Charakterisierung von apoFNR, einer weiteren Form des Sauerstoffsensors FNR aus Escherichia coli und von NreB, einem potentiellen Sauerstoffsensor aus Staphylococcus carnosus

FNR (Fumarat Nitratreduktase Regulator) ist der Sauerstoffsensor aus Escherichia coli. Bisher waren zwei Formen von FNR bekannt, der aktive Zustand, ein Dimer mit je einem [4Fe4S]-Zentrum und ein inaktiver Zustand, in dem FNR als Monomer mit je einem [2Fe2S]-Zentrum vorliegt. Die Untersuchungen dieser Arbeit geben nun Hinweise, dass es mit apoFNR eine dritte physiologische Form von FNR gibt. Es wurde die Entstehung von apoFNR aus [4Fe4S]•FNR untersucht und die biochemischen Eigenschaften von apoFNR charakterisiert. ApoFNR konnte in vitro zu [4Fe4S]•FNR rekonstituiert werden, hierbei konnte die Lagphase der Rekonstitution durch Zusatz von Glutaredoxinen zum Rekonstitutionsansatz verkürzt werden. FNR, dessen Cysteinreste in vivo unter aeroben bzw. anaeroben Bedingungen mit 4-Acetamido-4´-Maleimidylstilbene-2,2´Disulfonsäure markiert wurden, zeigt auf SDS-Gelen einen Shift zu einer höheren Masse im Vergleich zu unmarkiertem FNR. Allerdings trat in aeroben Zellen eine zusätzliche Bande bei einer niedrigeren Masse auf. Es waren hier also weniger Cysteinreste markierbar. Weiterhin wurde mit NreB ein potentieller Sauerstoffsensor aus Staphylococcus carnosus untersucht. Es wurden Hinweise auf ein Eisen-Schwefel-Zentrum vom FNR-Typ als Cofaktor gefunden. Der Einbau dieses Cofaktors war abhängig von der Anwesenheit der Cysteinreste in NreB, von der Cysteindesulfurase NifSAV und von Eisenionen. Der Cofaktor war sauerstoffempfindlich und beeinflusste die Autophosphorylierung von NreB.

Biochemische Charakterisierung des O 2-Sensors NreB aus Staphylococcus carnosus

Staphylococcus carnosus wird in der Lebensmittelindustrie als Starterkultur in der Rohwurstfermentation eingesetzt. Das Gram-positive Bakterium ist fakultativ anaerob und kann unter anaeroben Bedingungen Nitrat und Nitrit zu Ammonium reduzieren. Die Expression der Gene der Nitrat-, Nitritreduktase und des potentiellen Nitrattrans-porters, wird vom NreBC Zwei-Komponentensystem reguliert. NreB ist eine cy-toplasmatische Sensor-Histidinkinase, die Ähnlichkeiten zu HämB-bindenden PAS-Domänen aufweist. NreB reagiert auf Sauerstoff und kontrolliert zusammen mit dem Response-Regulator NreC die Expression der Gene der Nitrat/Nitrit-Atmung. Die Gene nreBC wurden in Staphylococcus Arten, Bacillus clausii und anderen Bacil-lus Arten gefunden. Anaerob präpariertes NreB von S. carnosus enthält ein diamag-netisches [4Fe-4S]2+-Zentrum, das durch Mössbauer-Spektroskopie identifiziert wur-de. Nach Luftexposition wurde das [4Fe-4S]2+-Zentrum mit einer Halbwertszeit von 2,5 Minuten zu nicht an das Protein gebundenem γ-FeOOH oxidiert. Mit EPR- und Mössbauer-Spektroskopie konnten keine signifikanten Mengen von Zwischenstufen detektiert werden. Photoreduktion mit Deazaflavin lieferte kleine Mengen von [4Fe-4S]1+, die aber nicht stabil waren und sofort wieder zerfielen. Das magnetische Mössbauer-Spektrum des [4Fe-4S]2+-Zentrums wies eine hohe Symmetrie auf, wor-aus man auf eine vollständige Delokalisation der Elektronen und dieselben Liganden für alle Eisenionen schließen kann. In Übereinstimmung mit ihrer Rolle als Liganden des FeS-Zentrums inaktivierte der Austausch der einzelnen Cysteinreste (Cys59, Cys62, Cys74, Cys77) gegen Alanin oder Serin die Funktion von NreB in vivo. Die [4Fe-4S]2+-enthaltende Form von NreB besaß eine hohe Kinaseaktivität. Luftexposition erniedrigte den Gehalt an [4Fe-4S]2+-Zentrum und die Kinaseaktivität mit ähnlichen Halbwertszeiten von 2,5 min. Die Sensor-Domäne von NreB ist eine neuartige PAS-Domäne, die einen FeS-haltigen Co-Faktor (in diesem Fall ein [4Fe-4S]2+-Zentrum) zur Reizperzeption be-sitzt. Das O2-sensitive [4Fe-4S]2+-Zentrum von NreB ist dem [4Fe-4S]2+-Zentrum des DNA-bindenden FNR Proteins aus Escherichia coli ähnlich und kommt möglicherwei-se in anderen O2-wahrnehmenden bakteriellen Proteinen vor. Daraus kann man schließen, dass der Mechanismus der Sauerstoffwahrnehmung über O2-sensitive [4Fe-4S]2+-Zentren in der Evolution mehrfach und unabhängig voneinander in ver-schiedenen bakteriellen O2-Sensoren entstanden ist.

