Synergism between UV-B radiation and a pathogen magnifies amphibian embryo mortality in nature.

Previous research has shown that amphibians have differential sensitivity to ultraviolet-B (UV-B) radiation. In some species, ambient levels of UV-B radiation cause embryonic mortality in nature. The detrimental effects of UV-B alone or with other agents may ultimately affect amphibians at the population level. Here, we experimentally demonstrate a synergistic effect between UV-B radiation and a pathogenic fungus in the field that increases the mortality of amphibian embryos compared with either factor alone. Studies investigating single factors for causes of amphibian egg mortality or population declines may not reveal the complex factors involved in declines.

Crystal structure of Pseudomonas aeruginosa catabolic ornithine transcarbamoylase at 3.0-A resolution: a different oligomeric organization in the transcarbamoylase family.

The crystal structure of the Glu-105-->Gly mutant of catabolic ornithine transcarbamoylase (OTCase; carbamoyl phosphate + L-ornithine = orthophosphate + L-citrulline, EC 2.1.3.3) from Pseudomonas aeruginosa has been determined at 3.0-A resolution. This mutant is blocked in the active R (relaxed) state. The structure was solved by the molecular replacement method, starting from a crude molecular model built from a trimer of the catalytic subunit of another transcarbamoylase, the extensively studied aspartate transcarbamoylase (ATCase) from Escherichia coli. This model was used to generate initial low-resolution phases at 8-A resolution, which were extended to 3-A by noncrystallographic symmetry averaging. Four phase extensions were required to obtain an electron density map of very high quality from which the final model was built. The structure, including 4020 residues, has been refined to 3-A, and the current crystallographic R value is 0.216. No solvent molecules have been added to the model. The catabolic OTCase is a dodecamer composed of four trimers organized in a tetrahedral manner. Each monomer is composed of two domains. The carbamoyl phosphate binding domain shows a strong structural homology with the equivalent ATCase part. In contrast, the other domain, mainly implicated in the binding of the second substrate (ornithine for OTCase and aspartate for ATCase) is poorly conserved. The quaternary structures of these two allosteric transcarbamoylases are quite divergent: the E. coli ATCase has pseudo-32 point-group symmetry, with six catalytic and six regulatory chains; the catabolic OTCase has 23 point-group symmetry and only catalytic chains. However, both enzymes display homotropic and heterotropic cooperativity.

The crystal structure of Pseudomonas aeruginosa exotoxin domain III with nicotinamide and AMP: conformational differences with the intact exotoxin.

Domain III of Pseudomonas aeruginosa exotoxin A catalyses the transfer of ADP-ribose from NAD to a modified histidine residue of elongation factor 2 in eukaryotic cells, thus inactivating elongation factor 2. This domain III is inactive in the intact toxin but is active in the isolated form. We report here the 2.5-A crystal structure of this isolated domain crystallized in the presence of NAD and compare it with the corresponding structure in the intact Pseudomonas aeruginosa exotoxin A. We observe a significant conformational difference in the active site region from Arg-458 to Asp-463. Contacts with part of domain II in the intact toxin prevent the adoption of the isolated domain conformation and provide a structural explanation for the observed inactivity. Additional electron density in the active site region corresponds to separate AMP and nicotinamide and indicates that the NAD has been hydrolyzed. The structure has been compared with the catalytic domain of the diphtheria toxin, which was crystallized with ApUp.

Multiple N-acyl-L-homoserine lactone signal molecules regulate production of virulence determinants and secondary metabolites in Pseudomonas aeruginosa.

