Polysaccharide co-polymerases:the enigmatic conductors of the O-antigen assembly orchestra

The O-antigen lipopolysaccharides on bacterial surface contain variable number of oligosaccharide repeat units with their length having a modal distribution specific to the bacterial strain. The polysaccharide length distribution is controlled by the proteins called polysaccharide co-polymerases (PCPs), which are embedded in the inner membrane in Gram-negative bacteria and form homo oligomers. The 3D structures of periplasmic domains of several PCPs have been determined and provided the first insights into the possible mechanism of polysaccharide length determination mechanism. Here we review the current knowledge of structure and function of these polysaccharide length regulators.

Immunochemical characterization of a polysaccharide antigen of Bacteroides fragilis with an IgM monoclonal antibody

An IgM mouse monoclonal antibody (McAb) Bf4 was produced to a surface polysaccharide of Bacteroides fragilis NCTC 9343. Immunoblotting showed that McAb Bf4 reacted strongly with a high molecular mass structure which was sensitive to oxidation with periodate but resisted protease treatment. An inhibition enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) indicated that McAb Bf4 did not cross react with the sixteen Bacteroides species and strains tested. Cells of B. fragilis NCTC 9343 recovered from the various interfaces of a Percoll discontinuous density gradient were tested in the inhibition ELISA. Bacteria from the 0-20%, 20-40% and 40-60% interfaces inhibited the ELISA; however, cells from the 60-80% interface did not. Electron microscopy with immunogold labelling showed that McAb Bf4 did not react with the extracellular fibrous network on bacteria recovered from the 0-20% interface, or the extracellular electron dense layer on cells from the 60-80% interface; however, it was associated with a surface structure on cells from the 20-40% interface. Growth in vivo did not enrich for bacteria with this structure.

Capsule polysaccharide is a bacterial decoy for antimicrobial peptides

Antimicrobial peptides (APs) are important host weapons against infections. Nearly all APs are cationic and their microbicidal action is initiated through interactions with the anionic bacterial surface. It is known that pathogens have developed countermeasures to resist these agents by reducing the negative charge of membranes, by active efflux and by proteolytic degradation. Here we uncover a new strategy of resistance based on the neutralization of the bactericidal activity of APs by anionic bacterial capsule polysaccharide (CPS). Purified CPSs from Klebsiella pneumoniae K2, Streptococcus pneumoniae serotype 3 and Pseudomonas aeruginosa increased the resistance to polymyxin B of an unencapsulated K. pneumoniae mutant. Furthermore, these CPSs increased the MICs of polymyxin B and human neutrophil alpha-defensin 1 (HNP-1) for unencapsulated K. pneumoniae, Escherichia coli and P. aeruginosa PAO1. Polymyxin B or HNP-1 released CPS from capsulated K. pneumoniae, S. pneumoniae serotype 3 and P. aeruginosa overexpressing CPS. Moreover, this material also reduced the bactericidal activity of APs. We postulate that APs may trigger in vivo the release of CPS, which in turn will protect bacteria against APs. We found that anionic CPSs, but not cationic or uncharged ones, blocked the bactericidal activity of APs by binding them, thereby reducing the amount of peptides reaching the bacterial surface. Supporting this, polycations inhibited such interaction and the bactericidal activity was restored. We postulate that trapping of APs by anionic CPSs is an additional selective virulence trait of these molecules, which could be considered as bacterial decoys for APs.

Characterization and biological role of the O-polysaccharide gene cluster of Yersinia enterocolitica serotype O:9

Yersinia enterocolitica serotype O:9 is a gram-negative enteropathogen that infects animals and humans. The role of lipopolysaccharide (LPS) in Y. enterocolitica O:9 pathogenesis, however, remains unclear. The O:9 LPS consists of lipid A to which is linked the inner core oligosaccharide, serving as an attachment site for both the outer core (OC) hexasaccharide and the O-polysaccharide (OPS; a homopolymer of N-formylperosamine). In this work, we cloned the OPS gene cluster of O:9 and identified 12 genes organized into four operons upstream of the gnd gene. Ten genes were predicted to encode glycosyltransferases, the ATP-binding cassette polysaccharide translocators, or enzymes required for the biosynthesis of GDP-N-formylperosamine. The two remaining genes within the OPS gene cluster, galF and galU, were not ascribed a clear function in OPS biosynthesis; however, the latter gene appeared to be essential for O:9. The biological functions of O:9 OPS and OC were studied using isogenic mutants lacking one or both of these LPS parts. We showed that OPS and OC confer resistance to human complement and polymyxin B; the OPS effect on polymyxin B resistance could be observed only in the absence of OC.

