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Klebsiella pneumoniae is a common member of the intestinal flora of vertebrates. In addition to opportunistic representatives, hypervirulent (hvKp) and antibiotic-resistant K. pneumoniae (ABR-Kp) occur. While ABR-Kp isolates often cause difficult-to-treat diseases due to limited therapeutic options, hvKp is a pathotype that can infect healthy individuals often leading to recurrent infection. Here, we investigated the clinical K. pneumoniae isolate PBIO3459 obtained from a blood sample, which showed an unusual colony morphology. By combining whole-genome and RNA sequencing with multiple in vitro and in vivo virulence-associated assays, we aimed to define the respective Klebsiella subtype and explore the unusual phenotypic appearance. We demonstrate that PBIO3459 belongs to sequence type (ST)20 and carries no acquired resistance genes, consistent with phenotypic susceptibility tests. In addition, the isolate showed low-level virulence, both at genetic and phenotypic levels. We thus suggest that PBIO3459 is an opportunistic (commensal) K. pneumoniae isolate. Genomic comparison of PBIO3459 with closely related ABR-Kp ST20 isolates revealed that they differed only in resistance genes. Finally, the unusual colony morphology was mainly associated with carbohydrate and amino acid transport and metabolism. In conclusion, our study reveals the characteristics of a Klebsiella sepsis isolate and suggests that opportunistic representatives likely acquire and accumulate antibiotic resistances that subsequently enable their emergence as ABR-Kp pathogens.
Abstract
DNA extraction and preservation bias is a recurring topic in DNA sequencing‐based microbial ecology. The different methodologies can lead to distinct outcomes, which has been demonstrated especially in studies investigating prokaryotic community composition. Eukaryotic microbes are ubiquitous, diverse, and increasingly a subject of investigation in addition to bacteria and archaea. However, little is known about how the choice of DNA preservation and extraction methodology impacts perceived eukaryotic community composition. In this study, we compared the effect of two DNA preservation methods and six DNA extraction methods on the community profiles of both eukaryotes and prokaryotes in phototrophic biofilms on seagrass (Zostera marina) leaves from the Baltic Sea. We found that, whereas both DNA preservation and extraction method caused significant bias in perceived community composition for both eukaryotes and prokaryotes, extraction bias was more pronounced for eukaryotes than for prokaryotes. In particular, soft‐bodied and hard‐shelled eukaryotes like nematodes and diatoms, respectively, were differentially abundant depending on the extraction method. We conclude that careful consideration of DNA preservation and extraction methodology is crucial to achieving representative community profiles of eukaryotes in marine biofilms and likely all other habitats containing diverse eukaryotic microbial communities.
The anaerobic pathogen Clostridioides difficile is perfectly equipped to survive and persist inside the mammalian intestine. When facing unfavorable conditions C. difficile is able to form highly resistant endospores. Likewise, biofilms are currently discussed as form of persistence. Here a comprehensive proteomics approach was applied to investigate the molecular processes of C. difficile strain 630Δerm underlying biofilm formation. The comparison of the proteome from two different forms of biofilm-like growth, namely aggregate biofilms and colonies on agar plates, revealed major differences in the formation of cell surface proteins, as well as enzymes of its energy and stress metabolism. For instance, while the obtained data suggest that aggregate biofilm cells express both flagella, type IV pili and enzymes required for biosynthesis of cell-surface polysaccharides, the S-layer protein SlpA and most cell wall proteins (CWPs) encoded adjacent to SlpA were detected in significantly lower amounts in aggregate biofilm cells than in colony biofilms. Moreover, the obtained data suggested that aggregate biofilm cells are rather actively growing cells while colony biofilm cells most likely severely suffer from a lack of reductive equivalents what requires induction of the Wood-Ljungdahl pathway and C. difficile’s V-type ATPase to maintain cell homeostasis. In agreement with this, aggregate biofilm cells, in contrast to colony biofilm cells, neither induced toxin nor spore production. Finally, the data revealed that the sigma factor SigL/RpoN and its dependent regulators are noticeably induced in aggregate biofilms suggesting an important role of SigL/RpoN in aggregate biofilm formation.