The oxygen sensors FNR from Escherichia coli and NreABC from Staphylococcus carnosus

Im Laufe der Evolution entwickelte sich eine Reihe von Sauerstoff-Sensorsystemen in Bakterien, um die Genexpression der Sauerstoffverfügbarkeit anzupassen. Der Sauerstoffsensor FNR aus Escherichia coli bindet unter anaeroben Bedingungen ein [4Fe4S]2+ Zentrum. Unter Sauerstoffeinfluß zerfällt aktives [4Fe4S]2+FNR zu inaktivem [2Fe2S]2+FNR und weiter zu ebenfalls inaktivem apoFNR. In der vorliegenden Arbeit wurde der Zustand von FNR in vivo in aeroben und anaeroben Zellen von Escherichia coli aufgeklärt. Durch Alkylierung der Cysteine in FNR und anschließender Analyse im Massenspektrometer konnte gezeigt werden, das FNR in aeroben Zellen hauptsächlich in der apo-Form vorliegt. Nach ca. 6 Minuten war in lebenden E. coli Zellen die Umwandlung von [4Fe4S]2+ FNR zu apoFNR abgeschlossen.rnrnIn dem gram positiven Bakterium Staphylococcus carnosus aktiviert das NreBC System unter anaeroben Wachstumsbedingungen die Gene der Nitratatmung. NreB ist eine cytoplasmatische Sensorhistidinkinase, die ein sauerstofflabiles [4Fe4S]2+ Zentrum über eine PAS-Domäne bindet. Das [4Fe4S]2+ Zentrum wird von vier Cysteinen gebunden. Der Responsregulator NreC steuert nach Aktivierung durch NreB die Transkription der Zielgene. In der vorliegenden Arbeit wurde NreB mit Hilfe von Cysteinmarkierungen in vivo charakterisiert. Durch die Änderung der Cystein-Zugänglichkeit für Thiolreagenzien nach Sauerstoffzugabe konnte eine Halbwertszeit von ca. 3 Minuten für das [4Fe4S]2+ Zentrum in vivo bestimmt werden. In anaeroben Bakterien stellt [4Fe4S]2+NreB die Hauptform von NreB dar, während in aeroben Bakterien hauptsächlich apoNreB vorkommt. Dieses Ergebnis konnte durch Massenspektroskopie bestätigt werden. Weiterhin konnte gezeigt werden das NreA mit NreB und NreC wechselwirkt und Bestandteil des NreABC Drei-Komponentensystems ist. rn