The uptake of a Klebsiella pneumoniae capsule polysaccharide mutant triggers an inflammatory response by human airway epithelial cells

The means by which airway epithelial cells sense a bacterial infection and which intracellular signalling pathways are activated upon infection are poorly understood. A549 cells and human primary airway cells (NHBE) were used to investigate the response to infection with Klebsiella pneumoniae. Infection of A549 and NHBE with K. pneumoniae 52K10, a capsule polysaccharide (CPS) mutant, increased the surface levels of ICAM-1 and caused the release of IL-8. By contrast, the wild-type strain did not elicit these responses. Consistent with a functional role for these responses, there was a correlation between ICAM-1 levels and the number of adherent leukocytes on the epithelial cell surface. In addition, treatment of neutrophils with IL-8 enhanced their ability to kill K. pneumoniae. Strain 52K10 was internalized by A549 cells more efficiently than the wild-type, and when infections with 52K10 were performed in the presence of cytochalasin D the inflammatory response was abrogated. These findings suggest that cellular activation is mediated by bacterial internalization and that CPS prevents the activation through the blockage of bacterial adhesion and uptake. Collectively, the results indicate that bacterial internalization by airway epithelial cells could be the triggering signal for the activation of the innate immune system of the airway. Infection of A549 cells by 52K10 was shown to trigger the nuclear translocation of NF-kappaB. Evidence is presented showing that 52K10 activated IL-8 production through Toll-like receptor (TLR) 2 and TLR4 pathways and that A549 cells could use soluble CD14 as TLR co-receptor.

Capsule polysaccharide mediates bacterial resistance to antimicrobial peptides

The innate immune system plays a critical role in the defense of areas exposed to microorganisms. There is an increasing body of evidence indicating that antimicrobial peptides and proteins (APs) are one of the most important weapons of this system and that they make up the protective front for the respiratory tract. On the other hand, it is known that pathogenic organisms have developed countermeasures to resist these agents such as reducing the net negative charge of the bacterial membranes. Here we report the characterization of a novel mechanism of resistance to APs that is dependent on the bacterial capsule polysaccharide (CPS). Klebsiella pneumoniae CPS mutant was more sensitive than the wild type to human neutrophil defensin 1, beta-defensin 1, lactoferrin, protamine sulfate, and polymyxin B. K. pneumoniae lipopolysaccharide O antigen did not play an important role in AP resistance, and CPS was the only factor conferring protection against polymyxin B in strains lacking O antigen. In addition, we found a significant correlation between the amount of CPS expressed by a given strain and the resistance to polymyxin B. We also showed that K. pneumoniae CPS mutant bound more polymyxin B than the wild-type strain with a concomitant increased in the self-promoted pathway. Taken together, our results suggest that CPS protects bacteria by limiting the interaction of APs with the surface. Finally, we report that K. pneumoniae increased the amount of CPS and upregulated cps transcription when grown in the presence of polymyxin B and lactoferrin.

Extração e estrutura dos polissacarídeos do resíduo do café com atividade imunoestimuladora

