Fitness correlates with the extent of cheating in a bacterium.

There is growing awareness of the importance of cooperative behaviours in microbial communities. Empirical support for this insight comes from experiments using mutant strains, termed 'cheats', which exploit the cooperative behaviour of wild-type strains. However, little detailed work has gone into characterising the competitive dynamics of cooperative and cheating strains. We test three specific predictions about the fitness consequences of cheating to different extents by examining the production of the iron-scavenging siderophore molecule, pyoverdin, in the bacterium Pseudomonas aeruginosa. We create a collection of mutants that differ in the amount of pyoverdin that they produce (from 1% to 96% of the production of paired wild types) and demonstrate that these production levels correlate with both gene activity and the ability to bind iron. Across these mutants, we found that (1) when grown in a mixed culture with a cooperative wild-type strain, the relative fitness of a mutant is negatively correlated with the amount of pyoverdin that it produces; (2) the absolute and relative fitness of the wild-type strain in the mixed culture is positively correlated with the amount of pyoverdin that the mutant produces; and (3) when grown in a monoculture, the absolute fitness of the mutant is positively correlated with the amount of pyoverdin that it produces. Overall, we demonstrate that cooperative pyoverdin production is exploitable and illustrate how variation in a social behaviour determines fitness differently, depending on the social environment.

Promise for plant pest control: root-associated pseudomonads with insecticidal activities.

Insects are an important and probably the most challenging pest to control in agriculture, in particular when they feed on belowground parts of plants. The application of synthetic pesticides is problematic owing to side effects on the environment, concerns for public health and the rapid development of resistance. Entomopathogenic bacteria, notably Bacillus thuringiensis and Photorhabdus/Xenorhabdus species, are promising alternatives to chemical insecticides, for they are able to efficiently kill insects and are considered to be environmentally sound and harmless to mammals. However, they have the handicap of showing limited environmental persistence or of depending on a nematode vector for insect infection. Intriguingly, certain strains of plant root-colonizing Pseudomonas bacteria display insect pathogenicity and thus could be formulated to extend the present range of bioinsecticides for protection of plants against root-feeding insects. These entomopathogenic pseudomonads belong to a group of plant-beneficial rhizobacteria that have the remarkable ability to suppress soil-borne plant pathogens, promote plant growth, and induce systemic plant defenses. Here we review for the first time the current knowledge about the occurrence and the molecular basis of insecticidal activity in pseudomonads with an emphasis on plant-beneficial and prominent pathogenic species. We discuss how this fascinating Pseudomonas trait may be exploited for novel root-based approaches to insect control in an integrated pest management framework.

Synthesis of medium-chain-length polyhydroxyalkanoates in arabidopsis thaliana using intermediates of peroxisomal fatty acid beta-oxidation.

Polyhydroxyalkanoate (PHA) is a family of polymers composed primarily of R-3-hydroxyalkanoic acids. These polymers have properties of biodegradable thermoplastics and elastomers. Medium-chain-length PHAs (MCL-PHAs) are synthesized in bacteria by using intermediates of the beta-oxidation of alkanoic acids. To assess the feasibility of producing MCL-PHAs in plants, Arabidopsis thaliana was transformed with the PhaC1 synthase from Pseudomonas aeruginosa modified for peroxisome targeting by addition of the carboxyl 34 amino acids from the Brassica napus isocitrate lyase. Immunocytochemistry demonstrated that the modified PHA synthase was appropriately targeted to leaf-type peroxisomes in light-grown plants and glyoxysomes in dark-grown plants. Plants expressing the PHA synthase accumulated electron-lucent inclusions in the glyoxysomes and leaf-type peroxisomes, as well as in the vacuole. These inclusions were similar to bacterial PHA inclusions. Analysis of plant extracts by GC and mass spectrometry demonstrated the presence of MCL-PHA in transgenic plants to approximately 4 mg per g of dry weight. The plant PHA contained saturated and unsaturated 3-hydroxyalkanoic acids ranging from six to 16 carbons with 41% of the monomers being 3-hydroxyoctanoic acid and 3-hydroxyoctenoic acid. These results indicate that the beta-oxidation of plant fatty acids can generate a broad range of R-3-hydroxyacyl-CoA intermediates that can be used to synthesize MCL-PHAs.

A New Large-DNA-Fragment Delivery System Based on Integrase Activity from an Integrative and Conjugative Element.