In food chain, Pseudomonas spp. cause spoilage by reducing shelf life of fresh products, especially during cold storage, with a high economic burden for industries. However, recent studies have shed new light on health risks occurring when they colonize immunocompromised patient tissues. Likewise to P. aeruginosa, they exhibit antibiotic resistance and biofilm formation, responsible for their spread and persistence in the environment. Biofilm formation might be induced by environmental stresses, such as temperature fluctuations causing physiological and metabolic changes exacerbating food spoilage (by protease and pigment synthesis), and the production of adhesion molecules, chemotactic or underestimated virulence factors. In order to provide a new insight into phenotypic biodiversity of Pseudomonas spoilers isolated from cold stored cheese, in this work 19 Pseudomonas spp. were investigated for biofilm, pigments, exopolysaccharide production and motility at low temperature. Only nine strains showed these phenotypic traits and the blue pigmenting cheese strain P. fluorescens ITEM 17298 was the most distinctive. In addition, this strain decreased the survival probability of infected Galleria mellonella larvae, showing, for the first time, a pathogenic potential. Genomic and proteomic analyses performed on the ITEM 17298 planktonic cells treated or not with lactoferrin derived antibiofilm peptides allowed to reveal specific biofilm related-pathways as well as proteins involved in pathogenesis. Indeed, several genes were found related to signaling system by cGMP-dependent protein kinases, cellulose, rhamnolipid and alginate synthesis, antibiotic resistance, adhesion and virulence factors. The proteome of the untreated ITEM 17298, growing at low temperature, showed that most of the proteins associated with biofilm regulation, pigmentation motility, antibiotic resistance and pathogenecity were repressed, or decreased their levels in comparison to that of the untreated cultures. Thus, the results of this work shed light on the complex pathways network allowing psychrotrophic pseudomonads to adapt themselves to food-refrigerated conditions and enhance their spoilage. In addition, the discovery of virulence factors and antibiotic resistance determinants raises some questions about the need to deeper investigate these underestimated bacteria in order to increase awareness and provide input to update legislation on their detection limits in foods.
Staphylococcus aureus has acquired resistance to antibiotics since their first use. The S. aureus protein NorA, an efflux pump belonging to the major facilitator superfamily (MFS), contributes to resistance to fluoroquinolones (e.g., ciprofloxacin), biocides, dyes, quaternary ammonium compounds, and antiseptics. Different compounds have been identified as potential efflux pump inhibitors (EPIs) of NorA that result in increased intracellular concentration of antibiotics, restoring their antibacterial activity and cell susceptibility. However, none of the currently known EPIs have been approved for clinical use, probably due to their toxicity profiles. In the present study, we screened approved drugs for possible efflux pump inhibition. By screening a compound library of approximately 1200 different drugs, we identified nilotinib, a tyrosine kinase inhibitor, as showing the best efflux pump inhibitory activity, with a fractional inhibitory concentration index of 0.1875, indicating synergism with ciprofloxacin, and a minimum effective concentration as low as 0.195 μM. Moreover, at 0.39 μM, nilotinib, in combination with 8 μg/mL of ciprofloxacin, led to a significant reduction in biofilm formation and preformed mature biofilms. This is the first description of an approved drug that can be used as an efflux pump inhibitor and to reduce biofilms formation at clinically achievable concentrations.