Pseudomonas aeruginosa produces a spectrum of exoproducts many of which have been implicated in the pathogenesis of human infection. Expression of some of these factors requires cell-cell communication involving the interaction of a small diffusible molecule, an "autoinducer," with a positive transcriptional activator. In P. aeruginosa PAO1, LasI directs the synthesis of the autoinducer N-(3-oxododecanoyl)-L-homoserine lactone (OdDHL), which activates the positive transcriptional activator, LasR. Recently, we have discovered a second signaling molecule-based modulon in PAO1, termed vsm, which contains the genes vsmR and vsmI. Using HPLC, mass spectrometry, and NMR spectroscopy we now establish that in Escherichia coli, VsmI directs the synthesis of N-butanoyl-L-homoserine lactone (BHL) and N-hexanoyl-L-homoserine lactone (HHL). These compounds are present in the spent culture supernatants of P. aeruginosa in a molar ratio of approximately 15:1 and their structures were unequivocally confirmed by chemical synthesis. Addition of either BHL or HHL to PAN067, a pleiotropic P. aeruginosa mutant unable to synthesize either of these autoinducers, restored elastase, chitinase, and cyanide production. In E. coli carrying a vsmR/vsmI'::lux transcriptional fusion, BHL and HHL activated VsmR to a similar extent. Analogues of these N-acyl-L-homoserine lactones in which the N-acyl side chain has been extended and/or oxidized at the C-3 position exhibit substantially lower activity (e.g., OdDHL) or no activity (e.g., dDHL) in this lux reporter assay. These data indicate that multiple families of quorum sensing modulons interactively regulate gene expression in P. aeruginosa.

The algT (algU) gene of Pseudomonas aeruginosa, a key regulator involved in alginate biosynthesis, encodes an alternative sigma factor (sigma E).

Chronic infection by alginate-producing (mucoid) Pseudomonas aeruginosa is the leading cause of mortality among cystic fibrosis (CF) patients. During the course of sustained infection, the production of an alginate capsule protects the bacteria and allows them to persist in the CF lung. One of the key regulators of alginate synthesis is the algT (algU) gene encoding a putative alternative sigma factor (sigma E). AlgT was hyperproduced and purified from Escherichia coli. The N-terminal sequence of the purified protein matched perfectly with that predicted from the DNA sequence. The purified protein, in the presence of E. coli RNA polymerase core enzyme, was able to initiate transcription of an algT promoter. Deletion of the -35 region of this promoter abolished this activity in vitro as well as in vivo. These data indicate that the algT gene encodes a sigma factor that is autoregulatory.

Integration host factor suppresses promiscuous activation of the sigma 54-dependent promoter Pu of Pseudomonas putida.

In the presence of m-xylene, the Pu promoter of the TOL plasmid of Pseudomonas putida is activated by the prokaryotic enhancer-binding protein XylR. The intervening DNA segment between the upstream activating sequences (UASs) and those for RNA polymerase binding contains an integration host factor (IHF) attachment site that is required for full transcriptional activity. In the absence of IHF, the Pu promoter can be cross-activated by other members of the sigma 54-dependent family of regulatory proteins. Such illegitimate activation does not require the binding of the heterologous regulators to DNA and it is suppressed by bent DNA structures, either static or protein induced, between the promoter core elements (UAS and RNA polymerase recognition sequence). The role of IHF in some sigma 54 promoters is, therefore, not only a structural aid for assembling a correct promoter geometry but also that of an active suppressor (restrictor) of promiscuous activation by heterologous regulators for increased promoter specificity.

Molecular mechanisms of defense by rhizobacteria against root disease.

Genetic resistance in plants to root diseases is rare, and agriculture depends instead on practices such as crop rotation and soil fumigation to control these diseases. "Induced suppression" is a natural phenomenon whereby a soil due to microbiological changes converts from conducive to suppressive to a soilborne pathogen during prolonged monoculture of the susceptible host. Our studies have focused on the wheat root disease "take-all," caused by the fungus Gaeumannomyces graminis var. tritici, and the role of bacteria in the wheat rhizosphere (rhizobacteria) in a well-documented induced suppression (take-all decline) that occurs in response to the disease and continued monoculture of wheat. The results summarized herein show that antibiotic production plays a significant role in both plant defense by and ecological competence of rhizobacteria. Production of phenazine and phloroglucinol antibiotics, as examples, account for most of the natural defense provided by fluorescent Pseudomonas strains isolated from among the diversity of rhizobacteria associated with take-all decline. There appear to be at least three levels of regulation of genes for antibiotic biosynthesis: environmental sensing, global regulation that ties antibiotic production to cellular metabolism, and regulatory loci linked to genes for pathway enzymes. Plant defense by rhizobacteria producing antibiotics on roots and as cohabitants with pathogens in infected tissues is analogous to defense by the plant's production of phytoalexins, even to the extent that an enzyme of the same chalcone/stilbene synthase family used to produce phytoalexins is used to produce 2,4-diacetylphloroglucinol. The defense strategy favored by selection pressure imposed on plants by soilborne pathogens may well be the ability of plants to support and respond to rhizosphere microorganisms antagonistic to these pathogens.

