Elucidation of a mechanism of cell lysis by chorhexidine : a biophysical approach

Chlorhexidine is an effective antiseptic used widely in disinfecting products (hand soap), oral products (mouthwash), and is known to have potential applications in the textile industry. Chlorhexidine has been studied extensively through a biological and biochemical lens, showing evidence that it attacks the semipermeable membrane in bacterial cells. Although extremely lethal to bacterial cells, the present understanding of the exact mode of action of chlorhexidine is incomplete. A biophysical approach has been taken to investigate the potential location of chlorhexidine in the lipid bilayer. Deuterium nuclear magnetic resonance was used to characterize the molecular arrangement of mixed phospholipid/drug formulations. Powder spectra were analyzed using the de-Pake-ing technique, a method capable of extracting both the orientation distribution and the anisotropy distribution functions simultaneously. The results from samples of protonated phospholipids mixed with deuterium-labelled chlorhexidine are compared to those from samples of deuterated phospholipids and protonated chlorhexidine to determine its location in the lipid bilayer. A series of neutron scattering experiments were also conducted to study the biophysical interaction of chlorhexidine with a model phospholipid membrane of DMPC, a common saturated lipid found in bacterial cell membranes. The results found the hexamethylene linker to be located at the depth of the glycerol/phosphate region of the lipid bilayer. As drug concentration was increased in samples, a dramatic decrease in bilayer thickness was observed. Differential scanning calorimetry experiments have revealed a depression of the DMPC bilayer gel-to-lamellar phase transition temperature with an increasing drug concentration. The enthalpy of the transition remained the same for all drug concentrations, indicating a strictly drug/headgroup interaction, thus supporting the proposed location of chlorhexidine. In combination, these results lead to the hypothesis that the drug is folded approximately in half on its hexamethylene linker, with the hydrophobic linker at the depth of the glycerol/phosphate region of the lipid bilayer and the hydrophilic chlorophenyl groups located at the lipid headgroup. This arrangement seems to suggest that the drug molecule acts as a wedge to disrupt the bilayer. In vivo, this should make the cell membrane leaky, which is in agreement with a wide range of bacteriological observations.

Lactobacillus helveticus R0052 et Bifidobacterium longum R0175 en combinaison réduisent l’apoptose dans le système limbique après ischémie myocardique transitoire chez le rat

Nous avons démontré la présence d'apoptose dans le système limbique suivant un infarctus du myocarde. Cette mort cellulaire serait partiellement reliée à l'augmentation de cytokines pro-inflammatoires. Des études démontrent que certains probiotiques ont des effets bénéfiques en diminuant le ratio de cytokines pro/anti-inflammatoires. La prise de probiotiques en prévention, avant l’occlusion d’une artère coronarienne, pourrait-elle diminuer l’apoptose dans le système limbique? Méthodes : La combinaison de probiotiques Lactobacillus helveticus R0052 et Bifidobacterium longum R0175 ou son véhicule fut additionné dans l’eau des rats pendant 28 jours consécutifs. Un infarctus du myocarde fut provoqué par l’occlusion de l’artère coronaire gauche. Après 40 minutes d'occlusion, les régions ischémiques ont été reperfusées pour 72 heures. Les animaux furent sacrifiés et la taille de l'infarctus mesurée. L'amygdale et l'hippocampe furent prélevés pour déterminer l'activité de la caspase-3 (pro-apoptotique), le ratio Bax/Bcl2(proapoptotique/ anti-apoptotique) et l'activité d'Akt (survie cellulaire). Résultats : La taille de l’infarctus n'est pas diminuée dans le groupe probiotique (45% de la région à risque)comparé au groupe placebo. Nos marqueurs d’apoptose démontrent une diminution dans les régions du gyrus denté, de l’amygdale latérale et médiane dans le groupe probiotique par rapport au placebo. L’activité de la caspase-3 et le ratio Bax:Bcl2 furent réduits dans le groupe probiotique de 50% et 40% respectivement (p < 0.05) et phosphorylation d’Akt fut augmentée de 35% (p<0.05). Aucune différence fut observée pour les régions Ca1 et Ca3. Conclusion : La combinaison de probiotiques utilisée réduit l’apoptose dans différentes régions du système limbique 72 heures après un IM.