As galactomananas das infusões de café apresentam atividade imunoestimuladora in vitro, sendo esta atividade semelhante à das mananas acetiladas extraídas de Aloe vera. As galactomananas presentes no resíduo de café também possuem atividade imunoestimuladora in vitro quando são parcialmente acetiladas. Como as galactomananas são o componente maioritário do resíduo de café e como o café é um produto de largo consumo a nível mundial, o reaproveitamento deste resíduo como fonte de galactomananas com atividade imunoestimuladora deve ser considerado. Esta dissertação procura dar resposta a duas questões: 1. Quais são as estruturas das galactomananas responsáveis pela atividade imunoestimuladora destes polissacarídeos; e 2. Como é que as galactomananas podem ser extraídas quantitativamente do resíduo de café de modo a serem solúveis em água à temperatura ambiente e, assim, poderem ser utilizadas como ingredientes alimentares com atividade imunoestimuladora. A questão 1 foi respondida pela caracterização estrutural de quatro galactomananas, de três origens: a) as galactomananas das infusões de café e do resíduo que apresentaram atividade imunoestimuladora; b) a galactomanana da goma de alfarroba (LBG), que não apresentou atividade imunoestimuladora; e c) a manana acetilada de Aloe vera, que apresentou atividade imunoestimuladora. Estes polissacarídeos foram submetidos à análise de açúcares e de ligações glicosídicas e a hidrólise por endo-β-D- (1→4)-mananase. Os fragmentos de oligossacarídeos mais pequenos foram ainda analisados por espetrometria de massa por ionização de electrospray e espetrometria de massa tandem. As galactomananas das infusões de café, do resíduo de café e do Aloe vera apresentaram grau de ramificação e peso molecular semelhantes, enquanto as galactomananas da LBG apresentaram grau de ramificação e de polimerização maiores. Todas as galactomananas apresentaram resíduos de arabinose como ramificação. O grau de acetilação das galactomananas da LBG foi vestigial enquanto as galactomananas do Aloe vera apresentaram um grau de acetilação de 2,08; para as galactomananas do resíduo de café o grau de acetilação foi de 0,98 e para as infusões foi de 0,08. A localização dos grupos acetilo foi irregular em todos os polímeros. Os resultados obtidos permitem inferir que baixos níveis de ramificação, cadeias pequenas e alguma acetilação parecem promover a atividade imunoestimuladora atribuída às galactomananas. Para responder à questão 2, foi testada uma metodologia que envolveu a torra do resíduo de café a 160 ºC e a 220 ºC e a sua extração com água quente e com soluções de 4 M NaOH à temperatura de 20, 60 e 120 ºC. A torra do resíduo a 160 ºC e a extração sequencial permitiu extrair 56% das galactomananas presentes no resíduo de café e, simultaneamente, 54% das arabinogalactanas. As galactomananas mantiveram a sua estrutura caraterística de polissacarídeo acetilado composto por uma cadeira principal de resíduos de manose em ligação β-(1→4) e resíduos de Gal e Ara nas cadeias laterais. A 220 ºC, as galactomananas foram parcialmente degradadas e o rendimento de extração foi muito menor do que a 160 ºC. No entanto, mesmo a esta temperatura as galactomananas apresentaram resíduos acetilados e a presença de pentoses nas cadeias laterais, o que permite inferir a elevada resistência destes polissacarídeos à temperatura e aos reagentes alcalinos. De forma a melhor compreender a estabilidade térmica das galactomananas do resíduo de café e a influência que a presença de arabinogalactanas pode ter na sua estabilidade, foi feita uma análise termogravimétrica aos polissacarídeos extraídos do resíduo de café assim como a polissacarídeos relacionados estruturalmente com estes, como a celulose, a galactomanana de LBG e a goma arábica, uma arabinogalactana. As galactomananas são termicamente estáveis durante 3 h a 200 ºC, enquanto as arabinogalactanas são estáveis a 180 ºC. De acordo com os perfis dos termogramas obtidos, e pelo cálculo das energias de ativação da degradação térmica, o resíduo de café apresenta uma estabilidade térmica menor do que a galactomanana, possivelmente devido à presença de arabinogalactanas. Apesar de não se ter verificado alterações no termograma da galactomanana do café submetida a um tratamento térmico de 200 ºC durante 3 h, verificam-se alterações estruturais que envolvem a formação de novas ligações glicosídicas, nomeadamente, a formação de resíduos de manose ligados em O-2 e em O-6, reações de transglicosilação, despolimerização, formação de resíduos de anidro-hexoses no terminal redutor e isomerização manose-glucose. Estas alterações promovem a solubilização das galactomananas. Os resultados obtidos permitem propor que o resíduo de café possa ser submetido a uma torra seguida de extração com reagentes alcalinos a quente para obtenção das galactomananas com rendimentos elevados. Estes polissacarídeos podem tornar-se solúveis em água após tratamento térmico a 200 ºC, permitindo assim a sua utilização em formulações alimentares, nomeadamente, por preparação de compostos acetilados com baixos níveis de ramificação e cadeias pequenas de modo a promover a sua atividade imunoestimuladora.