Avaliação da qualidade microbiológica, contagem de Pseudomonas spp, e sua importância durante a obtenção e armazenamento de leite cru refrigerado no período de seca e chuva

Na propriedade rural, onde o leite cru refrigerado fica armazenado até a captação pelo caminhão tanque em coleta a granel, o mesmo é mantido a temperatura de refrigeração entre 1 a 4ºC por longos períodos (até 96 horas), os microrganismos psicrotróficos encontram condições favoráveis para sua multiplicação, produzindo enzimas proteolíticas e lipolíticas termotolerantes, podendo provocar alterações indesejáveis no leite e nos seus derivados. Quando estes microrganismos estão presentes em elevadas populações, pode ser indicativo de baixa qualidade do leite e insatisfatória condições sanitárias para o processamento. Devido a necessidade da melhora da qualidade dos produtos lácteos, objetivou-se a execução desta pesquisa realizando levantamentos sobre o cumprimento dos padrões microbiológicos exigidos pela atual legislação brasileira IN 62 (BRASIL, 2011), pesquisas sobre os microrganismos psicrotróficos, Pseudomonas spp. e produção de enzimas proteolítica e lipolítica por Pseudomonas spp. As coletas foram realizadas em 10 propriedades do Estado de São Paulo na Regional Agrícola do Escritório de Desenvolvimento Rural - EDR Limeira - SP, sendo, 5 propriedades com ordenha manual e 5 propriedades com ordenha mecânica, nos períodos de chuva e seca e em vários pontos durante a obtenção do leite cru refrigerado e também do leite com intervalo de 24 horas até a captação deste leite pelo caminhão. As médias das populações dos microrganismos mesófilos na ordenha manual, foi diferente estatisticamente significativo no leite recém ordenhado (1,52×106 UFC.mL-1) para o leite com 24 horas de armazenamento (2,67×107 UFC.mL-1) no período chuvoso, e na ordenha mecânica, o encontrado foi uma diferença estatisticamente significativa no leite recém ordenhado (3,87×106 UFC.mL-1) para o leite com 24 horas de armazenamento (9,82×108 UFC.mL-1) também no período chuvoso. Nas populações dos microrganismos psicrotróficos, suas médias diferiram estatisticamente na ordenha manual no período da chuva no leite recém ordenhado (1,48×104 UFC.mL-1) para o leite com 48 horas de armazenamento (1,49×105 UFC.mL-1) e na ordenha mecânica, o leite recém ordenhado (8,74×103 UFC.mL-1), com 24 horas de armazenamento (4,33×104 UFC.mL-1) não diferiram entre si e foram diferentes estatisticamente do leite com 48 horas de armazenamento (3,46×105 UFC.mL-1) apresentaram valor elevado, principalmente quando o leite cru refrigerado permanece por longos períodos de armazenamento na propriedade rural, que pode ser um sério fator de comprometimento pela produção de lipases ou proteases principalmente pelas Pseudomonas spp. onde em todos os pontos amostrados foram isolados este microrganismo produzindo enzimas (lipase e/ou protease). A maior porcentagem de atividade lipolítica foi verificada no período seco, já a maior porcentagem de atividade proteolítica foi verificada no período chuvoso. Contudo, deve-se intensificar as medidas de autocontrole para minimizar os efeitos dos microrganismos mesófilos e psicrotróficos sobre a qualidade do leite cru refrigerado e, consequentemente, de seus derivados.