Étude de l’interaction entre le champignon mycorhizien Glomus irregulare et les bactéries du sol

Dans cette étude, nous avons isolé et cultivé des bactéries intimement liées aux spores du champignon mycorhizien Glomus irregulare prélevées dans la rhizosphère de plants d’Agrostis stolonifera L. récoltés dans un sol naturel. Le séquençage des 29 morphotypes isolés a révélé la présence de seulement sept taxons bactériens (Variovorax paradoxus, Microbacterium ginsengiosoli, Sphingomonas sp., Bacillus megaterium, B. simplex, B. cereus et Kocuria rhizophila). Des isolats de chacun de ces sept taxons ont ensuite été cultivés in vitro sur le mycélium de G. irregulare afin d’observer par microscopie leur capacité à croitre et à s’attacher au mycélium en absence d’éléments nutritifs autres que ceux fournis par le champignon. Tous les isolats, sauf B. cereus, ont été capables de bien croitre dans le système expérimental et de s’attacher au mycélium en formant des structures ressemblant à des biofilms sur la surface du champignon. Toutefois, B. simplex formait ces structures plus rapidement, soit en 15 jours, alors que les autres isolats les ont formés après 30 jours (K. rhizophila et B. megaterium) ou 45 jours (V. paradoxus, M. ginsengiosoli et Sphingomonas sp.). D’autre part, la technique PCR-DGGE a permis d’analyser la diversité bactérienne associée aux spores. La diversité des taxons associés aux spores de G. irregulare qu’il a été possible d’isoler et de cultiver in vitro a été nettement moindre que celle qui était présente sur la surface des spores, alors que la biodiversité bactérienne totale du sol a été encore beaucoup plus élevée. Les bactéries associées aux champignons mycorhiziens jouent probablement un rôle important dans la capacité des plantes à résister aux stress biotiques et abiotiques auxquels elles sont soumises.

Étude sur le biofilm et les mécanismes de résistance à la bacitracine chez Clostridium perfringens

Clostridium perfringens est ubiquitaire dans l’environnement. Ce microorganisme peut être retrouvé dans la flore normale du tractus gastro-intestinal des mammifères et peut également causer une variété d’infections intestinales. Le phénotype de résistance à la bacitracine a déjà été rapporté chez C. perfringens mais les gènes associés n’ont pas été caractérisés. Dans cette étude, 24 des 99 isolats de C. perfringens aviaires testés ont démontré une résistance à la bacitracine. Les analyses ont révélé la présence d’un transporteur ABC ainsi que d’une undécaprénol kinase surproduite. Ces deux mécanismes semblent être codés par l’opéron bcrABDR. En amont et en aval des gènes bcr, un élément IS1216-like a été identifié, celui-ci pouvant jouer un rôle dans la dissémination de la résistance à la bacitracine. Des analyses d’hybridation sur ADN ont révélé que les gènes bcrABDR étaient localisés sur le chromosome. De plus, il a été démontré que les gènes bcr étaient exprimés en présence de bacitracine. Plusieurs études ont associé la tolérance aux antibiotiques et aux désinfectants à la formation de biofilm. Dans la littérature, peu d’informations sont disponibles sur le biofilm de C. perfringens. La majorité des isolats testés dans cette étude ont démontré la formation d’un biofilm. L’analyse de la matrice a démontré que celle-ci contenait des protéines, de l’ADN extracellulaire ainsi que des polysaccharides liés en bêta-1,4. Une meilleure survie des cellules en biofilm a été observée suite à une exposition à de fortes concentrations d’antibiotiques. Une exposition à de faibles doses de certains antibiotiques semblait diminuer le biofilm formé alors que pour d’autres, le biofilm semblait augmenter. Dans la présente étude, la susceptibilité des biofilms de C. perfringens à la désinfection a été également analysée. Les résultats ont démontré que la formation de biofilm protégeait les cellules de l’action du monopersulfate de potassium, des ammoniums quaternaires, du peroxyde d’hydrogène et du glutéraldéhyde. Toutefois, l’hypochlorite de sodium a été démontré comme étant efficace contre le biofilm de C. perfringens. Il a été démontré que les biofilms mixtes de C. perfringens cultivés en présence de Staphylococcus aureus ou d’Escherichia coli étaient plus résistants à la désinfection en comparaison aux biofilms simples de S. aureus ou d’E. coli. Toutefois, le biofilm simple de C. perfringens était plus résistant à la désinfection que les biofilms mixtes. Finalement, les profils de transcription entre les populations planctoniques et en biofilm ont été analysés par séquençage d’ARN. L’analyse transcriptomique du biofilm a identifié 238 gènes différentiellement exprimés entre les deux conditions. Les gènes négativement régulés sont impliqués dans la virulence, la production d’énergie, le métabolisme des sucres ainsi que dans la biosynthèse des acides gras et des acides aminés alors que les gènes induits sont impliqués dans la réponse au stress et au stress oxydatif, dans la biosynthèse d’acides gras et de phospholipides ainsi que dans la virulence. Cette étude décrit pour la première fois la découverte des gènes associés à la résistance à la bacitracine chez C. perfringens. Elle rapporte également de nouvelles données sur la matrice du biofilm, la tolérance aux antibiotiques et aux désinfectants ainsi que sur le transcriptome du biofilm de C. perfringens.