During the past few decades, numerous plasmid vectors have been developed for cloning, gene expression analysis, and genetic engineering. Cloning procedures typically rely on PCR amplification, DNA fragment restriction digestion, recovery, and ligation, but increasingly, procedures are being developed to assemble large synthetic DNAs. In this study, we developed a new gene delivery system using the integrase activity of an integrative and conjugative element (ICE). The advantage of the integrase-based delivery is that it can stably introduce a large DNA fragment (at least 75 kb) into one or more specific sites (the gene for glycine-accepting tRNA) on a target chromosome. Integrase recombination activity in Escherichia coli is kept low by using a synthetic hybrid promoter, which, however, is unleashed in the final target host, forcing the integration of the construct. Upon integration, the system is again silenced. Two variants with different genetic features were produced, one in the form of a cloning vector in E. coli and the other as a mini-transposable element by which large DNA constructs assembled in E. coli can be tagged with the integrase gene. We confirmed that the system could successfully introduce cosmid and bacterial artificial chromosome (BAC) DNAs from E. coli into the chromosome of Pseudomonas putida in a site-specific manner. The integrase delivery system works in concert with existing vector systems and could thus be a powerful tool for synthetic constructions of new metabolic pathways in a variety of host bacteria.

Switching between apparently redundant iron-uptake mechanisms benefits bacteria in changeable environments.

Bacteria often possess multiple siderophore-based iron uptake systems for scavenging this vital resource from their environment. However, some siderophores seem redundant, because they have limited iron-binding efficiency and are seldom expressed under iron limitation. Here, we investigate the conundrum of why selection does not eliminate this apparent redundancy. We focus on Pseudomonas aeruginosa, a bacterium that can produce two siderophores-the highly efficient but metabolically expensive pyoverdine, and the inefficient but metabolically cheap pyochelin. We found that the bacteria possess molecular mechanisms to phenotypically switch from mainly producing pyoverdine under severe iron limitation to mainly producing pyochelin when iron is only moderately limited. We further show that strains exclusively producing pyochelin grew significantly better than strains exclusively producing pyoverdine under moderate iron limitation, whereas the inverse was seen under severe iron limitation. This suggests that pyochelin is not redundant, but that switching between siderophore strategies might be beneficial to trade off efficiencies versus costs of siderophores. Indeed, simulations parameterized from our data confirmed that strains retaining the capacity to switch between siderophores significantly outcompeted strains defective for one or the other siderophore under fluctuating iron availabilities. Finally, we discuss how siderophore switching can be viewed as a form of collective decision-making, whereby a coordinated shift in behaviour at the group level emerges as a result of positive and negative feedback loops operating among individuals at the local scale.

On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

Detection of extracellular proteases from microorganisms on agar plates

We present herein an improved assay for detecting the presence of extracellular proteases from microorganisms on agar plates. Using different substrates (gelatin, BSA, hemoglobin) incorporated into the agar and varying the culture medium composition, we were able to detect proteolytic activities from Pseudomonas aeruginosa, Micrococcus luteus and Serratia marcescens as well as the influence that these components displayed in the expression of these enzymes. For all microorganisms tested we found that in agar-BHI or yeast extract medium containing gelatin the sensitivity of proteinase detection was considerably greater than in BSA-agar or hemoglobin-agar. However, when BSA or hemoglobin were added to the culture medium, there was an increase in growth along with a marked reduction in the amount of proteinase production. In the case of M. luteus the incorporation of glycerol in BHI or yeast extract gelatin-agar induced protease liberation. Our results indicate that the technique described here is of value for detecting extracellular proteases directly in the culture medium, by means of a qualitative assay, simple, inexpensive, straight forward method to assess the presence of the proteolytic activity of a given microorganism colony with great freedom in substrate selection.

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Non-coding small RNAs (sRNAs) have important regulatory functions in bacteria. In Pseudomonas spp., about 40 sRNAs have been reported until the end of 2008, a number that almost certainly is an underestimate. We provide a summary of the coding regions for these sRNAs is Pseudomonas aeruginosa. The functions of some Pseudomonas sRNAs can be deduced from those of homologous well-characterized sRNAs of Escherichia coli, e.g. 6S RNA (a stationary phase regulator of RNA polymerase) and tmRNA (a component of a machinery serving to eliminate truncated polypeptides). Two sRNAs of P. aeruginosa, PrrF1 and PrrF2, whose expression is repressed by the Fur repressor in the presence of iron, inhibit translation initiation of mRNAs specifying superoxide dismutase (sodB), succinate dehydrogenase (sdhABCD) and anthranilate degradation (antABC), via a base-paring mechanism. As a consequence, these mRNAs are poorly expressed under conditions of iron limitation. Two further sRNAs of P. aeruginosa, RsmY and RsmZ, whose expression is positively controlled by the GacS/GacA two-component system in response to unknown signals, act as scavengers of the RNA-binding protein RsmA. In this way, translational repression exerted by RsmA on target mRNAs can be relieved. The Gac/Rsm signal transduction pathway globally regulates motility and the formation of extracellular products in pseudomonas spp.