Imobilização do fungo Penicillium citrinum CBMAI 1186 e lipase de Pseudomonas fluorescens em biopolímeros para aplicações em biocatálise

Diversos biomateriais podem ser aplicados como suportes na imobilização de células totais de fungos filamentosos ou enzimas isoladas, visando a manutenção e o prolongamento da atividade enzimática em processos biocatalíticos. Exemplos promissores de biomateriais são a fibroína da seda e o alginato de sódio. A fibroína é um material protéico com alta estabilidade térmica, elasticidade, resistência à tensão, não sofre ataque microbiano, baixo custo de purificação e alta tenacidade, o alginato é um biopolímero versátil, devido a suas propriedades gelificantes em soluções aquosas. Assim, neste trabalho empregou-se micélios do fungo derivado de ambiente marinho, Penicillium citrinum CBMAI 1186, livres e imobilizados em biopolímeros (fibra de algodão, fibra de fibroína da seda e fibra de paina) na biorredução quimiosseletiva, regiosseletiva e enantiosseletiva da ligação α,β-C=C de enonas α,β-, α,β,γ,δ- e di-α,β-insaturadas previamente sintetizados pela a reação de condensação aldólica. Foi possível a utilização do fungo P. citrinum CBMAI 1186 na redução quimiosseletiva, regiosseletiva e enantiosseletiva da ligação dupla carbono-carbono de sistemas α,β-insaturados. A imobilização do fungo P. citrinum CBMAI 1186 em biopolímeros (algodão, fibroína da seda, paina e quitosana) permitiu a prolongamento da atividade celular do fungo. O protocolo desenvolvido foi capaz de obter compostos até então descritos apenas por síntese clássica. Também foi realizado reações de resolução enzimática de derivados de haloidrinas por diferentes lipases microbianas de: Pseudomonas fluorescens, Candida cylindracea, Rhizopus niveus e Aspergillus niger. A lipase de P. fluorescens foi imobilizada em esferas de fibroína do bicho da seda (método 1, via adsorção) e em blenda com alginato de cálcio (método 2, via encapsulação) em diferentes condições, tais como, variação de solvente, variação da quantidade de enzima imobilizada e tempo de reação. As condições otimizadas foram empregadas em diferentes haloidrinas, rendendo elevados excessos enantioméricos (ee > 99%) e alta razão enanantiomérica (E > 200) para os produtos acetilados. Foi possível desenvolver um protocolo simples, barato e prático para a síntese enantiosseletiva de haloidrina reforçando a versatilidade da fibroína e do alginato como suportes de imobilização para catalisadores heterogêneos. Também foi possível utilizar a lipase imobilizada (método 2) na reação de transesterificação para obtenção do biodiesel etílico. As melhores condições para o bom funcionamento do biocatalisador foram: 30% do biocatalisador, 20% de n-hexano, relação óleo e etanol de 1:4 a 32 ºC por 48 h em agitação magnética (400 rpm). Essas condições permitiram a formação de 42% de rendimento do biodiesel etílico. O biocatalisador apresentou algumas limitações reacionais, tais como, fragilidade frente a elevadas temperaturas (> 32 ºC) e prolongado tempo de agitação magnética. Porém, permaneceu apto no meio por 4 ciclos consecutivas. Conclui-se que os biomateriais (fibroína, alginato e quitosana) podem ser utilizados como alternativas versáteis na imobilização de micélios de fungos filamentoso e de enzimas isoladas para aplicações em biocatalíticas.

