Development of infrared spectroscopy for assessing bacterial quality in foods

Rapid and specific detection of foodborne bacteria that can cause food spoilage or illness associated to its consumption is an increasingly important task in food industry. Bacterial detection, identification, and classification are generally performed using traditional methods based on biochemical or serological tests and the molecular methods based on DNA or RNA fingerprints. However, these methodologies are expensive, time consuming and laborious. Infrared spectroscopy is a reliable, rapid, and economic technique which could be explored as a tool for bacterial analysis in the food industry. In this thesis it was evaluated the potential of IR spectroscopy to study the bacterial quality of foods. In Chapter 2, it was developed a calibration model that successfully allowed to predict the bacterial concentration of naturally contaminated cooked ham samples kept at refrigeration temperature during 8 days. In this part, it was developed the methodology that allowed the best reproducibility of spectra from bacteria colonies with minimal sample preparation, which was used in the subsequent work. Several attempts trying different resolutions and number of scans in the IR were made. A spectral resolution of 4 cm-1, with 32 scans were the settings that allowed the best results. Subsequently, in Chapter 3, it was made an attempt to identify 22 different foodborne bacterial genera/species using IR spectroscopy coupled with multivariate analysis. The principal component analysis, used as an exploratory technique, allowed to form distinct groups, each one corresponding to a different genus, in most of the cases. Then, a hierarchical cluster analysis was performed to further analyse the group formation and the possibility of distinction between species of the same bacterial genus. It was observed that IR spectroscopy not only is suitable to the distinction of the different genera, but also to differentiate species of the same genus, with the simultaneous use of principal component analysis and cluster analysis techniques. The utilization of IR spectroscopy and multivariate statistical analysis were also investigated in Chapter 4, in order to confirm the presence of Listeria monocytogenes and Salmonella spp. isolated from contaminated foods, after growth in selective medium. This would allow to substitute the traditional biochemical and serological methods that are used to confirm these pathogens and that delay the obtainment of the results up to 2 days. The obtained results allowed the distinction of 3 different Listeria species and the distinction of Salmonella spp. from other bacteria that can be mistaken with them. Finally, in chapter 5, high pressure processing, an emerging methodology that permits to produce microbiologically safe foods and extend their shelf-life, was applied to 12 foodborne bacteria to determine their resistance and the effects of pressure in cells. A treatment of 300 MPa, during 15 minutes at room temperature was applied. Gram-negative bacteria were inactivated to undetectable levels and Gram-positive showed different resistances. Bacillus cereus and Staphylococcus aureus decreased only 2 logs and Listeria innocua decreased about 5 logs. IR spectroscopy was performed in bacterial colonies before and after HPP in order to investigate the alterations of the cellular compounds. It was found that high pressure alters bands assigned to some cellular components as proteins, lipids, oligopolysaccharides, phosphate groups from the cell wall and nucleic acids, suggesting disruption of the cell envelopes. In this work, bacterial quantification and classification, as well as assessment of cellular compounds modification with high pressure processing were successfully performed. Taking this into account, it was showed that IR spectroscopy is a very promising technique to analyse bacteria in a simple and inexpensive manner.

Bacterial inter-species communication mediated by the autoinducer-2 signal

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology by Universidade Nova de Lisboa, Instituto de Tecnologia Química e Biológica, Instituto Gulbenkian de Ciência.

New sensing materials of molecularly-imprinted polymers for the selective recognition of Chlortetracycline

As a result of the stressful conditions in aquaculture facilities there is a high risk of bacterial infections among cultured fish. Chlortetracycline (CTC) is one of the antimicrobials used to solve this problem. It is a broad spectrum antibacterial active against a wide range of Gram-positive and Gram-negative bacteria. Numerous analytical methods for screening, identifying, and quantifying CTC in animal products have been developed over the years. An alternative and advantageous method should rely on expeditious and efficient procedures providing highly specific and sensitive measurements in food samples. Ion-selective electrodes (ISEs) could meet these criteria. The only ISE reported in literature for this purpose used traditional electro-active materials. A selectivity enhancement could however be achieved after improving the analyte recognition by molecularly imprinted polymers (MIPs). Several MIP particles were synthesized and used as electro-active materials. ISEs based in methacrylic acid monomers showed the best analytical performance according to slope (62.5 and 68.6 mV/decade) and detection limit (4.1 × 10−5 and 5.5 × 10−5 mol L−1). The electrodes displayed good selectivity. The ISEs are not affected by pH changes ranging from 2.5 to 13. The sensors were successfully applied to the analysis of serum, urine and fish samples.

Non-clinical isolates bring new findings on enterococcal virulence

Dissertation presented to obtain the PhD degree in Biology

Dissecting the function of the SpoIIIJ and YqjG membrane protein insertases during bacterial spore development

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

Semisynthetic aminoglycoside antibiotics : toward biomimetic synthesis, evasion of bacterial resistance and reduced toxicity

Les antibiotiques aminoglycosidiques sont des agents bactéricides de grande valeur et d’efficacité à large spectre contre les pathogènes Gram-positifs et Gram-négatifs, dont plusieurs membres naturels et semisynthétiques sont importants dans l’histoire clinique depuis 1950. Des travaux crystallographiques sur le ribosome, récompensés par le prix Nobel, ont démontré comment leurs diverses structures polyaminées sont adaptées pour cibler une hélice d’ARN dans le centre de codage de la sous-unité 30S du ribosome bactérien. Leur interférence avec l’affinité et la cinétique des étapes de sélection et vérification des tARN induit la synthèse de protéines à basse fidélité, et l’inhibition de la translocation, établissant un cercle vicieux d’accumulation d’antibiotique et de stress sur la membrane. En réponse à ces pressions, les pathogènes bactériens ont évolué et disséminé une panoplie de mécanismes de résistance enzymatiques et d’expulsion : tels que les N acétyltransférases, les O phosphotransférases et les O nucleotidyltransférases qui ciblent les groupements hydroxyle et amino sur le coeur des aminoglycosides; des méthyl-transférases, qui ciblent le site de liaison ribosomale; et des pompes d’expulsion actives pour l’élimination sélective des aminoglycosides, qui sont utilisés par les souches Gram-négatives. Les pathogènes les plus problématiques, qui présentent aujourd’hui une forte résilience envers la majorité des classes d’antibiotiques sur le bord de la pan-résistance ont été nommés des bactéries ESKAPE, une mnémonique pour Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa et Enterobacteriaceae. La distribution globale des souches avec des mécanismes de résistance envers les standards cliniques aminoglycosides, tels que la tobramycine, l’amikacine et la gentamicine, est comprise entre 20 et 60% des isolées cliniques. Ainsi, les aminoglycosides du type 4,6-disubstitués-2-deoxystreptamine sont inadéquats comme thérapies anti-infectieuses à large spectre. Cependant, la famille des aminoglycosides 4,5-disubstitués, incluant la butirosine, la neomycine et la paromomycine, dont la structure plus complexe, pourrait constituter une alternative. Des collègues dans le groupe Hanessian et collaborateurs d’Achaogen Inc. ont démontré que certains analogues de la paraomomycine et neomycine, modifiés par désoxygénation sur les positions 3’ et 4’, et par substitution avec la chaîne N1-α-hydroxy-γ-aminobutyramide (HABA) provenant de la butirosine, pourrait produire des antibiotiques très prometteurs. Le Chapitre 4 de cette dissertation présente la conception et le développement d’une stratégie semi-synthétique pour produire des nouveaux aminoglycosides améliorés du type 4,5 disubstitués, inspiré par des modifications biosynthétiques de la sisomicine, qui frustrent les mécanismes de résistance bactérienne distribuées globalement. Cette voie de synthèse dépend d’une réaction d’hydrogénolyse de type Tsuji catalysée par palladium, d’abord développée sur des modèles monosaccharides puis subséquemment appliquée pour générer un ensemble d’aminoglycosides hybrides entre la neomycine et la sisomicine. Les études structure-activité des divers analogues de cette nouvelle classe ont été évaluées sur une gamme de 26 souches bactériennes exprimant des mécanismes de résistance enzymatique et d’expulsion qui englobe l’ensemble des pathogènes ESKAPE. Deux des antibiotiques hybrides ont une couverture antibacterienne excellente, et cette étude a mis en évidence des candidats prometteurs pour le développement préclinique. La thérapie avec les antibiotiques aminoglycosidiques est toujours associée à une probabilité de complications néphrotoxiques. Le potentiel de toxicité de chaque aminoglycoside peut être largement corrélé avec le nombre de groupements amino et de désoxygénations. Une hypothèse de longue date dans le domaine indique que les interactions principales sont effectuées par des sels des groupements ammonium, donc l’ajustement des paramètres de pKa pourrait provoquer une dissociation plus rapide avec leurs cibles, une clairance plus efficace et globalement des analogues moins néphrotoxiques. Le Chapitre 5 de cette dissertation présente la conception et la synthèse asymétrique de chaînes N1 HABA β substitutées par mono- et bis-fluoration. Des chaînes qui possèdent des γ-N pKa dans l’intervalle entre 10 et 7.5 ont été appliquées sur une neomycine tétra-désoxygénée pour produire des antibiotiques avancés. Malgré la réduction considérable du γ N pKa, le large spectre bactéricide n’a pas été significativement affecté pour les analogues fluorés isosteriques. De plus, des études structure-toxicité évaluées avec une analyse d’apoptose propriétaire d’Achaogen ont démontré que la nouvelle chaîne β,β difluoro-N1-HABA est moins nocive sur un modèle de cellules de rein humain HK2 et elle est prometteuse pour le développement d’antibiotiques du type neomycine avec des propriétés thérapeutiques améliorées. Le chapitre final de cette dissertation présente la proposition et validation d’une synthèse biomimétique par assemblage spontané du aminoglycoside 66-40C, un dimère C2 symétrique bis-imine macrocyclique à 16 membres. La structure proposée du macrocycle a été affinée par spectroscopie nucléaire à un système trans,trans-bis-azadiène anti-parallèle. Des calculs indiquent que l’effet anomérique de la liaison α glycosidique entre les anneaux A et B fournit la pré-organisation pour le monomère 6’ aldéhydo sisomicine et favorise le produit macrocyclique observé. L’assemblage spontané dans l’eau a été étudié par la dimérisation de trois divers analogues et par des expériences d’entre croisement qui ont démontré la généralité et la stabilité du motif macrocyclique de l'aminoglycoside 66-40C.

Système de recombinaison Xer chez Staphylococcus aureus

Le système de recombinaison Xer est impliqué dans la monomerisation des réplicons bactériens, comme les plasmides et les chromosomes, dans une grande variété de bactéries. Ce système est un système de recombinaison site-spécifique composé de deux tyrosine recombinases, soit XerC et XerD. Ils agissent ensemble afin de convertir les chromosomes dimériques en monomères en agissant à un site spécifique près du terminus de la réplication, appelé le site dif. Les gènes Xer et leur site d’action sont identifiés dans plusieurs bactéries gram positives et gram négatives. Staphylococcus aureus représente une bactérie gram positive qui contient un système XerCD/dif. Elle est impliqué dans plusieurs maladies humaines, tels que des infections cutanées, des gastroentérites, et le syndrome de choc toxique, pour en nommer quelques unes. Bien que les gènes codant les protéines XerC et XerD ont été identifiés, il y a beaucoup d’inconnu sur leur mode d’action au site dif. Des mutations dans XerC ont été obtenues, mais aucune dans XerD, suggérant que ce gène pourrait être essentiel pour cet organisme. Les études présentées dans ce mémoire ont permis de commencer à mieux caractériser XerD de S. aureus, en séquençant le gène et en faisant des tests de liaison à l’ADN. Elles ont montré que la recombinase XerD se lie au site dif d’Eschericia coli seul et de façon coopérative avec la recombinase XerC d’E. coli. XerD de S. aureus est, aussi, efficace dans la complémentation de XerD muté d’E. coli dans la réaction de recombinaison chromosomique. Cependant, elle ne démontre pas cette même capacité de complémentation lors de la recombinaison plasmidique aux sites cer.

Les macrophages d’ascendance européenne et africaine répondent différemment aux infections bactériennes

Des études antérieures démontrent que les descendants de peuples européens et africains présentent des différences de susceptibilité à certaines maladies infectieuses. Ces différences suggèrent des variations interpopulationnelles de la réponse immunitaire qui résultent probablement de l’adaptation de ces individus aux pathogènes de leur environnement. Nous avons caractérisé la réponse immunitaire chez des descendants de peuples européens et africains à des infections bactériennes. Nous avons infecté des macrophages dérivés de monocytes de 30 Américains d’origine africaine (Africains) et de 31 Américains d’origine européenne (Européens) avec les pathogènes intracellulaires Listeria monocytogenes et Salmonella typhimurium pendant 4 heures, puis nous avons mesuré le niveau d’expression pangénomique des cellules infectées et non infectées par séquençage de l’ARNm. Nous avons estimé le niveau de contrôle de l’infection par les macrophages à 2, 4 et 24 heures post-infection en évaluant le taux de survie des bactéries. Nous avons observé que les Africains présentent significativement moins de bactéries intracellulaires après 4 et 24 heures que les Européens, suggérant que les Africains contrôlent mieux les infections bactériennes. Nous avons identifié des différences interpopulationnelles dans le niveau de sécrétion des cytokines et dans le niveau d’expression de certains gènes, ce qui suggère que les Africains modulent une réponse inflammatoire plus forte que les Européens. Nous avons démontré que plusieurs de ces gènes ont subi des évènements de sélection positive récents seulement chez les Européens. Notre étude a identifié plusieurs gènes candidats susceptibles d’influencer le cours des infections bactériennes chez les humains. Nos résultats indiquent que les différences dans la progression des maladies infectieuses entre les populations européennes et africaines seraient le résultat de la sélection naturelle.

Actividad antibacteriana del aceite esencial de la conobea scopariodes frente a cinco cepas bacterianas de interés clínico en Colombia

En Colombia el manejo de pacientes en los diferentes servicios hospitalarios han presentado inconvenientes en el combate de infecciones por bacterias y la resistencia de las mismas; el Staphylococcus aureus Escherichia coli y Pseudomonas aeruginosa, han demostrado evolución en la creación de generaciones resistentes y también han participado junto con la Salmonella y el B.cereus en brotes por ETAS como principales microorganismos causales. En el presente estudio se analizó el aceite esencial de la Conobea scoparioides para evaluar su actividad frente a cinco cepas bacterianas. Se obtuvo el AE y se prepararon las bacterias aplicándose pruebas de sensibilidad y no paramétricas para determinar el porcentaje de inhibición, la evaluación de la MIC y comparar la efectividad del aceite vs la estreptomicina. El aceite esencial presentó actividad principalmente contra el B. cereus con el mayor % de inhibición y una MIC de 3.2 ug/ml, caso diferente presentó P. aeruginosa con un % de crecimiento por encima del 50% presentando una MIC de 16.7 ug/ml. Finalmente podemos concluir que se presentó mayor actividad frente a bacterias gram positivas como el caso del B. cereus que en gram negativas con MIC bajas. Estos resultados permite comparar la actividad de la conobea con estudios recientes bajo la misma modalidad que permiten identificar nuevas plantas con actividad biológica y percibir que la conobea es efectiva en mayor proporción frente a bacterias gram positivas.

The staphylococcus aureus surface protein IsdA mediates resistance to the innate defenses of human skin

Resistance to human skin innate defenses is crucial for survival and carriage of Staphylococcus aureus, a common cutaneous pathogen and nasal colonizer. Free fatty acids extracted from human skin sebum possess potent antimicrobial activity against S. aureus. The mechanisms by which S. aureus overcomes this host defense during colonization remain unknown. Here, we show that S. aureus IsdA, a surface protein produced in response to the host, decreases bacterial cellular hydrophobicity rendering them resistant to bactericidal human skin fatty acids and peptides. IsdA is required for survival of S. aureus on live human skin. Reciprocally, skin fatty acids prevent the production of virulence determinants and the induction of antibiotic resistance in S. aureus and other Gram-positive pathogens. A purified human skin fatty acid was effective in treating systemic and topical infections of S. aureus suggesting that our natural defense mechanisms can be exploited to combat drug-resistant pathogens.

Endophytic bacterial community composition in wheat (Triticum aestivum) is determined by plant tissue type, developmental stage and soil nutrient availability

Aims: To understand effects of tissue type, growth stage and soil fertilisers on bacterial endophyte communities of winter wheat (Triticum aestivum cv. Hereward). Methods: Endophytes were isolated from wheat grown under six fertiliser conditions in the long term Broadbalk Experiment at Rothamsted Research, UK. Samples were taken in May and July from root and leaf tissues. Results: Root and leaf communities differed in abundance and composition of endophytes. Endophytes were most abundant in roots and the Proteobacteria were most prevalent. In contrast, Firmicutes and Actinobacteria, the Gram positive phyla, were most prevalent in the leaves. Both fertiliser treatment and sample time influenced abundance and relative proportions of each phylum and genus in the endosphere. A higher density of endophytes was found in the Nil input treatment plants. Conclusions: Robust isolation techniques and stringent controls are critical for accurate recovery of endophytes. The plant tissue type, plant growth stage, and soil fertiliser treatment all contribute to the composition of the endophytic bacterial community in wheat. These results should help facilitate targeted development of endophytes for beneficial applications in agriculture.

Bacteriologic investigation of the effects of sodium hypochlorite and chlorhexidine during the endodontic treatment of teeth with apical periodontitis

SIQUEIRA JR. et al. Bacteriologic investigation of the effects of sodium hypochlorite and chlorhexidine during the endodontic treatment of teeth with apical periodontitis. Oral Surg. Oral Med. Oral Pathol. Oral Radiol. Endod., v. 104, n. 1, p. 122-130, 2007.

Bacterial diversity in soil in response to different plans, phosphate fertilizers and liming

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Bacterial sterilization by a dielectric barrier discharge (DBD) in air

Cold atmospheric plasma treatment of microorganisms and living tissues has become a popular topic in modern plasma physics and in medical science. The plasma is capable of bacterial inactivation and noninflammatory tissue modification, which makes it an attractive tool for treatment of skin diseases, open injuries and dental caries. Because of their enhanced plasma chemistry, Dielectric Barrier Discharges (DBDs) have been widely investigated for some emerging applications such as biological and chemical decontamination of media at ambient conditions. Despite the high breakdown voltage in air at atmospheric pressure, the average current of DBD discharges is low. Therefore, a DBD can be applied in direct contact with biological objects without causing any damage. In this work a 60 Hz DBD reactor, which generates cold atmospheric plasma inside Petri dishes with bacterial culture, is investigated. Samples of Staphylococcus aureus, a Gram-positive bacterium and Escherichia coil a Gram-negative bacterium were selected for this study. The bacterial suspensions were evenly spread on agar media planted in Petri dishes. The reactor electrodes were placed outside the Petri dish, thus eliminating the risk of samples microbial contamination. The covered Petri dish with agar medium in it serves as dielectric barrier during the treatment. The plasma processing was conducted at same discharge power (similar to 1.0 W) with different exposure time. Sterilization of E. coil and S. aureus was achieved for less than 20 min. Plasma induced structural damages of bacteria were investigated by Scanning Electron Microscopy. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Microbiological evaluation of different strategies for management of snakes in captivity

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)