Improvements in Fermentative Hydrogen Production through Physiological Manipulation and Metabolic Engineering

La production biologique d'hydrogène (H2) représente une technologie possible pour la production à grande échelle durable de H2 nécessaire pour l'économie future de l'hydrogène. Cependant, l'obstacle majeur à l'élaboration d'un processus pratique a été la faiblesse des rendements qui sont obtenus, généralement autour de 25%, bien en sous des rendements pouvant être atteints pour la production de biocarburants à partir d'autres processus. L'objectif de cette thèse était de tenter d'améliorer la production d'H2 par la manipulation physiologique et le génie métabolique. Une hypothèse qui a été étudiée était que la production d'H2 pourrait être améliorée et rendue plus économique en utilisant un procédé de fermentation microaérobie sombre car cela pourrait fournir la puissance supplémentaire nécessaire pour une conversion plus complète du substrat et donc une production plus grande d'H2 sans l'aide de l'énergie lumineuse. Les concentrations optimales d’O2 pour la production de H2 microaérobie ont été examinées ainsi que l'impact des sources de carbone et d'azote sur le processus. La recherche présentée ici a démontré la capacité de Rhodobacter capsulatus JP91 hup- (un mutant déficient d’absorption-hydrogénase) de produire de l'H2 sous condition microaérobie sombre avec une limitation dans des quantités d’O2 et d'azote fixé. D'autres travaux devraient être entrepris pour augmenter les rendements d'H2 en utilisant cette technologie. De plus, un processus de photofermentation a été créé pour améliorer le rendement d’H2 à partir du glucose à l'aide de R. capsulatus JP91 hup- soit en mode non renouvelé (batch) et / ou en conditions de culture en continu. Certains défis techniques ont été surmontés en mettant en place des conditions adéquates de fonctionnement pour un rendement accru d'H2. Un rendement maximal de 3,3 mols de H2/ mol de glucose a été trouvé pour les cultures en batch tandis que pour les cultures en continu, il était de 10,3 mols H2/ mol de glucose, beaucoup plus élevé que celui rapporté antérieurement et proche de la valeur maximale théorique de 12 mols H2/ mol de glucose. Dans les cultures en batch l'efficacité maximale de conversion d’énergie lumineuse était de 0,7% alors qu'elle était de 1,34% dans les cultures en continu avec un rendement de conversion maximum de la valeur de chauffage du glucose de 91,14%. Diverses autres approches pour l'augmentation des rendements des processus de photofermentation sont proposées. Les résultats globaux indiquent qu'un processus photofermentatif efficace de production d'H2 à partir du glucose en une seule étape avec des cultures en continu dans des photobioréacteurs pourrait être développé ce qui serait un processus beaucoup plus prometteur que les processus en deux étapes ou avec les co-cultures étudiés antérieurément. En outre, l'expression hétérologue d’hydrogenase a été utilisée comme une stratégie d'ingénierie métabolique afin d'améliorer la production d'H2 par fermentation. La capacité d'exprimer une hydrogénase d'une espèce avec des gènes de maturation d'une autre espèce a été examinée. Une stratégie a démontré que la protéine HydA orpheline de R. rubrum est fonctionnelle et active lorsque co-exprimée chez Escherichia coli avec HydE, HydF et HydG provenant d'organisme différent. La co-expression des gènes [FeFe]-hydrogénase structurels et de maturation dans des micro-organismes qui n'ont pas une [FeFe]-hydrogénase indigène peut entraîner le succès dans l'assemblage et la biosynthèse d'hydrogénase active. Toutefois, d'autres facteurs peuvent être nécessaires pour obtenir des rendements considérablement augmentés en protéines ainsi que l'activité spécifique des hydrogénases recombinantes. Une autre stratégie a consisté à surexprimer une [FeFe]-hydrogénase très active dans une souche hôte de E. coli. L'expression d'une hydrogénase qui peut interagir directement avec le NADPH est souhaitable car cela, plutôt que de la ferrédoxine réduite, est naturellement produit par le métabolisme. Toutefois, la maturation de ce type d'hydrogénase chez E. coli n'a pas été rapportée auparavant. L'opéron hnd (hndA, B, C, D) de Desulfovibrio fructosovorans code pour une [FeFe]-hydrogénase NADP-dépendante, a été exprimé dans différentes souches d’E. coli avec les gènes de maturation hydE, hydF et hydG de Clostridium acetobutylicum. L'activité de l'hydrogénase a été détectée in vitro, donc une NADP-dépendante [FeFe]-hydrogénase multimérique active a été exprimée avec succès chez E. coli pour la première fois. Les recherches futures pourraient conduire à l'expression de cette enzyme chez les souches de E. coli qui produisent plus de NADPH, ouvrant la voie à une augmentation des rendements d'hydrogène via la voie des pentoses phosphates.