Das GAF-Domänen-Protein NreA : ein neuartiger Nitratrezeptor aus Staphylococcus carnosus

Staphylococcus carnosus ist ein fakultativ anaerobes Bakterium, das aerobe Atmung, anaerobe Nitratatmung und Gärungsstoffwechsel betreiben kann. Die Expression des Nitratstoffwechsels wird durch das Dreikomponentensystem NreABC reguliert.rnUnter anaeroben Bedingungen besitzt die Sensorhistidinkinase NreB in ihrer PAS-Domäne ein [Fe4S4]2+-Cluster. Das aktive (anaerobe) [Fe4S4]2+-NreB überträgt nach Autophosphorylierung die Phosphorylgruppe auf den Antwortregulator NreC, welcher dann die Expression der Gene der Nitratatmung aktiviert. Nitrat wirkt mit Hilfe des NreA-Proteins auf diese Gene induzierend. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass NreA ein GAF-Domänen-Protein und ein neuartiger Nitratrezeptor ist.rnDie Natur von NreA als GAF-Domänen-Protein bestätigte sich beim Vergleich der Kristallstruktur mit denen anderer GAF-Domänen. GAF-Domänen sind weit verbreitet und binden typischer Weise kleine Moleküle. Als physiologischer Ligand von NreA zeigte sich Nitrat, das innerhalb einer definierten Bindetasche gebunden wird. NreA bindet vermutlich in dimerer Form an dimeres NreB und inhibiert dadurch die Phosphorylierung der Sensorhistidinkinase NreB. Die Interaktion von NreA mit NreB wurde in vivo durch BACTH-Messungen und sowohl in vivo als auch in vitro durch Cross-Linking Experimente gezeigt. Nitrat reduziert den Ergebnissen nach die Interaktion von NreA mit NreB.rnDurch Sequenzvergleiche von NreA mit Homologen wurden konservierte Aminosäuren identifiziert. Über gerichtete Mutagenese wurden 25 NreA-Varianten hergestellt und bezüglich ihres Verhaltens in Abhängigkeit von Nitrat in narG-lip-Reportergenstudien getestet. Anhand ihres Phänotyps wurden sie als Wildtyp, NreA- und NreABC-Mutanten klassifiziert. Die Nitratbindetasche war in sechs Fällen betroffen. Die Phänotypen der Mutationen in der Peripherie lassen sich mit Auswirkungen auf die vermutete Konformationsänderung oder auf die Interaktion mit NreB erklären. Mutationen von konservierten, oberflächenexponierten Resten führten vermehrt zu NreA/ON-Varianten. Es ließen sich Bereiche auf der Proteinoberfläche identifizieren, die für NreA/NreA- oder NreA/NreB-Interaktionen wichtig sein könnten.rnDie Untersuchungen zeigten, dass NreA mit NreB interagiert und dass dadurch ein NreA/NreB-Sensorkomplex für die gemeinsame Erkennung von Nitrat und Sauerstoff gebildet wird.

The NreABC system of Staphylococcus carnosus combines nitrate and oxygen sensing by an NreA,NreB sensor complex