Étude d'un nouveau facteur impliqué dans la biosynthèse de la paroi bactérienne : le facteur ElyC

La résistance bactérienne aux antibiotiques est de nos jours une préoccupation majeure aux acteurs du monde de la santé publique. L’identification de nouvelles cibles bactériennes en vue de développer de nouveaux antibiotiques est donc nécessaire. La paroi bactérienne est une bonne cible car l’inhibition de sa biosynthèse cause la mort des bactéries. De récents travaux de notre laboratoire ont identifié de nombreux nouveaux facteurs importants pour la biosynthèse de la paroi chez Escherichia coli. L’un de ces facteurs renommé ElyC a un domaine DUF218 extrêmement conservé à travers les espèces bactériennes. L’absence du gène elyC entraîne la lyse bactérienne à température pièce. Des études bioinformatiques indiquent qu’ElyC est une protéine membranaire avec deux domaines transmembranaires et un domaine conservé DUF218 de fonction inconnue. Étant donné que les protéines agissent souvent en complexes, nous avons émis l’hypothèse qu’ElyC interagit avec d’autres protéines afin d'exécuter sa fonction biologique. Le but de mon projet est de déterminer la topologie d’ElyC et d’identifier ses partenaires protéiques. L’étude de la topologie a été faite par l’essai de modification de cystéine sur des souches exprimant individuellement le facteur ElyC avec un résidu cystéine en position N-terminale, dans la boucle ou en position C-terminale. Les partenaires protéiques d’ElyC ont été isolés par immuno-précipitation et identifiés par spectrométrie de masse. Les résultats obtenus ont révélé qu’ElyC est une protéine membranaire chez E. coli et est impliquée dans l'assemblage de l'enveloppe bactérienne, dans la chaîne de transport d'électrons et la phosphorylation oxydative. Ils ont permis aussi de confirmer l’existence d’un lien entre ElyC et le stress oxydatif. Cependant les résultats pour la détermination de la topologie restent à être clarifiés.

Studies on L-glutamic acid Production using Brevibacterium sp.