Ziel der Arbeit war der Vergleich verschiedener Wundspüllösungen (0,9 %-NaCl-Lösung, Ringer-Wundspüllösung, Wasser und das tensidhaltige Prontosan®), um Unterschiede in der Effektivität der Spüllösungen festzustellen. Dazu wurden die Spüllösungen mit verschiedenen Prüfanschmutzungen an verschiedenen Testmodellen geprüft, wobei drei Modelle in die engere Wahl kamen: das Drei-Kammer-Verfahren, ein Biofilm-Modell und das Flow-Cell-Verfahren. Als Prüfanschmutzung wurden Drei-Feld-Objektträger mit Blutplasma und Fibrin als Anschmutzung im Drei-Kammer-Verfahren, angezüchtete Mono-Biofilme beim Biofilm-Modell und kommerziell erhältliche Blutplasmaanschmutzung auf Metallstreifen als Prüfkörper bei der Flow-Cell-Methode eingesetzt. Die Bestimmung der eluierten/gelösten Proteine erfolgte mittels modifizierter Biuret-Methode. Sowohl im Drei-Kammer-Verfahren als auch in der Flow-Cell-Methode zeigte NaCl-Lösung ein geringes, aber besseres Ablösungsvermögen von Proteinen als Ringer-Lösung. Eine ähnlich überlegene Wirkung zeigt Wasser im Vergleich zu Ringer-Lösung. Am Biofilm-Modell waren NaCl-Lösung und Ringer-Lösung Wasser in der Reinigungswirkung überlegen, ein Unterschied zwischen den elektrolythaltigen Lösungen war nicht erkennbar. Die tensidhaltige Wundspüllösung Prontosan® zeigte mittels Biuret als Proteinnachweisverfahren gegenüber den anderen Spüllösungen eine höhere Proteinmenge in der Lösung. Im Widerspruch dazu wurden hier aber auch die höchsten Restproteinmengen nach der Spülung festgestellt. Daraus ist zu schlussfolgern, dass die Proteinbestimmungsmethode durch Prontosan® gestört wird, so dass aus den Proteinkonzentrationen in prontosanhaltigen Spüllösungen nicht auf eine bessere Spülleistung geschlossen werden kann. Ohne die Klärung des Einflusses vom Prontosan® auf die Proteinbestimmung ist eine Bewertung der Spülleistung von Prontosan® nicht möglich. Dies war im Rahmen dieser Arbeit nicht zu klären. Erst nach diesem Schritt wäre eine definitive Aussage zu diesem Punkt möglich. Es zeigte sich, dass es schwierig ist, zwischen den getesteten Spülmitteln Unterschiede in der Spülleistung messbar zu machen. Die Ursache hierfür sind unkontrollierte mechanische Einflüsse, die z. B. bei dem Modell des Drei-Kammer-Verfahrens beim Durchmischen der Spüllösung auftreten und einen zusätzlichen Spüleffekt verursachen, was zu einer starken Streuung der Messwerte führte. Von den getesteten Verfahren eignet sich deshalb nur die Flow-Cell-Methode. Als ungeeignet erwiesen sich das Drei-Kammer-Verfahren und das Biofilm-Modell. Aufgrund der Fließtechnik kann die Mechanik bei der Flow-Cell-Methode konstant gehalten werden. Dadurch werden die Spülleistungen verschiedener Wundspüllösungen überhaupt erst vergleichbar. Bei dem Drei-Kammer-Verfahren und dem Biofilm-Modell ist das nicht möglich. Von den getesteten Prüfanschmutzungen erwiesen sich Anschmutzungen auf Proteinbasis als gut abspülbar. Mit dieser Prüfanschmutzung sind Unterschiede in der Spülleistung nur bei Modellen mit keiner oder einer exakt definierbaren mechanischen Einwirkung beim Spülvorgang deutlich zu machen. Besser geeignet sind Prüfanschmutzungen auf der Basis von Fibrin, Biofilm und denaturierten Proteinen. Von den geprüften und bewertbaren Wundspüllösungen zeigt NaCl-Lösung eine Überlegenheit im Vergleich zu Ringer-Lösung und Wasser.
Bakterien, die in einem Biofilm organisiert sind, weisen eine um ein Vielfaches höhere Resistenz gegenüber antimikrobiellen Substanzen auf als planktonisch gelöste Zellen. Der häufigste beim Menschen vorkommende Biofilm ist die dentale Plaque. Als Keim zur Herstellung eines Biofilms wurde Streptococcus sanguis benutzt. Dieser bildete nach 48 h aerober Bebrütung bei 37 °C einen sichtbaren Biofilm auf Hydroxylapatit-Plättchen, die zur Imitation der Zahnoberfläche in einer Wachstumskammer mit kontinuierlicher Flusskultur-Technik aufgehängt waren. Zur Überprüfung der Funktionalität des Modells wurde die Wirksamkeit von drei Antiseptika getestet. Die HA-Plättchen wurden aseptisch aus der Wachstumskammer entnommen und jeweils in verschiedene Reagenzröhrchen mit Chlorhexidin (0,1% oder 1,0%), PVP-Iod (1,5% oder 7,5%) sowie Octenidindihydrochlorid (0,05% oder 0,1%) gegeben. Die Einwirkzeit jeder Konzentration betrug 5 min oder 30 min. Proben aus der Bakteriensuspension der Wachstumskammer wurden entsprechend behandelt. Ein zugefügtes spezifisches Neutralisationsmittel beendete die Wirkung der Antiseptika. Es lag eine signifikante Differenz zwischen der antimikrobiellen Aktivität gegen Bakterien in gelöster Form und solchen in Biofilmen vor. Beste Reduktionsfaktoren konnten mit Chlorhexidin (1,0%, 30 min), sowohl in Bezug auf Biofilme (3,97 log) als auch auf planktonische Zellen (= 5,58 log), ermittelt werden. Bei jeder der getesteten Substanzen zeigte sich eine klare Dosis-Zeit-Wirkungs-Beziehung. Es wurde daher geschlussfolgert, dass das entwickelte Modell in der Lage ist, schnell und kosteneffektiv die Aktivität antimikrobieller Substanzen gegen als Biofilm gewachsene Bakterien darzustellen.