Staphylococcus carnosus is a facultative anaerobic bacterium which features the cytoplasmic NreABC system. It is necessary for regulation of nitrate respiration and the nitrate reductase gene narG in response to oxygen and nitrate availability. NreB is a sensor kinase of a two-component system and represents the oxygen sensor of the system. It binds an oxygen labile [4Fe-4S]2+ cluster under anaerobic conditions. NreB autophosphorylates and phosphoryl transfer activates the response regulator NreC which induces narG expression. The third component of the Nre system is the nitrate receptor NreA. In this study the role of the nitrate receptor protein NreA in nitrate regulation and its functional and physiological effect on oxygen regulation and interaction with the NreBC two-component system were detected. In vivo, a reporter gene assay for measuring expression of the NreABC regulated nitrate reductase gene narG was used for quantitative evaluation of NreA function. Maximal narG expression in wild type S. carnosus required anaerobic conditions and the presence of nitrate. Deletion of nreA allowed expression of narG under aerobic conditions, and under anaerobic conditions nitrate was no longer required for maximal induction. This indicates that NreA is a nitrate regulated inhibitor of narG expression. Purified NreA and variant NreA(Y95A) inhibited the autophosphorylation of anaerobic NreB in part and completely, respectively. Neither NreA nor NreA(Y95A) stimulated dephosphorylation of NreB-phosphate, however. Inhibition of phosphorylation was relieved completely when NreA with bound nitrate (NreA•[NO3-]) was used. The same effects of NreA were monitored with aerobically isolated Fe-S-less NreB, which indicates that NreA does not have an influence on the iron-sulfur cluster of NreB. In summary, the data of this study show that NreA interacts with the oxygen sensor NreB and controls its phosphorylation level in a nitrate dependent manner. This modulation of NreB-function by NreA and nitrate results in nitrate/oxygen co-sensing by an NreA/NreB sensory unit. It transmits the regulatory signal from oxygen and nitrate in a joint signal to target promoters. Therefore, nitrate and oxygen regulation of nitrate dissimilation follows a new mode of regulation not present in other facultative anaerobic bacteria.

Caratteristiche chimico-fisiche e microbiologiche di salami in relazione al diametro e alla coltura starter impiegata.

I salumi fermentati sono prodotti caratterizzati da grandi differenze che riguardano la materia prima, gli ingredienti, le dimensioni e le condizioni di maturazione. Questa differenziazione è dovuta a pratiche storiche, culturali e tradizionali che variano da zona a zona. Il processo produttivo nel nostro Paese è però cambiato radicalmente grazie alle innovazioni tecnologiche. Tra queste l’introduzione delle colture starter ha rappresentato una garanzia di maggiore sicurezza igienica e sanitaria ma ha determinato una standardizzazione delle caratteristiche qualitative dei prodotti. Infatti, tutte le trasformazioni biochimiche che avvengono durante la maturazione possono essere influenzate dall’uso degli starter, così come dal diametro dei salami, che influenza la cinetica di perdita dell’acqua e la disponibilità di ossigeno all’interno del prodotto. Lo scopo del lavoro descritto nel mio elaborato è stato quello di valutare l’effetto di queste due variabili su alcune caratteristiche fisico-chimiche, microbiologiche e sul contenuto in amine biogene di salami prodotti industrialmente a partire dalla stessa miscela di ingredienti. Questo impasto carneo è stato addizionato di due starter diversi: oltre all’impiego di Staphylococcus carnosus, un primo lotto è stato inoculato con Lactobacillus sakei mentre un secondo con Pediococcus pentosaceus. Successivamente i due lotti sono stati insaccati in budelli sintetici aventi dimensioni diverse (grande con peso del prodotto all’insacco di 5.3kg e piccolo, con peso all’insacco di 385g). I risultati ottenuti da questa sperimentazione confermano il fatto che la dimensione è uno degli aspetti che maggiormente influenza la caratteristiche del prodotto. Inoltre, anche le colture starter hanno dato risultati diversi indipendentemente dal diametro, dimostrando la necessità di una più approfondita conoscenza tecnologica dei prodotti studiati in relazione alle attività microbiche che si svolgono durante la fermentazione e la maturazione.

