophoretic type, were hemolysin-negative, expressed P fimbriae, and carried the fim DNA sequences. When tested in a mouse urinary tract infection model, the type 1-positive E. coli O1:K1:H7 isolates survived in higher numbers, and induced a greater neutrophil influx into the urine, than O1:K1:H7 type 1-negative isolates. To confirm a role of type 1 fimbriae, a fimH null mutant (CN1016) was constructed from an O1:K1:H7 type 1-positive parent. E. coli CN1016 had reduced survival and inflammatogenicity in the mouse urinary tract infection model. E. coli CN1016 reconstituted with type 1 fimbriae (E. coli CN1018) had restored virulence similar to that of the wild-type parent strain. These results show that type 1 fimbriae in the genetic background of a uropathogenic strain contribute to the pathogenesis of E. coli in the urinary tract.

A chromosomal locus required for copper resistance, competitive fitness, and cytochrome c biogenesis in Pseudomonas fluorescens.

A chromosomal locus required for copper resistance and competitive fitness was cloned from a strain of Pseudomonas fluorescens isolated from copper-contaminated agricultural soil. Sequence analysis of this locus revealed six open reading frames with homology to genes involved in cytochrome c biogenesis in other bacteria, helC, cycJ, cycK, tipB, cycL, and cycH, with the closest similarity being to the aeg-46.5(yej) region of the Escherichia coli chromosome. The proposed functions of these genes in other bacteria include the binding, transport, and coupling of heme to apocytochrome c in the periplasm of these Gram-negative bacteria. Putative heme-binding motifs were present in the predicted products of cycK and cycL, and TipB contained a putative disulfide oxidoreductase active site proposed to maintain the heme-binding site of the apocytochrome in a reduced state for ligation of heme. Tn3-gus mutagenesis showed that expression of the genes was constitutive but enhanced by copper, and confirmed that the genes function both in copper resistance and production of active cytochrome c. However, two mutants in cycH were copper-sensitive and oxidase-positive, suggesting that the functions of these genes, rather than cytochrome c oxidase itself, were required for resistance to copper.

Functional expression of mouse Mdr1 in an outer membrane permeability mutant of Escherichia coli.

Functional expression of the multidrug resistance protein P-glycoprotein (P-gp) in Escherichia coli is providing an appropriate system for structure/function studies and might provide an invaluable tool to screen potential P-gp substrates and inhibitors. The major problem encountered in such studies, however, is the impermeability of the outer membrane of Gram-negative bacteria, which protects microorganisms against the cytotoxic effects of many lipophilic cancer drugs and blocks accessibility of P-gp reversal agents. In the present study we have constructed, by mutagenesis, a "leaky" (containing a permeable outer membrane) strain of E. coli, which is significantly more susceptible to the toxic effect of known P-gp substrates and cytotoxic agents. Expression of mouse Mdr1 in the mutant confers cross-resistance to daunomycin, quinidine, chloroquine, rhodamine 6G, and puromycin. Most importantly, reserpine and doxorubicin completely abolish Mdr1-mediated rhodamine resistance. The results provide strong support for previous observations, suggesting that Mdr1 can be expressed functionally in E. coli and indicate that the leaky mutant will be useful for further structure/function studies of the heterologously expressed eukaryotic drug efflux protein.

Copy-up mutants of the plasmid RK2 replication initiation protein are defective in coupling RK2 replication origins.

The broad host range plasmid RK2 replicates and regulates its copy number in a wide range of Gram-negative bacteria. The plasmid-encoded trans-acting replication protein TrfA and the origin of replication oriV are sufficient for controlled replication of the plasmid in all Gram-negative bacteria tested. The TrfA protein binds specifically to direct repeat sequences (iterons) at the origin of replication. A replication control model, designated handcuffing or coupling, has been proposed whereby the formation of coupled TrfA-oriV complexes between plasmid molecules results in hindrance of origin activity and, consequently, a shut-down of plasmid replication under conditions of higher than normal copy number. Therefore, according to this model, the coupling activity of an initiation protein is essential for copy number control and a copy-up initiation protein mutant should have reduced ability to form coupled complexes. To test this model for plasmid RK2, two previously characterized copy-up TrfA mutations, trfA-254D and trfA-267L, were combined and the resulting copy-up double mutant TFrfA protein TrfA-254D/267L was characterized. Despite initiating runaway (uncontrolled) replication in vivo, the copy-up double-mutant TrfA protein exhibited replication kinetics similar to the wild-type protein in vitro. Purified TrfA-254D, TrfA-267L, and TrfA-254D/267L proteins were then examined for binding to the iterons and for coupling activity using an in vitro ligase-catalyzed multimerization assay. It was found that both single and double TrfA mutant proteins exhibited substantially reduced (single mutants) or barely detectable (double mutant) levels of coupling activity while not being diminished in their capacity to bind to the origin of replication. These observations provide direct evidence in support of the coupling model of replication control.