Rôle du régulateur Fur et des petits ARN non codants RfrA et RfrB dans l’homéostasie du fer et la virulence de Salmonella

La régulation de l’homéostasie du fer est cruciale chez les bactéries. Chez Salmonella, l’expression des gènes d’acquisition et du métabolisme du fer au moment approprié est importante pour sa survie et sa virulence. Cette régulation est effectuée par la protéine Fur et les petits ARN non codants RfrA et RfrB. Le rôle de ces régulateurs est d’assurer que le niveau de fer soit assez élevé pour la survie et le métabolisme de Salmonella, et assez faible pour éviter l’effet toxique du fer en présence d’oxygène. Les connaissances concernant le rôle de ces régulateurs ont été principalement obtenues par des études chez S. Typhimurium, un sérovar généraliste causant une gastro-entérite chez les humains. Très peu d’informations sont connues sur le rôle de ces régulateurs chez S. Typhi, un sérovar humain-spécifique responsable de la fièvre typhoïde. Le but de cette étude était de déterminer les rôles de Fur, RfrA et RfrB dans l’homéostasie du fer et la virulence de Salmonella, et de démontrer qu’ils ont une implication distincte chez les sérovars Typhi et Typhimurium. Premièrement, Fur, RfrA et RfrB régulent l’homéostasie du fer de Salmonella. Les résultats de cette étude ont démontré que Fur est requis pour la résistance au stress oxydatif et pour une croissance optimale dans différentes conditions in vitro. La sensibilité du mutant fur est due à l’expression des petits ARN RfrA et RfrB, et cette sensibilité est beaucoup plus importante chez S. Typhi que chez S. Typhimurium. Également, Fur inhibe la transcription des gènes codant pour les sidérophores en conditions riches en fer, tandis que les petits ARN RfrA et RfrB semblent être importants pour la production d’entérobactine et de salmochélines chez S. Typhi lors de conditions pauvres en fer. Ensuite, ces régulateurs affectent la virulence de Salmonella. Fur est important pour la motilité de Salmonella, particulièrement chez S. Typhi. Fur est nécessaire pour l’invasion des deux sérovars dans les cellules épithéliales, et pour l’entrée et la survie de S. Typhi dans les macrophages. Chez S. Typhimurium, Fur ne semble pas impliqué dans l’interaction avec les macrophages. De plus, les petits ARN RfrA et RfrB sont importants pour la multiplication intracellulaire de Salmonella dans les macrophages pour les deux sérovars. Finalement, la protéine Fur et les petits ARN RfrA et RfrB régulent l’expression de l’opéron fimbriaire tcf, absent du génome de S. Typhimurium. Un site de liaison putatif de la protéine Fur a été identifié dans la région promotrice de tcfA chez S. Typhi, mais une régulation directe n’a pas été confirmée. L’expression de tcf est induite par le fer et par Fur, et est inhibée par les petits ARN RfrA et RfrB. Ainsi, ces régulateurs affectent des gènes de virulence qui sont retrouvés spécifiquement chez S. Typhi. En somme, ce projet a permis de démontrer que les régulateurs de l’homéostasie du fer de Salmonella peuvent affecter la résistance de cette bactérie pathogène à différents stress, notamment le stress oxydatif, la croissance en conditions de carence en fer ainsi que la virulence. Ces régulateurs jouent un rôle distinct chez les sérovars Typhi et Typhimurium.

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.

A heterologous expression system for bovine lens transmembrane main intrinsic protein (MIP) in Nicotiana tabacum plants

We have developed a heterologous expression system for transmembrane lens main intrinsic protein (MIP) in Nicotiana tabacum plant tissue. A native bovine MIP26 amplicon was subcloned into an expression cassette under the control of a constitutive Cauliflower Mosaic Virus promoter, also containing a neomycin phosphotransferase operon. This cassette was transformed into Agrobacterium tumefaciens by triparental mating and used to infect plant tissue grown in culture. Recombinant plants were selected by their ability to grow and root on kanamycin-containing media. The presence of MIP in the plant tissues was confirmed by PCR, RT-PCR and immunohistochemistry. A number of benefits of this system for the study of MIP will be discussed, and also its application as a tool for the study of heterologously expressed proteins in general.

Characterization of a gamma-aminobutyric acid transport system of rhizobium leguminosarum bv. viciae 3841

Spontaneous mutants of Rhizobium leguminosarum bv. viciae 3841 were isolated that grow faster than the wild type on gamma-aminobutyric acid (GABA) as the sole carbon and nitrogen source. These strains (RU1736 and RU1816) have frameshift mutations (gtsR101 and gtsR102, respectively) in a GntR-type regulator (GtsR) that result in a high rate of constitutive GABA transport. Tn5 mutagenesis and quantitative reverse transcription-PCR showed that GstR regulates expression of a large operon (pRL100242 to pRL100252) on the Sym plasmid that is required for GABA uptake. An ABC transport system, GtsABCD (for GABA transport system) (pRL100248-51), of the spermidine/putrescine family is part of this operon. GtsA is a periplasmic binding protein, GtsB and GtsC are integral membrane proteins, and GtsD is an ATP-binding subunit. Expression of gtsABCD from a lacZ promoter confirmed that it alone is responsible for high rates of GABA transport, enabling rapid growth of strain 3841 on GABA. Gts transports open-chain compounds with four or five carbon atoms with carboxyl and amino groups at, or close to, opposite termini. However, aromatic compounds with similar spacing between carboxyl and amino groups are excellent inhibitors of GABA uptake so they may also be transported. In addition to the ABC transporter, the operon contains two putative mono-oxygenases, a putative hydrolase, a putative aldehyde dehydrogenase, and a succinate semialdehyde dehydrogenase. This suggests the operon may be involved in the transport and breakdown of a more complex precursor to GABA. Gts is not expressed in pea bacteroids, and gtsB mutants are unaltered in their symbiotic phenotype, suggesting that Bra is the only GABA transport system available for amino acid cycling.

Excision of anabaena PCC 7120 nifD element in escherichia coli: growth kinetics and RecA regulated xisA expression and DNA rearrangement

Anabaena PCC 7120 nifHDK operon is interrupted by an 11 kb DNA element which is excised during the development of heterocysts by Excisase A, encoded by the xisA gene residing on the element. The excision is a site-specific recombination event that occurs at the I I base pair direct repeats flanking the element. Earlier work showed the excision of the I I kb element in Escherichia coli at a frequency 0.3%. We report here the excision of this element at 1.1% and 1.98% in E. coli DH5 alpha, and 1.9% and 10.9% in E. coli JM 101 when grown on Luria broth and minimal media, respectively. Excision of nifD element in isogenic recA(-) (RK1) and recA(+) (RK2) E. coli JM101 P1 transductants, showed similar results to that of E. coli JM101 and DH5 alpha, respectively. A plasmid pMX32, carrying a xisA defective 11 kb element, showed no excision in E. coli RK2 strain. In contrast to Anabaena PCC 7120, excision of nifD element did not increase in E. call DH5 alpha grown in iron-deficient conditions. A PxisA::lacZ transcriptional fusion, used to detect the expression of elusive xisA gene, showed maximal beta-galactosidase activity in the stationary phase. The results suggest that the excision event in E. coli may involve additional factors, such as RecA and that the physiological status can influence the excision of nifD element. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

EfeUOB (YcdNOB) is a tripartite, acid-induced and CpxAR-regulated, low-pH Fe2+ transporter that is cryptic in Escherichia coli K-12 but functional in E-coli O157 : H7

Escherichia coli possesses iron transporters specific for either Fe2+ or Fe3+. Although Fe2+ is far more soluble than Fe3+, it rapidly oxidizes aerobically at pH >= 7. Thus, FeoAB, the major Fe2+ transporter of E. coli, operates anaerobically. However, Fe2+ remains stable aerobically under acidic conditions, although a low-pH Fe2+ importer has not been previously identified. Here we show that ycdNOB (efeUOB) specifies the first such transporter. efeUOB is repressed at high pH by CpxAR, and is Fe2+-Fur repressed. EfeU is homologous to the high-affinity iron permease, Ftr1p, of Saccharomyces cerevisiae and other fungi. EfeO is periplasmic with a cupredoxin N-terminal domain; EfeB is also periplasmic and is haem peroxidase-like. All three Efe proteins are required for Efe function. The efeU gene of E. coli K-12 is cryptic due to a frameshift mutation - repair of the single-base-pair deletion generates a functional EfeUOB system. In contrast, the efeUOB operon of the enterohaemorrhagic strain, O157:1147, lacks any frameshift and is functional. A 'wild-type' K-12 strain bearing a functional EfeUOB displays a major growth advantage under aerobic, low-pH, low-iron conditions when a competing metal is provided. Fe-55 transport assays confirm the ferrous iron specificity of EfeUOB.

Mutational activation of niche-specific genes provides insight into regulatory networks and bacterial function in a complex environment

The genome of the plant-colonizing bacterium Pseudomonas fluorescens SBW25 harbors a subset of genes that are expressed specifically on plant surfaces. The function of these genes is central to the ecological success of SBW25, but their study poses significant challenges because no phenotype is discernable in vitro. Here, we describe a genetic strategy with general utility that combines suppressor analysis with IVET (SPyVET) and provides a means of identifying regulators of niche-specific genes. Central to this strategy are strains carrying operon fusions between plant environment-induced loci (EIL) and promoterless 'dapB. These strains are prototrophic in the plant environment but auxotrophic on laboratory minimal medium. Regulatory elements were identified by transposon mutagenesis and selection for prototrophs on minimal medium. Approximately 106 mutants were screened for each of 27 strains carrying 'dapB fusions to plant EIL and the insertion point for the transposon determined in approximately 2,000 putative regulator mutants. Regulators were functionally characterized and used to provide insight into EIL phenotypes. For one strain carrying a fusion to the cellulose-encoding wss operon, five different regulators were identified including a diguanylate cyclase, the flagella activator, FleQ, and alginate activator, AmrZ (AlgZ). Further rounds of suppressor analysis, possible by virtue of the SPyVET strategy, revealed an additional two regulators including the activator AlgR, and allowed the regulatory connections to be determined.

Identification of prebiotic fructooligosaccharide metabolism in Lactobacillus plantarum WCFS1 through microarrays

Short-chain fructooligosaccharides (scFOS) and other prebiotics are used to selectively stimulate the growth and activity of lactobacilli and bifidobacteria in the colon. However, there is little information on the mechanisms whereby prebiotics exert their specific effects upon such microorganisms. To study the genomic basis of scFOS metabolism in Lactobacillus plantarum WCFS1, two-color microarrays were used to screen for differentially expressed genes when grown on scFOS compared to glucose (control). A significant up-regulation (8- to 60-fold) was observed with a set of only five genes located in a single locus and predicted to encode a sucrose phosphoenolpyruvate transport system (PTS), a beta-fructofuranosidase, a fructokinase, an alpha-glucosidase, and a sucrose operon repressor. Several other genes were slightly overexpressed, including pyruvate dehydrogenase. For the latter, no detectable activity in L. plantarum under various growth conditions has been previously reported. A mannose-PTS likely to encode glucose uptake was 50-fold down-regulated as well as, to a lower extent, other PTSs. Chemical analysis of the different moieties of scFOS that were depleted in the growth medium revealed that the trisaccharide 1-kestose present in scFOS was preferentially utilized, in comparison with the tetrasaccharide nystose and the pentasaccharide fructofuranosylnystose. The main end products of scFOS fermentation were lactate and acetate. This is the first example in lactobacilli of the association of a sucrose PTS and a beta-fructofuranosidase that could be used for scFOS degradation.

Variation in 16S-23S rRNA intergenic spacer regions in Photobacterium damselae: a mosaic-like structure

Phenotypically, Photobacterium damselae subsp. piscicida and P. damselae subsp. damselae are easily distinguished. However, their 16S rRNA gene sequences are identical, and attempts to discriminate these two subspecies by molecular tools are hampered by their high level of DNA-DNA similarity. The 16S-23S rRNA internal transcribed spacers (ITS) were sequenced in two strains of Photobacterium damselae subsp. piscicida and two strains of P. damselae subsp. damselae to determine the level of molecular diversity in this DNA region. A total of 17 different ITS variants, ranging from 803 to 296 bp were found, some of which were subspecies or strain specific. The largest ITS contained four tRNA genes (tDNAs) coding for tRNA(Glu(UUC)), tRNA(LyS(UUU)), tRNA(Val(UAC)), and tRNA(Ala(GGC)). Five amplicons contained tRNA(Glu(UUC)) combined with two additional tRNA genes, including tRNA(Lys(UUU)), tRNA(Val(UAC)), or tRNA(Ala(UGC)). Five amplicons contained tRNA(Ile(GAU)) and tRNA(Ala(UGC)). Two amplicons contained tRNA(Glu(UUC)) and tRNA(Val(UGC)). Two different isoacceptor tRNA(Ala) genes (GGC and UGC anticodons) were found. The five smallest amplicons contained no tRNA genes. The tRNA-gene combinations tRNA(Glu(UUC)) -tRNA(Val(UAC)) -tRNA(Ala(UGC)) and tRNA(Glu(UUC)) -tRNA(Ala(UGC)) have not been previously reported in bacterial ITS regions. The number of copies of the ribosomal operon (rrn) in the P. damselae chromosome ranged from at least 9 to 12. For ITS variants coexisting in two strains of different subspecies or in strains of the same subspecies, nucleotide substitution percentages ranged from 0 to 2%. The main source of variation between ITS variants was due to different combinations of DNA sequence blocks, constituting a mosaic-like structure.

Development and validation of a qPCR-based method for quantifying Shiga toxin-encoding and other lambdoid bacteriophages

P>To address whether seasonal variability exists among Shiga toxin-encoding bacteriophage (Stx phage) numbers on a cattle farm, conventional plaque assay was performed on water samples collected over a 17 month period. Distinct seasonal variation in bacteriophage numbers was evident, peaking between June and August. Removal of cattle from the pasture precipitated a reduction in bacteriophage numbers, and during the winter months, no bacteriophage infecting Escherichia coli were detected, a surprising occurrence considering that 1031 tailed-bacteriophages are estimated to populate the globe. To address this discrepancy a culture-independent method based on quantitative PCR was developed. Primers targeting the Q gene and stx genes were designed that accurately and discriminately quantified artificial mixed lambdoid bacteriophage populations. Application of these primer sets to water samples possessing no detectable phages by plaque assay, demonstrated that the number of lambdoid bacteriophage ranged from 4.7 x 104 to 6.5 x 106 ml-1, with one in 103 free lambdoid bacteriophages carrying a Shiga toxin operon (stx). Specific molecular biological tools and discriminatory gene targets have enabled virus populations in the natural environment to be enumerated and similar strategies could replace existing propagation-dependent techniques, which grossly underestimate the abundance of viral entities.

Characterisation of the intracellular-glutamate decarboxylase system (GAD): analysis of its function, transcription and role in the acid resistance of various strains of Listeria monocytogenes

The glutamate decarboxylase (GAD) system is important for the acid resistance of Listeria monocytogenes. We previously showed that under acidic conditions, glutamate (Glt)/γ-aminobutyrate (GABA) antiport is impaired in minimal media but not in rich ones, like brain heart infusion. Here we demonstrate that this behavior is more complex and it is subject to strain and medium variation. Despite the impaired Glt/GABA antiport, cells accumulate intracellular GABA (GABA(i)) as a standard response against acid in any medium, and this occurs in all strains tested. Since these systems can occur independently of one another, we refer to them as the extracellular (GAD(e)) and intracellular (GAD(i)) systems. We show here that GAD(i) contributes to acid resistance since in a ΔgadD1D2 mutant, reduced GABA(i) accumulation coincided with a 3.2-log-unit reduction in survival at pH 3.0 compared to that of wild-type strain LO28. Among 20 different strains, the GAD(i) system was found to remove 23.11% ± 18.87% of the protons removed by the overall GAD system. Furthermore, the GAD(i) system is activated at milder pH values (4.5 to 5.0) than the GAD(e) system (pH 4.0 to 4.5), suggesting that GAD(i) is the more responsive of the two and the first line of defense against acid. Through functional genomics, we found a major role for GadD2 in the function of GAD(i), while that of GadD1 was minor. Furthermore, the transcription of the gad genes in three common reference strains (10403S, LO28, and EGD-e) during an acid challenge correlated well with their relative acid sensitivity. No transcriptional upregulation of the gadT2D2 operon, which is the most important component of the GAD system, was observed, while gadD3 transcription was the highest among all gad genes in all strains. In this study, we present a revised model for the function of the GAD system and highlight the important role of GAD(i) in the acid resistance of L. monocytogenes.