The thesis comprises a set of experiments mainly focused on the improvement of L-glutamic acid fennentation. Much attention has been given to use of locally available raw materials, culturing the organism on inert solid substrates and also immobilization of the bacterial cells from the view point of long term utilization of biocatalyst and continuous operation of the stabilized system. Studies were also carried out for the down stream processing for the extraction and purification of L-glutamic acid. An attempt was made to study the morphological features of the microorganism including the cell premeability. In relation with the accumulation of glutamic acid within the cells an approach was made to study the behaviour of the Brevibacterium cells when they are exposed to hyper osmotic environment. Attempts were also made to study the requirement of iron and production of siderophores by this microbial strain. The search for a suitable nitrogen source for glutamate fermentation ended with a promising result that they got a potent urease activity and it can be utilized for many biotransfonnation studies. The entire thesis is presented in three sections, viz. introductory section, experimental section and the concluding section

Les sHsps en surera: Estudis de funcionalitat

Aquesta tesi es centra en la caracterització funcional d'una proteïna de xoc de calor de baix pes molecular (Small Heat Shock Protein - sHSP) de classe I de surera pel que fa a la seva capacitat per protegir les cèl·lules de l'estrès i per estabilitzar les membranes. Les sHsps són proteïnes que s'expressen en condicions d'estrès cel·lular. Encara que certs aspectes funcionals de les sHsps són ben coneguts, el nostre treball aporta informacions noves sobre el paper de les diferents regions de la proteïna, especialment de la regió N-terminal. L'objectiu concret d'aquest treball és determinar la funció termoprotectora de QsHsp17.4-CI, una sHsp de classe I oobtinguda a partir de les cèl·lules de fel·lema d'alzina surera, en un model bacterià i analitzar la importància de les diferents regions de la proteïna en aquesta funció. Amb aquesta finalitat s'han dissenyat dues proteïnes parcials derivades de QsHsp17.4-CI: una a la que li falta la regió N-terminal (C105) i una altra amb pràcticament tot el domini -cristal·lí deleccionat (N61), i una tercera, derivada de QsHs10-CI, a la que li falta la meitat del domini -cristal·lí (Hsp10). També s'estudia la possible capacitat estabilitzadora de membranes i la capacitat de modificar l'expressió d'altres Hsps quan s'expressa de forma heteròloga. Els nostres resultats demostren que l'expressió de QsHsp17.4-CI protegeix a les cèl·lules d'E.coli de l'estrès tèrmic alhora que la regió N-terminal i la regió consens II del domini -cristal·lí són imprescindibles per aquesta funció de protecció. En relació a un possible paper en les membranes, els estudis de localització subcel·lular mostren que QsHsp17.4-CI colocalitza amb la fracció membranes i que la regió N-terminal de la proteïna és responsable d'aquesta colocalització. No s'ha pogut demostrar, però, que la localització amb la membrana estigui associada a un efecte protector d'aquesta: en cap cas la sobrexpressió de les proteïnes modifica la composició d'àcids grassos i només N61, que no té acció termoprotectora, altera l'estat fisico-químic de la membrana. En estudis d'expressió de novo en E.coli s'ha observat que, a diferència de les altres proteïnes heteròlogues, N61 activa l'expressió de la majoria de Hsps d'E.coli fent pensar en una possible relació entre l'estat físic de la membrana i l'activació de la resposta a l'estrès. En resum, en aquest treball hem provat la capacitat protectora de QsHsp17.4 i aportem noves dades sobre la importància de la regió N-terminal i la regió consens II del domini -cristal·lí en aquesta funció. Per altra banda, es suggereix que QsHsp17.4 podria interaccionar amb la membrana d'E.coli i que la regió N-terminal seria imprescindible per aquesta interacció. Finalment hem determinat que les proteïnes que provoquen variacions en l'estat de fluïdesa de la membrana poden activar la resposta al xoc de calor per part de la cèl·lula bacteriana.

Use of entomopathogenic bacterium Pseudomonas putida (Enterobacteriaceae) and it secretions against the Greater Wax Moth Galleria mellonella pupae

The bacterium from Pseudomonas putida from Steinernema abbasi and its metabolic secretions caused the mortality of the Galleria mellonella pupae. Experiments were conducted in sand and filter paper on time exposure, temperature, moisture, dose and time of penetration of bacterium in pupae and tested stored or dried toxic metabolites using G. mellonella pupae as a test target organism. Death of pupae was probably due to the toxic metabolites. Pseudomonas putida cells were recovered from the haemocoele when bacterial cells were applied to the G. mellonella pupae indicating that bacterial cells can enter the haemocoele in the absence of nematode vector. Penetration of bacterium was found rapidly after application on G. mellonella pupae. Pseudomonas putida or its toxic secretions can be used as a microbial control for insect control. The experimental results indicate that there is possibility of using P. putida and its toxic secretions as a biopesticide and can contribute in the development of new microbial and biological control against insect pests.