Characterisation of coagulase-negative staphylococci associated with endocarditis

Coagulase-negative staphylococci are major aetiological agents of prosthetic valve endocarditis and an occasional cause of native valve disease. It is currently unclear how this group of usually avirulent microorganisms produces an infection associated with high rates of morbidity and mortality. The aim of this thesis was to investigate whether there are specific genotypes and/or phenotypes of coagulase-negative staphylococci with a propensity to cause infective endocarditis and to investigate any identified virulence factors as markers of infection. In this study, strains of endocarditis-related coagulase-negative staphylococci were genotyped by determining their macrorestriction genomic profile using pulsed-field gel electrophoresis. The strains were also investigated for phenotypic characteristics that predisposed the microorganisms to infect heart valves. By comparing coagulase-negative staphylococcal strains recovered from endocarditis patients with isolates from other significant infections (prosthetic device-related osteomyelitis and catheter-associated sepsis), no specific genotype or phenotype with a predilection to cause endocarditis was identified. However, the majority of the endocarditis-associated and other infection strains expressed the potential virulence factors lipase and esterase. Another approach to the investigation of virulence determinants used patient's serum to screen a Staphylococcus epidermidis NCTC 11047 genomic DNA library for cellular and secreted staphylococcal products that were expressed in vivo. The characterisation of two clones, which reacted with serum collected from a S. epidermidis-related endocarditis patient identified a staphylococcal pyruvate dehydrogenase complex E2 subunit and a novel secreted protein with homology to a Staphylococcus aureus staphyloxanthin biosynthesis protein and a secreted protein of unknown function described in Staphylococcus carnosus. Investigation of the secreted protein previously undetected in S. epidermidis, termed staphylococcal secretory antigen (SsaA), identified a potential marker of S. epidermidis-related endocarditis.

An investigation of contact transmission of methicillin-resistant staphylococcus aureus

Hand hygiene is critical in the healthcare setting and it is believed that methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA), for example, is transmitted from patient to patient largely via the hands of health professionals. A study has been carried out at a large teaching hospital to estimate how often the gloves of a healthcare worker are contaminated with MRSA after contact with a colonized patient. The effectiveness of handwashing procedures to decontaminate the health professionals' hands was also investigated, together with how well different healthcare professional groups complied with handwashing procedures. The study showed that about 17% (9–25%) of contacts between a healthcare worker and a MRSA-colonized patient results in transmission of MRSA from a patient to the gloves of a healthcare worker. Different health professional groups have different rates of compliance with infection control procedures. Non-contact staff (cleaners, food services) had the shortest handwashing times. In this study, glove use compliance rates were 75% or above in all healthcare worker groups except doctors whose compliance was only 27%.

Smoothing a Discrete Hazard Function for the Number of Patients Colonized with Methicillin-Resistance Staphylococcus Aureus in an Intensive Care Unit

A new method for estimating the time to colonization of Methicillin-resistant Staphylococcus Aureus (MRSA) patients is developed in this paper. The time to colonization of MRSA is modelled using a Bayesian smoothing approach for the hazard function. There are two prior models discussed in this paper: the first difference prior and the second difference prior. The second difference prior model gives smoother estimates of the hazard functions and, when applied to data from an intensive care unit (ICU), clearly shows increasing hazard up to day 13, then a decreasing hazard. The results clearly demonstrate that the hazard is not constant and provide a useful quantification of the effect of length of stay on the risk of MRSA colonization which provides useful insight.

Using a longitudinal model to estimate the effect of methicillin-resistant staphylococcus aureus infection on length of stay in an intensive care unit

Healthcare-associated methicillin-resistant Staphylococcus aureus(MRSA) infection may cause increased hospital stay or, sometimes, death. Quantifying this effect is complicated because it is a time-dependent exposure: infection may prolong hospital stay, while longer stays increase the risk of infection. We overcome these problems by using a multinomial longitudinal model for estimating the daily probability of death and discharge. We then extend the basic model to estimate how the effect of MRSA infection varies over time, and to quantify the number of excess ICU days due to infection. We find that infection decreases the relative risk of discharge (relative risk ratio = 0.68, 95% credible interval: 0.54, 0.82), but is only indirectly associated with increased mortality. An infection on the first day of admission resulted in a mean extra stay of 0.3 days (95% CI: 0.1, 0.5) for a patient with an APACHE II score of 10, and 1.2 days (95% CI: 0.5, 2.0) for a patient with an APACHE II score of 30. The decrease in the relative risk of discharge remained fairly constant with day of MRSA infection, but was slightly stronger closer to the start of infection. These results confirm the importance of MRSA infection in increasing ICU stay, but suggest that previous work may have systematically overestimated the effect size.