Structure-activity analysis of thanatin, a 21-residue inducible insect defense peptide with sequence homology to frog skin antimicrobial peptides.

Immune challenge to the insect Podisus maculiventris induces synthesis of a 21-residue peptide with sequence homology to frog skin antimicrobial peptides of the brevinin family. The insect and frog peptides have in common a C-terminally located disulfide bridge delineating a cationic loop. The peptide is bactericidal and fungicidal, exhibiting the largest antimicrobial spectrum observed so far for an insect defense peptide. An all-D-enantiomer is nearly inactive against Gram-negative bacteria and some Gram-positive strains but is fully active against fungi and other Gram-positive bacteria, suggesting that more than one mechanism accounts for the antimicrobial activity of this peptide. Studies with truncated synthetic isoforms underline the role of the C-terminal loop and flanking residues for the activity of this molecule for which we propose the name thanatin.

Structure of the gene for porcine peptide antibiotic PR-39, a cathelin gene family member: comparative mapping of the locus for the human peptide antibiotic FALL-39.

PR-39 is a porcine 39-aa peptide antibiotic composed of 49% proline and 24% arginine, with an activity against Gram-negative bacteria comparable to that of tetracycline. In Escherichia coli, it inhibits DNA and protein synthesis. PR-39 was originally isolated from pig small intestine, but subsequent cDNA cloning showed that the gene is expressed in the bone marrow. The open reading frame of the clone showed that PR-39 is made as 173-aa precursor whose proregion belongs to the cathelin family. The PR39 gene, which is rather compact and spans only 1784 bp has now been sequenced. The coding information is split into four exons. The first exon contains the signal sequence of 29 residues and the first 37 residues of the cathelin propart. Exons 2 and 3 contain only cathelin information, while exon 4 codes for the four C-terminal cathelin residues and the mature PR-39 peptide extended by three residues. The sequenced upstream region (1183 bp) contains four potential recognition sites for NF-IL6 and three for APRF, transcription factors known to regulate genes for both cytokines and acute phase response factors. Genomic hybridizations revealed a fairly high level of restriction fragment length polymorphism and indicated that there are at least two copies of the PR39 gene in the pig genome. PR39 was mapped to pig chromosome 13 by linkage and in situ hybridization mapping. The gene for the human peptide antibiotic FALL-39 (also a member of the cathelin family) was mapped to human chromosome 3, which is homologous to pig chromosome 13.

Shigella flexneri surface protein IcsA is sufficient to direct actin-based motility.

Shigella flexneri is a Gram-negative bacterial pathogen that can grow directly in the cytoplasm of infected host cells and uses a form of actin-based motility for intra- and intercellular spread. Moving intracellular bacteria are associated with a polarized "comet tail" composed of actin filaments. IcsA, a 120-kDa outer membrane protein necessary for actin-based motility, is located at a single pole on the surface of the organism, at the junction with the actin tail. Here, we demonstrate that stable expression of IcsA on the surface of Escherichia coli is sufficient to allow actin-dependent movement of E. coli in cytoplasmic extracts, at rates comparable to the movement of S. flexneri in infected cells. Thus, IcsA is the sole Shigella-specific factor required for actin-based motility. Continuous protein synthesis and polarized distribution of the protein are not necessary for actin tail formation or movement. Listeria monocytogenes is an unrelated bacterial pathogen that exhibits similar actin-based intracytoplasmic motility. Actin filament dynamics in the comet tails associated with the two different organisms are essentially identical, which indicates that they have independently evolved mechanisms to interact with the same components of the host cytoskeleton.

Disparate responses to oxidative stress in saprophytic and pathogenic mycobacteria.

To persist in macrophages and in granulomatous caseous lesions, pathogenic mycobacteria must be equipped to withstand the action of toxic oxygen metabolites. In Gram-negative bacteria, the OxyR protein is a critical component of the oxidative stress response. OxyR is both a sensor of reactive oxygen species and a transcriptional activator, inducing expression of detoxifying enzymes such as catalase/hydroperoxidase and alkyl hydroperoxidase. We have characterized the responses of various mycobacteria to hydrogen peroxide both phenotypically and at the levels of gene and protein expression. Only the saprophytic Mycobacterium smegmatis induced a protective oxidative stress response analogous to the OxyR response of Gram-negative bacteria. Under similar conditions, the pathogenic mycobacteria exhibited a limited, nonprotective response, which in the case of Mycobacterium tuberculosis was restricted to induction of a single protein, KatG. We have also isolated DNA sequences homologous to oxyR and ahpC from M. tuberculosis and Mycobacterium avium. While the M. avium oxyR appears intact, the oxyR homologue of M. tuberculosis contains numerous deletions and frameshifts and is probably nonfunctional. Apparently the response of pathogenic mycobacteria to oxidative stress differs significantly from the inducible OxyR response of other bacteria.

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.

Novel microbicidal agents derived from Naja atra cardiotoxin 1 (CTX-1)

During my PhD course, I focused my research on antimicrobial peptides (AMPs), in particular on the aspects of their computational design and development. This work led to the development of a new family of AMPs that I designed, starting from the amino acid sequence of a snake venom toxin, the cardiotoxin 1 (CTX-1) of Naja atra. Naja atra atra cardiotoxin 1, produced by Chinese cobra snakes belonging to Elapidae family, is included in the three-finger toxin family and exerts high cytotoxicity and antimicrobial activity too. This toxin family is characterized by specific folding of three beta-sheet loops (“fingers”) extending from the central core and by four conserved disulfide bridges. Using as template the first loop of this toxin, different sequences of 20 amino acids linear cationic peptides have been designed in order to avoid toxic effects but to maintain and strengthen the antimicrobial activity. As a result, the sequence NCP-0 (Naja Cardiotoxin Peptide-0) was designed as ancestor and subsequently other 4 variant sequences of NCP0 were developed. These variant sequences have shown microbicidal activity towards a panel of reference strains of Gram-positive and Gram-negative bacteria, fungi and an enveloped virus. In particular, the sequence designed as NCP-3 (Naja Cardiotoxin Peptide-3) and its variants NCP-3a and NCP-3b have shown the best antimicrobial activity together with low cytotoxicity against eukaryotic cells and low hemolytic activity. Bactericidal activity has been demonstrated by minimum bactericidal concentration (MBC) assay at values below 10 μg/ml for Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853, Acinetobacter baumannii ( clinical isolates), Moraxella catharralis ATCC 25238, MRSA ATCC 43400, while towards Staphylococcus aureus ATCC 25923, Enterococcus hirae ATCC 10541 and Streptococcus agalactiae ATCC 13813 the bactericidal activity was demonstrated even below 1.6 μg/ml concentration. This potent antimicrobial activity was confirmed even for unicellular fungi Candida albicans, Candida glabrata and Malassezia pachydermatis (MBC 32.26-6.4 μg/ml), and also against the fast-growing mycobacteria Mycobacterium smegmatis DSMZ 43756 and Mycobacterium fortuitum DSMZ 46621 (MBC 100 μg/ml). Moreover, NCP-3 has shown a virucidal activity on the enveloped virus Bovine Herpesvirus 1 (BoHV1) belonging to herpesviridae family. The bactericidal activity is maintained in a high salt concentration (125 and 250 mM NaCl) medium and PB +20% Mueller Hinton Medium for E. coli, MRSA and Pseudomonas aeruginosa reference strains. Considering these in vitro obtained data, we propose NCP-3 and its variants NCP-3a and NCP-3b as promising antimicrobial candidates. For this reason, the whole novel AMPs family has been protected by a national patent (n°102015000015951).