Pathogenicity of the bacterium Pseudomonas putida from the entomopathogenic nematode Steinernema abbasi and its secretion against Galleria mellonella larvae

The Entomopathogenic bacterium Pseudomonas putida from Steinernema abbasi and its metabolic secretions were lethal to the Galleria mellonella larvae. Different laboratory experiments on time interval, substrate, moisture, temperature, dose, penetration of cells, stored and dried metabolites were conducted in sand and filter paper bioassays. It was concluded that death was probably due to the toxic metabolites. This bacterium and its metabolites were found very effective at 30 degree C. Penetration of bacterium was rapid after application on G. mellonella larvae. P. putida cells were recovered from the haemocoele when suspensions containing bacterial cells were applied to the G. mellonella indicating that bacterial symbionts do have a free-living existence and can enter the haemocoele in the absence of nematode vector. Stored metabolite and dried metabolites were found persistent for long time. This bacterium or its toxic secretions can be used for insect control that can be important component of integrated pest management against different insect pests. P. putida and its secretions are suggested as the most appropriate suspension to apply against insect pest control program in tropical ecological regions.

Microbial control of diamondback moth, Plutella xylostella L. (Lepidoptera:Yponomeutidae) using bacteria (Xenorhabdus nematophila) and its metabolites from the entomopathogenic nematode Steinernema carpocapsae

Cells and cell-free solutions of the culture filtrate of the bacterial symbiont, Xenorhabdus nematophila taken from the entomopathogenic nematode Steinernema carpocapsae in aqueous broth suspensions were lethal to larvae of the diamondback moth Plutella xylostella. Their application on leaves of Chinese cabbage indicated that the cells can penetrate into the insects in the absence of the nematode vector. Cell-free solutions containing metabolites were also proved as effective as bacterial cells suspension. The application of aqueous suspensions of cells of X. nematophila or solutions containing its toxic metabolites to the leaves represents a possible new strategy for controlling insect pests on foliage.

Pathogenicity of the bacterium Xenorhabdus nematophila isolated from the entomopathogenic nematode Steinernema carpocapsae and its secretions against Galleria mellonella larvae

The entomopathogenic bacterium, Xenorhabdus nematophila was isolated from the hemolymph of Galleria mellonella infected with Steinernema carpocapsae. The bacterial cells and its metabolic secretions have been found lethal to the Galleria larvae. Toxic secretion in broth caused 95% mortality within 4 d of application whereas the bacterial cells caused 93% mortality after 6 d. When filter and sand substrates were compared, the later one was observed as appropriate. Similarly, bacterial cells and secretion in broth were more effective at 14% moisture and 25 °C temperature treatments. Maximum insect mortality (100%) was observed when bacterial concentration of 4×106 cells/ml was used. Similarly, maximum bacterial cells in broth (95%) were penetrated into the insect body within 2 h of their application. However, when stored bacterial toxic secretion was applied to the insects its efficacy declined. On the other hand, when the same toxic secretion was dried and then dissolved either in broth or water was proved to be effective. The present study showed that the bacterium, X. nematophila or its toxic secretion can be used as an important component of integrated pest management against Galleria.