Estratégias de alteração da funcionalidade de proteínas de soja

Este trabalho teve como principal objetivo estudar e modificar as propriedades funcionais das proteínas de soja de forma a otimizar e diversificar a sua aplicação industrial. Para tal, foram propostas e estudadas quatro estratégias: i) extração do isolado de proteínas de soja (IPS) a partir de diferentes matérias-primas, ii) adição de galactomananas (GM) com graus de ramificação e massas moleculares diferentes, iii) hidrólise enzimática controlada das proteínas de soja, iv) processamento por alta pressão hidrostática. O estudo e a interpretação da influência destas estratégias sobre as propriedades funcionais das proteínas de soja, nomeadamente, na capacidade gelificante e emulsionante, foram realizados recorrendo fundamentalmente a ensaios reológicos dinâmicos a baixas deformação, espectroscopia de infravermelho, electroforeses, calorimetria diferencial de varrimento e ensaios de microscopia confocal de varrimento laser. O estudo da extração e caracterização dos isolados de proteínas de soja obtidos a partir de diferentes matérias-primas permitiu concluir que as caraterísticas físico-químicas dos isolados são dependentes da origem da matéria-prima de extração e da severidade dos tratamentos industriais prévios à extração do isolado. Contudo, as propriedades viscoelásticas dos géis obtidos por aquecimento controlado não foram significativamente distintas embora tenha sido possível relacionar o grau de agregação com a diminuição da temperatura de gelificação e com o aumento inicial dos módulos viscoelásticos. As alterações sofridas pelos isolados de origem comercial mostraram ser irreversíveis resultando em géis menos rígidos e com maior caráter viscoso. A adição de galactomanana alterou significativamente o mecanismo de gelificação induzido termicamente das proteínas de soja, bem como as propriedades viscoelásticas dos géis e a microestrutura dos géis, demonstrando-se a ocorrência de separação de fases, em virtude da incompatibilidade termodinâmica entre os biopolímeros, resultando em géis mais rígidos e no decréscimo da temperatura de gelificação. A extensão destas alterações foi dependente da massa molecular, grau de ramificação e da razão IPS/GM. O efeito da hidrólise enzimática por ação da bromelina, nas propriedades gelificantes e emulsionantes das proteínas de soja, mostrou ser dependente do grau de hidrólise (GH). Valores de GH inferiores a 15 % melhoraram as propriedades gelificantes das proteínas de soja. Por outro lado, o aumento do GH teve um efeito negativo nas propriedades emulsionantes, o qual foi atenuado por adição da goma de alfarroba, com efeito positivo na gelificação das proteínas de soja. A concentração crítica limite de compatibilidade entre os hidrolisados de proteína de soja e a goma de alfarroba aumentou com o decréscimo do GH e da massa molecular do polissacacrídeo. O efeito da AP sobre as propriedades físico-químicas e funcionais dos IPS foi influenciado pela origem do isolado e pelas condições de tratamento. O processamento até 100 MPa desencadeou um aumento da atividade emulsionante e considerável melhoria da capacidade gelificante. Contudo, valores de pressão superiores promoveram a desnaturação das proteínas constituintes dos isolados, resultando no decréscimo da temperatura de gelificação e numa re-associação das subunidades proteicas, diminuindo a elasticidade dos géis finais. Os resultados sugeriram que as alterações nas proteínas de soja promovidas durante o tratamento por AP constituem um fator limitante para o desdobramento e re-associação durante o aquecimento térmico, necessários para a formação e fortalecimento de gel formado. O processamento por AP influenciou a estrutura secundária e a microestrutura das amostras. A presença de GA teve um papel baroprotetor. Assim, com este trabalho demonstrou-se que com as estratégias seguidas para manipulação das propriedades funcionais de proteínas de soja, nomeadamente através da adição de um polissacarídeo com propriedades estruturais controladas, da adequada combinação da adição de um polissacarídeo neutro com a hidrólise controlada das proteínas ou com tratamento por alta pressão, é possível a criação de novas funcionalidades, com utilidade no desenvolvimento de novas formulações alimentares, permitindo expandir a aplicação destas proteínas vegetais.