Interactions between learning and immunity in Drosophila melanogaster

Learning and immunity are two adaptive traits with roles in central aspects of an organism's life: learning allows adjusting behaviours in changing environments, while immunity protects the body integrity against parasites and pathogens. While we know a lot about how these two traits interact in vertebrates, the interactions between learning and immunity remain poorly explored in insects. During my PhD, I studied three possible ways in which these two traits interact in the model system Drosophila melanogaster, a model organism in the study of learning and in the study of immunity. Learning can affect the behavioural defences against parasites and pathogens through the acquisition of new aversions for contaminated food for instance. This type of learning relies on the ability to associate a food-related cue with the visceral sickness following ingestion of contaminated food. Despite its potential implication in infection prevention, the existence of pathogen avoidance learning has been rarely explored in invertebrates. In a first part of my PhD, I tested whether D. melanogaster, which feed on food enriched in microorganisms, innately avoid the orally-acquired 'novel' virulent pathogen Pseudomonas entomophila, and whether it can learn to avoid it. Although flies did not innately avoid this pathogen, they decreased their preference for contaminated food over time, suggesting the existence of a form of learning based likely on infection-induced sickness. I further found that flies may be able to learn to avoid an odorant which was previously associated with the pathogen, but this requires confirmation with additional data. If this is confirmed, this would be the first time, to my knowledge, that pathogen avoidance learning is reported in an insect. The detrimental effect of infection on cognition and more specifically on learning ability is well documented in vertebrates and in social insects. While the underlying mechanisms are described in detail in vertebrates, experimental investigations are lacking in invertebrates. In a second part of my PhD, I tested the effect of an oral infection with natural pathogens on associative learning of D. melanogaster. By contrast with previous studies in insects, I found that flies orally infected with the virulent P. entomophila learned better the association of an odorant with mechanical shock than uninfected flies. The effect seems to be specific to a gut infection, and so far I have not been able to draw conclusions on the respective contributions of the pathogen's virulence and of the flies' immune activity in this effect. Interestingly, infected flies may display an increased sensitivity to physical pain. If the learning improvement observed in infected flies was due partially to the activity of the immune system, my results would suggest the existence of physiological connections between the immune system and the nervous system. The basis of these connections would then need to be addressed. Learning and immunity are linked at the physiological level in social insects. Physiological links between traits often result from the expression of genetic links between these traits. However, in social insects, there is no evidence that learning and immunity may be involved in an evolutionary trade-off. I previously reported a positive effect of infection on learning in D. melanogaster. This might suggest that a positive genetic link could exist between learning and immunity. We tested this hypothesis with two approaches: the diallel cross design with inbred lines, and the isofemale lines design. The two approaches provided consistent results: we found no additive genetic correlation between learning and resistance to infection with the diallel cross, and no genetic correlation in flies which are not yet adapted to laboratory conditions in isofemale lines. Consistently with the literature, the two studies suggested that the positive effect of infection on learning I observed might not be reflected by a positive evolutionary link between learning and immunity. Nevertheless, the existence of complex genetic relationships between the two traits cannot be excluded. - L'apprentissage et l'immunité sont deux caractères à valeur adaptative impliqués dans des aspects centraux de la vie d'un organisme : l'apprentissage permet d'ajuster les comportements pour faire face aux changements de l'environnement, tandis que l'immunité protège l'intégrité