Biological control of black vine weevil (Otiorhynchus sulcatus, Coleoptera: Curculionidae) by entomopathogenic bacteria and their cell-free toxic metabolites

Biocontrol agents such as Xeiwrhabduf, nemalophilci and X. nematophila ssp. bovienii and their cell-free protein toxin complexes were lethal to larvae of O. sulcatus when applied to potting compost in the absence of plants. Similarly, strawberry plants infected with 0. sulcaitfi larvae were protected from damage by applications of both cell suspensions of the bacteria and solutions of their cell-free toxic metabolites, indicating that it is the protein toxins, which are responsible for the lethal effects observed. These toxic metabolites were found more effective against 0. sulccitus larvae when treated in soil microflora. Insect mortality is increased by increasing temperature and bacterial concentration. The toxins remained pathogenic for several months when stored in potting soil either at 15 or 20°C, however, bacterial cells were not as persistent as the toxins. It is therefore suggested that these bacteria and their toxic metabolites can he applied in soil for insect pest control.

The control of root-knot nematodes (Meloidogyne spp.) by Pseudomonas oryzihabitans and its immunological detection on tomato roots

Pseudomonas oryzihabitans, a bacterium associated with the entomopathogenic nematode Steinernema abbasi, was evaluated for its potential to colonise roots and thereby control a field population of root-knot nematodes. Immunological techniques were developed to detect root colonisation of P. oryzihabitans on tomato roots using a specific polyclonal antibody raised against vegetative bacterial cells. In vitro, bacterial cell filtrates were also shown significantly to inhibit juveniles hatching. In a glasshouse pot experiment, there were 22 and 82% fewer females in roots of plants treated with suspensions containing 10(3) and 10(6) cells ml(-1) of P oryzihabitans, respectively. In addition, there were significantly fewer egg masses produced; however, the numbers of eggs per egg mass did not differ significantly. The relationship between root colonisation and nematode control is discussed.

The use of bioluminescence for monitoring in planta growth dynamics of a Pseudomonas syringae plant pathogen

The use of bioluminescence was evaluated as a tool to study Pseudomonas syringae population dynamics in susceptible and resistant plant environments. Plasmid pGLITE, containing the luxCDABE genes from Photorhabdus luminescens, was introduced into Pseudomonas syringae pv. phaseolicola race 7 strain 1449B, a Gram-negative pathogen of bean (Phaseolus vulgaris). Bacteria recovered from plant tissue over a five-day period were enumerated by counting numbers of colony forming units and by measurement of bioluminescence. Direct measurement of bioluminescence from leaf disc homogenates consistently reflected bacterial growth as determined by viable counting, but also detected subtle effects of the plant resistance response on bacterial viability. This bioluminescence procedure enables real time measurement of bacterial metabolism and population dynamics in planta, obviates the need to carry out labour intensive and time consuming traditional enumeration techniques and provides a sensitive assay for studying plant effects on bacterial cells.

Metabolism of Rhizobium bacteroids

Nitrogen fixation within legume nodules results from a complex metabolic exchange between bacteria of the family Rhizobiaciae and the plant host. Carbon is supplied to the differentiated bacterial cells, termed bacteroids, in the form of dicarboxylic acids to fuel nitrogen fixation. In exchange, fixed nitrogen is transferred to the plant. Both the bacteroid and the plant-derived peribacteroid membrane tightly regulate the exchange of metabolites. In the bacteroid oxidation of dicarboxylic acids via the TCA cycle occurs in an oxygen-limited environment. This restricts the TCA cycle at key points, such as the 2-oxoglutarate dehydrogenase complex, and requires that inputs of carbon and reductant are balanced with outputs from the TCA cycle. This may be achieved by metabolism through accessory pathways that can remove intermediates, reductant, or ATP from the cycle. These include synthesis of the carbon polymers PHB and glycogen and bypass pathways such as the recently identified 2-oxoglutarate decarboxylase reaction in soybean bacteroids. Recent labeling data have shown that bacteroids synthesize and secrete amino acids, which has led to controversy over the role of amino acids in nodule metabolism. Here we review bacteroid carbon metabolism in detail, evaluate the labeling studies that relate to amino acid metabolism by bacteroids, and place the work in context with the genome sequences of Mesorhizobium loti and Sinorhizobium meliloti. We also consider a wider range of metabolic pathways that are probably of great importance to rhizobia in the rhizosphere, during nodule initiation, infection thread development, and bacteroid development.