Prevalence of Staphylococcus aureus strains in an Australian cohort, 1989-2003 : evidence for the low prevalence of the toxic shock toxin and Panton-Valentine leukocidin genes

The purpose of this paper is to determine the prevalence of the toxic shock toxin gene (tst) and to enumerate the circulating strains of methicillin-sensitive Staphylococcus aureus (MSSA) and methicillin-resistant S. aureus (MRSA) in Australian isolates collected over two decades. The aim was to subtype these strains using the binary genes pvl, cna, sdrE, pUB110 and pT181. Isolates were assayed using real-time polymerase chain reaction (PCR) for mecA, nuc, 16 S rRNA, eight single-nucleotide polymorphisms (SNPs) and for five binary genes. Two realtime PCR assays were developed for tst. The 90 MRSA isolates belonged to CC239 (39 in 1989, 38 in 1996 and ten in 2003), CC1 (two in 2003) and CC22 (one in 2003). The majority of the 210 MSSA isolates belonged to CC1 (26), CC5 (24) and CC78 (23). Only 18 isolates were tst-positive and only 15 were pvl-positive. Nine MSSA isolates belonged to five binary types of ST93, including two pvlpositive types. The proportion of tst-positive and pvl-positive isolates was low and no significant increase was demonstrated. Dominant MSSA clonal complexes were similar to those seen elsewhere, with the exception of CC78. CC239 MRSA (AUS-2/3) was the predominant MRSA but decreased significantly in prevalence, while CC22 (EMRSA-15) and CC1 (WA-1) emerged. Genetically diverse ST93 MSSA predated the emergence of ST93- MRSA (the Queensland clone).

Phylogenetically distinct Staphylococcus aureus lineage prevalent among indigenous communities in northern Australia

The aim was to determine the evolutionary position of the Staphylococcus aureus clonal complex 75 (CC75) that is prevalent in tropical northern Australia. Sequencing of gap, rpoB, sodA, tuf, and hsp60 and the multilocus sequence typing loci revealed a clear separation between conventional S. aureus and CC75 and significant diversity within CC75.

Nasal carriage of Staphylococcus aureus, including community-associated methicillin-resistant strains, in Queensland adults

Community-associated methicillin-resistant Staphylococcus aureus (CA-MRSA) infections are emerging in southeast Queensland, Australia, but the incidence of carriage of CA-MRSA strains is unknown. The aim of this study was to assess the nasal carriage rate of S. aureus, including CA-MRSA strains, in the general adult population of southeast Queensland. 396 patients presenting to general practices in two Brisbane suburbs and 303 volunteers randomly selected from the electoral rolls in the same suburbs completed a medical questionnaire and had nasal swabs performed for S. aureus. All isolates of S. aureus underwent antibiotic susceptibility testing and single-nucleotide polymorphism (SNP) and binary typing, including determination of Panton–Valentine leukocidin (PVL). The nasal carriage rate of methicillin-susceptible S. aureus (MSSA) was 202/699 (28%), a rate similar to that found in other community-based nasal carriage studies. According to multivariate analysis, nasal carriage of S. aureus was associated with male sex, young adult age group and Caucasian ethnicity. Only two study isolates (one MSSA and one CA-MRSA) carried PVL. The nasal carriage rate of MRSA was low, at 5/699 (0.7%), and only two study participants (0.3%) had CA-MRSA strains. CA-MRSA is an emerging cause of infection in southeast Queensland, but as yet the incidence of carriage of CA-MRSA in the general community is low.