The CtsR regulator of Listeria monocytogenes contains a variant glycine repeat region that affects piezotolerance, stress resistance, motility and virulence

A spontaneous high hydrostatic pressure (HHP)-tolerant mutant of Listeria monocytogenes ScottA, named AK01, was isolated previously. This mutant was immotile and showed increased resistance to heat, acid and H2O2 compared with the wild type (wt) (Karatzas, K.A.G. and Bennik, M.H.J. 2002 Appl Environ Microbiol 68: 3183–3189). In this study, we conclusively linked the increased HHP and stress tolerance of strain AK01 to a single codon deletion in ctsR (class three stress gene repressor) in a region encoding a highly conserved glycine repeat. CtsR negatively regulates the expression of the clp genes, including clpP, clpE and the clpC operon (encompassing ctsR itself), which belong to the class III heat shock genes. Allelic replacement of the ctsR gene in the wt background with the mutant ctsR gene, designated ctsRΔGly, rendered mutants with phenotypes and protein expression profiles identical to those of strain AK01. The expression levels of CtsR, ClpC and ClpP proteins were significantly higher in ctsRΔGly mutants than in the wt strain, indicative of the CtsRΔGly protein being inactive. Further evidence that the CtsRΔGly protein lacks its repressor function came from the finding that the Clp proteins in the mutant were not further induced upon heat shock, and that HHP tolerance of a ctsR deletion strain was as high as that of a ctsRΔGly mutant. The high HHP tolerance possibly results from the increased expression of the clp genes in the absence of (active) CtsR repressor. Importantly, the strains expressing CtsRΔGly show significantly attenuated virulence compared with the wt strain; however, no indication of disregulation of PrfA in the mutant strains was found. Our data highlight an important regulatory role of the glycine-rich region of CtsR in stress resistance and virulence.

Distribution, gene sequence and expression in vivo of the plasmid encoded fimbrial antigen of Salmonella serotype Enteritidis

The pefA gene which encoded the serotype associated plasmid (SAP) mediated fimbrial major subunit antigen of Salmonella enterica serotype Typhimurium shared genetic identity with 128 of 706 salmonella isolates as demonstrated by dot (colony) hybridization. Seventy-seven of 113 isolates of Typhimurium and individual isolates of serotypes Bovis-morbificans, Cholerae-suis and Enteritidis phage type 9b hybridized pefA strongly, whereas 48 isolates of Enteritidis hybridized pefA weakly and one Enteritidis isolate of phage type 14b failed to hybridize. Individual isolates of 294 serotypes and 247 individual isolates of serotype Dublin did not hybridize pefA. Southern hybridization of plasmids extracted from Enteritidis demonstrated that the pefA gene probe hybridized strongly an atypical SAP of 80 kb in size harboured by one Enteritidis isolate of phage-type 9b, whereas the typical SAP of 58 kb in size harboured by 48 Enteritidis isolates hybridized weakly. One Enteritidis isolate of phage type 14b which failed to hybridize pefA in dot (colony) hybridization experiments was demonstrated to be plasmid free. A cosmid library of Enteritidis phage type 4 expressed in Escherichia coli K12 was screened by hybridization for the presence of pef sequences. Recombinant clones which were deduced to harbour the entire pef operon elaborated a PEF-like fimbrial structure at the cell surface. The PEF-like fimbrial antigen was purified from one cosmid clone and used in western blot experiments with sera from chickens infected with Enteritidis phage-type 4. Seroconversion to the fimbrial antigen was observed which indicated that the Enteritidis PEF-like fimbrial structure was expressed at some stage during infection. Nucleotide sequence analysis demonstrated that the pefA alleles of Typhimurium and Enteritidis phage-type 4 shared 76% DNA nucleotide and 82% deduced amino acid sequence identity.

Sequence analysis and distribution of an IS3-like insertion element isolated from Salmonella enteritidis

The nucleotide sequence of a 3 kb region immediately upstream of the sef operon operon of Salmonella enteritidis was determined. A 1230 base pair insertion sequence which shared sequence identity (> 75%) with members of the IS3 family was revealed. This element, designated IS1230, had almost identical (90% identity) terminal inverted repeats to Escherichia coli IS3 but unlike other IS3-like sequences lacked the two characteristic open reading frames which encode the putative transposase. S. enteritidis possessed only one copy of this insertion sequence although Southern hybridisation analysis of restriction digests of genomic DNA revealed another fragment located in a region different from the sef operon which hybridised weakly which suggested the presence of an IS1230 homologue. The distribution of IS1230 and IS1230-like elements was shown to be widespread amongst salmonellas and the patterns of restriction fragments which hybridised differed significantly between Salmonella serotypes and it is suggested that IS1230 has potential for development as a differential diagnostic tool.