corporelle contre les attaques des parasites et des pathogènes. Alors que les interactions entre l'apprentissage et l'immunité sont bien documentées chez les vertébrés, ces interactions ont été très peu étudiées chez les insectes. Pendant ma thèse, je me suis intéressée à trois aspects des interactions possibles entre l'apprentissage et l'immunité chez la mouche du vinaigre Drosophila melanogaster, qui est un organisme modèle dans l'étude à la fois de l'apprentissage et de l'immunité. L'apprentissage peut affecter les défenses comportementales contre les parasites et les pathogènes par l'acquisition de nouvelles aversions pour la nourriture contaminée par exemple. Ce type d'apprentissage repose sur la capacité à associer une caractéristique de la nourriture avec la maladie qui suit l'ingestion de cette nourriture. Malgré les implications potentielles pour la prévention des infections, l'évitement appris des pathogènes a été rarement étudié chez les invertébrés. Dans une première partie de ma thèse, j'ai testé si les mouches, qui se nourrissent sur des milieux enrichis en micro-organismes, évitent de façon innée un 'nouveau' pathogène virulent Pseudomonas entomophila, et si elles ont la capacité d'apprendre à l'éviter. Bien que les mouches ne montrent pas d'évitement inné pour ce pathogène, elles diminuent leur préférence pour de la nourriture contaminée dans le temps, suggérant l'existence d'une forme d'apprentissage basée vraisemblablement sur la maladie générée par l'infection. J'ai ensuite observé que les mouches semblent être capables d'apprendre à éviter une odeur qui était au préalable associée avec ce pathogène, mais cela reste à confirmer par la collecte de données supplémentaires. Si cette observation est confirmée, cela sera la première fois, à ma connaissance, que l'évitement appris des pathogènes est décrit chez un insecte. L'effet détrimental des infections sur la cognition et plus particulièrement sur les capacités d'apprentissage est bien documenté chez les vertébrés et les insectes sociaux. Alors que les mécanismes sous-jacents sont détaillés chez les vertébrés, des études expérimentales font défaut chez les insectes. Dans une seconde partie de ma thèse, j'ai mesuré les effets d'une infection orale par des pathogènes naturels sur les capacités d'apprentissage associatif de la drosophile. Contrairement aux études précédentes chez les insectes, j'ai trouvé que les mouches infectées par le pathogène virulent P. entomophila apprennent mieux à associer une odeur avec des chocs mécaniques que des mouches non infectées. Cet effet semble spécifique à l'infection orale, et jusqu'à présent je n'ai pas pu conclure sur les contributions respectives de la virulence du pathogène et de l'activité immunitaire des mouches dans cet effet. De façon intéressante, les mouches infectées pourraient montrer une plus grande réactivité à la douleur physique. Si l'amélioration de l'apprentissage observée chez les mouches infectées était due en partie à l'activité du système immunitaire, mes résultats suggéreraient l'existence de connections physiologiques entre le système immunitaire et le système nerveux. Les mécanismes de ces connections seraient à explorer. L'apprentissage et l'immunité sont liés sur un plan physiologique chez les insectes sociaux. Les liens physiologiques entre les caractères résultent souvent de l'expression de liens entre ces caractères au niveau génétique. Cependant, chez les insectes sociaux, il n'y a pas de preuve que l'apprentissage et l'immunité soient liés par un compromis évolutif. J'ai précédemment rapporté un effet positif de l'infection sur l'apprentissage chez la drosophile. Cela pourrait suggérer qu'une relation génétique positive existerait entre l'apprentissage et l'immunité. Nous avons testé cette hypothèse par deux approches : le croisement diallèle avec des lignées consanguines, et les lignées isofemelles. Les deux approches ont fournies des résultats similaires : nous n'avons pas détecté de corrélation génétique additive entre l'apprentissage et la résistance à l'infection avec le croisement diallèle, et pas de corrélation génétique chez des mouches non adaptées aux conditions de laboratoire avec les lignées isofemelles. En ligne avec la littérature, ces deux études suggèrent que l'effet positif de l'infection sur l'apprentissage que j'ai précédemment observé ne refléterait pas un lien évolutif positif entre l'apprentissage et l'immunité. Néanmoins, l'existence de relations génétiques complexes n'est pas exclue.

Antibacterial activity of Ocimum gratissimum L. essential oil

The essential oil (EO) of Ocimum gratissimum inhibited Staphylococcus aureus at a concentration of 0.75 mg/ml. The minimal inhibitory concentrations (MICs) for Shigella flexineri, Salmonella enteritidis, Escherichia coli, Klebsiella sp., and Proteus mirabilis were at concentrations ranging from 3 to 12 mg/ml. The endpoint was not reached for Pseudomonas aeruginosa (>=24 mg/ml). The MICs of the reference drugs used in this study were similar to those presented in other reports. The minimum bactericidal concentration of EO was within a twofold dilution of the MIC for this organism. The compound that showed antibacterial activity in the EO of O. gratissimum was identified as eugenol and structural findings were further supported by gas chromatography/mass spectra retention time data. The structure was supported by spectroscopic methods.

Exposition aux bioaérosols dans deux milieux professionnels : les cabinets de dentistes et les cultures de concombres et tomates

L'exposition aux bioaérosols (endotoxines, bactéries et spores de champignons en suspension dans l'air) et les problèmes de santé qui en découlent sont bien connus dans certains milieux professionnels (station d'épuration des eaux usées, élevages d'animaux, traitements des déchets organiques, travailleurs du bois, récolte et manutention des céréales, agriculture...). Cependant, les études avec investigations des concentrations aéroportées d'endotoxines et de micro-organismes se font très rares dans d'autres milieux professionnels à risque. Cette note d'actualité scientifique présente la synthèse de deux publications visant à quantifier les bioaérosols dans deux milieux professionnels rarement étudiés : les cabinets dentaires et les cultures maraîchères de concombres et tomates. Les dentistes ainsi que leurs assistants sont souvent bien informés sur les risques chimiques, les risques liés aux postures et les risques d'accidents avec exposition au sang. En revanche, le risque infectieux lié à une exposition aux bioaérosols est la plupart du temps méconnu. La flore bactérienne buccale est très riche et l'utilisation d'instruments tels que la fraise, le détartreur à ultrasons et le pistolet air-eau entraîne la dissémination aéroportée d'une grande quantité de bactéries. De plus, la conception des instruments générant un jet d'eau (diamètre des tubulures) favorise la formation de biofilm propice à l'adhérence et à la multiplication de micro-organismes à l'intérieur même des tuyaux. Ces micro-organismes se retrouvent alors en suspension dans l'air lors de l'utilisation de ces pistolets.L'inhalation de grandes quantités de ces micro-organismes pourrait alors engendrer des problèmes respiratoires (hypersensibilisation, asthme). De plus la présence de pathogènes, tels que les légionelles, les pseudomonas et les mycobactéries à croissance rapide, dans l'eau de ces unités dentaires peut aussi entraîner des risques infectieux pour les patients et pour les soignants. La production de tomates et concombres en Europe en 2008, était respectivement de 17 et 2 millions de tonnes dont 850 000 et 140 000 tonnes pour la France. La récolte, le tri et la mise en cageots ou en barquette individuelle de ces légumes génèrent de la poussière riche en matières organiques. Très peu d'études ont investigué l'exposition à ces poussières et aux endotoxines dans les serres de cultures intensives. Notamment, les données concernant les cultures de tomates sont inexistantes bien que ce légume soit un des plus cultivés en Europe. [Auteur]

A quorum sensing small volatile molecule promotes antibiotic tolerance in bacteria.

Bacteria can be refractory to antibiotics due to a sub-population of dormant cells, called persisters that are highly tolerant to antibiotic exposure. The low frequency and transience of the antibiotic tolerant "persister" trait has complicated elucidation of the mechanism that controls antibiotic tolerance. In this study, we show that 2' Amino-acetophenone (2-AA), a poorly studied but diagnostically important small, volatile molecule produced by the recalcitrant gram-negative human pathogen Pseudomonas aeruginosa, promotes antibiotic tolerance in response to quorum-sensing (QS) signaling. Our results show that 2-AA mediated persister cell accumulation occurs via alteration of the expression of genes involved in the translational capacity of the cell, including almost all ribosomal protein genes and other translation-related factors. That 2-AA promotes persisters formation also in other emerging multi-drug resistant pathogens, including the non 2-AA producer Acinetobacter baumannii implies that 2-AA may play an important role in the ability of gram-negative bacteria to tolerate antibiotic treatments in polymicrobial infections. Given that the synthesis, excretion and uptake of QS small molecules is a common hallmark of prokaryotes, together with the fact that the translational machinery is highly conserved, we posit that modulation of the translational capacity of the cell via QS molecules, may be a general, widely distributed mechanism that promotes antibiotic tolerance among prokaryotes.

Biological screening of Brazilian medicinal plants

In this study, we screened sixty medicinal plant species from the Brazilian savanna ("cerrado") that could contain useful compounds for the control of tropical diseases. The plant selection was based on existing ethnobotanic information and interviews with local healers. Plant extracts were screened for: (a) molluscicidal activity against Biomphalaria glabrata, (b) toxicity to brine shrimp (Artemia salina L.), (c) antifungal activity in the bioautographic assay with Cladosporium sphaerospermum and (d) antibacterial activity in the agar diffusion assay against Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Bacillus cereus and Pseudomonas aeruginosa. Forty-two species afforded extracts that showed some degree of activity in one or more of these bioassays.

Regulation of horizontal gene transfer of the catabolic island ICEclc

ICEclc is a mobile genetic element found in two copies on the chromosome of the bacterium Pseudomonas knackmussii B13. ICEclc harbors genes encoding metabolic pathways for the degradation of chlorocatechols (CLC) and 2-aminophenol (2AP). At low frequencies, ICEclc excises from the chromosome, closes into a circular DNA molecule which can transfer to another bacterium via conjugation. Once in the recipient cell, ICEclc can reintegrate into the chromosome by site-specific recombination. This thesis aimed at identifying the regulatory network underlying the decisions for ICEclc horizontal transfer (HGT). The first chapter is an introduction on integrative and conjugative elements (ICEs) more in general, of which ICEclc is one example. In particular I emphasized the current knowledge of regulation and conjugation machineries of the different classes of ICE. In the second chapter, I describe a transcriptional analysis using microarrays and other experiments to understand expression of ICEclc in exponential and stationary phase. By overlaying transcriptomic profiles with Northern hybridizations and RT- PCR data, we established a transcription map for the entire core region of ICEclc, a region assumed to encode the ICE conjugation process. We also demonstrated how transcription of the ICEclc core is maximal in stationary phase, which correlates to expression of reporter genes fused to key ICEclc promoters. In the third chapter, I present a transcriptome analysis of ICEclc in a variety of different host species, in order to explore whether there are species-specific differences. In the fourth chapter, I focus on the role of a curious ICEclc-encoded TetR-type transcriptional repressor. We find that this gene, which we name mfsR, not only controls its own expression but that of a set of genes for a putative multi-drug efflux pump (mfsABC) as well. By using a combination of biochemical and molecular biology techniques, I could show that MfsR specifically binds to operator boxes in two ICEclc promoters (PmfsR and PmfsA), inhibiting the transcription of both the mfsR and mfsABC-orf38184 operons. Although we could not detect a clear phenotype of an mfsABC deletion, we discuss the implications of pump gene reorganizations in ICEclc and close relatives. In the fifth chapter, we find that mfsR not only controls its own expression and that of the mfsABC operon, but is also indirectly controlling ICEclc transfer. Using gene deletions, microarrays, transfer assays and microscopy-based reporter fusions, we demonstrate that mfsR actually controls a small operon of three regulatory genes. The last gene of this mfsR operon, orf17162, encodes a LysR-type activator that when deleted strongly impairs ICEclc transfer. Interestingly, deletion of mfsR leads to transfer competence in almost all cells, thereby overruling the bistability process in the wild-type. In the final sixth chapter, I discuss the relevance of the present thesis and the resulting perspectives for future studies.

Cellular variability of RpoS expression underlies subpopulation activation of an integrative and conjugative element.

Conjugative transfer of the integrative and conjugative element ICEclc in the bacterium Pseudomonas knackmussii is the consequence of a bistable decision taken in some 3% of cells in a population during stationary phase. Here we study the possible control exerted by the stationary phase sigma factor RpoS on the bistability decision. The gene for RpoS in P. knackmussii B13 was characterized, and a loss-of-function mutant was produced and complemented. We found that, in absence of RpoS, ICEclc transfer rates and activation of two key ICEclc promoters (P(int) and P(inR)) decrease significantly in cells during stationary phase. Microarray and gene reporter analysis indicated that the most direct effect of RpoS is on P(inR), whereas one of the gene products from the P(inR)-controlled operon (InrR) transmits activation to P(int) and other ICEclc core genes. Addition of a second rpoS copy under control of its native promoter resulted in an increase of the proportion of cells expressing the P(int) and P(inR) promoters to 18%. Strains in which rpoS was replaced by an rpoS-mcherry fusion showed high mCherry fluorescence of individual cells that had activated P(int) and P(inR), whereas a double-copy rpoS-mcherry-containing strain displayed twice as much mCherry fluorescence. This suggested that high RpoS levels are a prerequisite for an individual cell to activate P(inR) and thus ICEclc transfer. Double promoter-reporter fusions confirmed that expression of P(inR) is dominated by extrinsic noise, such as being the result of cellular variability in RpoS. In contrast, expression from P(int) is dominated by intrinsic noise, indicating it is specific to the ICEclc transmission cascade. Our results demonstrate how stochastic noise levels of global transcription factors can be transduced to a precise signaling cascade in a subpopulation of cells leading to ICE activation.