Mapeamento global de interações proteicas nas vias de sinalização mediadas por c-di-GMP de Pseudomonas aeruginosa

A persistência bacteriana correlacionada à formação de biofilmes bacterianos é, há algum tempo, fonte de grande preocupação médica em virtude de sua ampla associação com a dificuldade de tratamento de infecções crônicas. Por outro lado, as perspectivas de utilização de biofilmes bacterianos em novas aplicações biotecnológicas e até mesmo para fins terapêuticos são promissoras. Há, portanto, grande interesse em compreender os mecanismos que levam as células bacterianas a deixar o estado planctônico, de vida livre, e associarem-se nesses conglomerados celulares altamente complexos. Ao longo das últimas décadas, o segundo mensageiro c-di-GMP – em conjunto com as moléculas que catalisam sua síntese (diguanilato ciclases) e sua degradação (fosfodiesterases) e seus receptores – estabeleceu-se como um elemento central de regulação de uma série de respostas celulares que determinam a formação ou a dispersão de biofilmes. Curiosamente, as proteínas que participam do metabolismo deste segundo mensageiro estão, frequentemente, codificadas múltiplas vezes em um mesmo genoma bacteriano. Em vista dessa observação, estudos mais recentes apontam que, para reger paralelamente uma variedade tão ampla de fenótipos, este sistema opera em modo de alta especificidade de sinalização e que, portanto, o sinal metabolizado por determinados conjuntos de diguanilato ciclases e fosfodiesterases tem alvos celulares específicos. Evidências robustas, porém isoladas até o momento, apontaram que um dos meios pelo qual ocorre a segregação entre sinal produzido e alvo específico é a interação direta entre as proteínas componentes das vias de sinalização. Mais, demonstrou-se que, em algumas vias, a transmissão de sinal ocorre exclusivamente via interação proteica, dispensando a intermediação do sinalizador em si. Para avaliar a validade e relevância global deste mecanismo, propôs-se, neste estudo, a investigação da rede total de interações entre as proteínas tipicamente associadas às vias de sinalização por c-di-GMP em Pseudomonas aeruginosa, utilizando ensaios de duplo-hibrido bacteriano. Para tanto, foram construídas duas bibliotecas de DNA direcionadas e foram feitos testes de interação de forma estratégica para possibilitar o esgotamento e averiguação de todas as possíveis interações entre as proteínas alvo identificadas. O resultado obtido, um mapa inicial, porém abrangente, da rede de interações proteicas em P. aeruginosa, indica uma grande probabilidade de que os mecanismos previamente descritos sejam realmente recorrentes e relevantes para o intermédio da sinalização nesse organismo. Algumas das interações mais robustas encontradas são bastante interessantes e serão, em estudos futuros, mais extensivamente estudadas.

Impacto da colonização por Pseudomonas aeruginosa na fibrose quística

Trabalho Final do Curso de Mestrado Integrado em Medicina, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2014

The Multiple Signaling Systems Regulating Virulence in Pseudomonas aeruginosa

Cell-to-cell communication is a major process that allows bacteria to sense and coordinately react to the fluctuating conditions of the surrounding environment. In several pathogens, this process triggers the production of virulence factors and/or a switch in bacterial lifestyle that is a major determining factor in the outcome and severity of the infection. Understanding how bacteria control these signaling systems is crucial to the development of novel antimicrobial agents capable of reducing virulence while allowing the immune system of the host to clear bacterial infection, an approach likely to reduce the selective pressures for development of resistance. We provide here an up-to-date overview of the molecular basis and physiological implications of cell-to-cell signaling systems in Gram-negative bacteria, focusing on the well-studied bacterium Pseudomonas aeruginosa. All of the known cell-to-cell signaling systems in this bacterium are described, from the most-studied systems, i.e., N-acyl homoserine lactones (AHLs), the 4-quinolones, the global activator of antibiotic and cyanide synthesis (GAC), the cyclic di-GMP (c-di-GMP) and cyclic AMP (cAMP) systems, and the alarmones guanosine tetraphosphate (ppGpp) and guanosine pentaphosphate (pppGpp), to less-well-studied signaling molecules, including diketopiperazines, fatty acids (diffusible signal factor [DSF]-like factors), pyoverdine, and pyocyanin. This overview clearly illustrates that bacterial communication is far more complex than initially thought and delivers a clear distinction between signals that are quorum sensing dependent and those relying on alternative factors for their production.