Caracterização genotípica de Arcobacter spp. isolados de carnes de aves comercializadas no Município de São Paulo - SP

Arcobacter spp. é um micro-organismo Gram negativo que provoca diarreia aquosa e sepse em seres humanos. A. butzleri, A. cryaerophilus e A. skirrowii são espécies patogênicas para humanos. O objetivo deste estudo foi detectar a presença de Arcobacter spp. na carne de aves comercializadas em açougues na cidade de São Paulo, verificando os genes de virulência e o perfil genotípico. Um total de 300 cortes de carne de frango foram submetidos ao cultivo e isolamento sob condições aeróbicas, a 30°C por 72 horas. Colônias suspeitas de Arcobacter spp. foram selecionadas para a detecção molecular pela reacção em cadeia da polimerase (PCR), a fim de determinar as espécies e os genes de virulência. Os resultados revelaram a presença de Arcobacter spp. em 18.3% (55/300) de amostras de carne de aves, sendo identificado como A. butzleri 63,6% (35/55) e A. cryaerophilus 36,3% (20/55). Os genes de virulência pesquisados demonstraram positividade de 100% (55/55) para o ciaB e mviN, seguidos de cj1349 98,1% (54/55), pldA 94,4% (52/55), cadF 72,7% (40/55), tlyA 92,7% (51/55), hecA 49% (27/55), irgA 47,2% (26/55) e hecB 34,5% (19/55). Estas cepas foram submetidas ao AFLP gerando dois dendogramas. Foram identificados 19 perfis genotípicos para A. butzleri e 17 para A. cryaerophilus. Os resultados desta pesquisa apontam a presença de A. butzleri e A. cryaerophilus na fase final da distribuição de carne de frangos nos açougues. A falta de inocuidade dos alimentos de origem animal, bem como a presença de estirpes virulentas representam riscos de Saúde Pública, com especial atenção para a possibilidade de contaminação cruzada gerados por alimentos crus e utensílios de cozinha

Influência do LPS e do zinco na interação mãe e filhote

O comportamento materno consiste em um conjunto de mudanças comportamentais e fisiológicas, exercidas pelos indivíduos adultos em torno dos indivíduos reprodutivamente imaturos, garantindo sua sobrevivência e a propagação de sua espécie. A interação mãe e filhote é tida tipicamente como simbiótica. Os filhotes quando separados da mãe sinalizam para serem recolhidos através de dicas olfativas, visuais e da vocalização que representa uma forma de comunicação filhote e mãe. O modelo de febre clássico e amplamente empregado envolve a utilização do lipopolissacarídeo (LPS), principal componente da parede celular de bactérias Gram-Negativas. Além da febre, as infecções apresentam uma cadeia de respostas não especificas do hospedeiro que se sabe estarem envolvidos em muitas das funções vitais, incluindo a resposta imune estas incluem a hipozinquemia. Sendo assim, fêmeas virgens, gestantes e lactantes receberam LPS (100 µg/kg, i.p.) e foram tratadas com zinco (2 mg/kg, s.c.) O peso corporal, consumo de água, ração, e a temperatura corporal foram medidas por noventa e seis horas, duas horas após a administração do LPS. No quinto dia de lactação foram observados o comportamento maternal, a atividade geral em campo aberto e a vocalização ultrassônica nos filhotes. No dia do desmame os filhotes dessas fêmeas receberam um desafio com LPS (50 µg/kg, i.p.) e duas horas após a administração, foram observados a atividade geral em campo aberto, e o burst e fagocitose de neutrófilos. Observamos que: 1) Em ratas virgens, gestantes e lactantes, a exposição ao LPS e o tratamento com zinco modificou de forma específica a temperatura e peso corporal, consumo de água e ração e a atividade geral observadas em campo aberto; 2) No período de lactação, houve redução da latência para busca do primeiro filhote. Na prole das fêmeas lactantes verificou-se que: 3) Houve alteração no padrão de vocalização dos filhotes; 4) houve alteração na atividade geral observada em campo aberto e no burst e fagocitose de neutrófilos no vigésimo primeiro dia pós natal, após um desafio com a endotoxina, Assim, os resultados indicam que a administração de LPS e o tratamento com zinco têm seus efeitos modulados conforme o estágio fisiológico em que a fêmea se encontra, e interfere com a interação mãe/filhote, resultando em efeitos de curto e longo prazo sobre o comportamento dos filhotes. A partir deste trabalho, a possibilidade da exposição de mães à endotoxina bacteriana e da modulação de seus efeitos pelo zinco programar as respostas inflamatórias dos filhos torna-se factível