Spray-dried polysaccharide microparticles aimed at pulmonary delivery of antitubercular drugs

Dissertação de mestrado, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2015

Locust bean gum-based microparticles for pulmonary delivery of antibiotics

Dissertação de Mestrado, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2016

A RG-II type polysaccharide purified from Aconitum coreanum and their anti-inflammatory activity

Korean mondshood root polysaccharides (KMPS) isolated from the root of Aconitum coreanum (Lévl.) Rapaics have shown anti-inflammatory activity, which is strongly influenced by their chemical structures and chain conformations. However, the mechanisms of the anti-inflammatory effect by these polysaccharides have yet to be elucidated. A RG-II polysaccharide (KMPS-2E, Mw 84.8 kDa) was isolated from KMPS and its chemical structure was characterized by FT-IR and NMR spectroscopy, gas chromatography–mass spectrometry and high-performance liquid chromatography. The backbone of KMPS-2E consisted of units of [→6) -β-D-Galp (1→3)-β-L-Rhap-(1→4)-β-D-GalpA-(1→3)-β-D-Galp-(1→] with the side chain →5)-β-D-Arap (1→3, 5)-β-D-Arap (1→ attached to the backbone through O-4 of (1→3,4)-L-Rhap. T-β-D-Galp is attached to the backbone through O-6 of (1→3,6)-β-D-Galp residues and T-β-D-Ara is connected to the end group of each chain. The anti-inflammatory effects of KMPS-2E and the underlying mechanisms using lipopolysaccharide (LPS) - stimulated RAW 264.7 macrophages and carrageenan-induced hind paw edema were investigated. KMPS-2E (50, 100 and 200 µg/mL) inhibits iNOS, TLR4, phospho-NF-κB–p65 expression, phosphor-IKK, phosphor-IκB-α expression as well as the degradation of IκB-α and the gene expression of inflammatory cytokines (TNF-α, IL-1β, iNOS and IL-6) mediated by the NF-κB signal pathways in macrophages. KMPS-2E also inhibited LPS-induced activation of NF-κB as assayed by electrophorectic mobility shift assay (EMSA) in a dose-dependent manner and it reduced NF-κB DNA binding affinity by 62.1% at 200µg/mL. In rats, KMPS-2E (200 mg/kg) can significantly inhibit carrageenan-induced paw edema as ibuprofen (200 mg/kg) within 3 h after a single oral dose. The results indicate that KMPS-2E is a promising herb-derived drug against acute inflammation.

Investigation of the impact of feeding Lactobacillus plantarum CRL 1815 encapsulated in microbially derived polymers on the rat faecal microbiota

AIMS: The aim of this study was to evaluate the impact of the administration of microencapsulated Lactobacillus plantarum CRL 1815 with two combinations of microbially derived polysaccharides, xanthan : gellan gum (1%:0·75%) and jamilan : gellan gum (1%:1%), on the rat faecal microbiota. METHODS AND RESULTS: A 10-day feeding study was performed for each polymer combination in groups of 16 rats fed either with placebo capsules, free or encapsulated Lact. plantarum or water. The composition of the faecal microbiota was analysed by fluorescence in situ hybridization and temporal temperature gradient gel electrophoresis. Degradation of placebo capsules was detected, with increased levels of polysaccharide-degrading bacteria. Xanthan : gellan gum capsules were shown to reduce the Bifidobacterium population and increase the Clostridium histolyticum group levels, but not jamilan : gellan gum capsules. Only after administration of jamilan : gellan gum-probiotic capsules was detected a significant increase in Lactobacillus-Enterococcus group levels compared to controls (capsules and probiotic) as well as two bands were identified as Lact. plantarum in two profiles of ileum samples. CONCLUSIONS: Exopolysaccharides constitute an interesting approach for colon-targeted delivery of probiotics, where jamilan : gellan gum capsules present better biocompatibility and promising results as a probiotic carrier. SIGNIFICANCE AND IMPACT OF STUDY: This study introduces and highlights the importance of biological compatibility in the encapsulating material election, as they can modulate the gut microbiota by themselves, and the use of bacterial exopolysaccharides as a powerful source of new targeted-delivery coating material.

Studies of the assembly of the Streptococcus pneumoniae capsular polysaccharide

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology.