Members of Methylobacterium, referred as pink-pigmented facultative methylotrophic bacteria, are frequently associated with terrestrial and aquatic plants, tending to form aggregates on the phyllosphere. We report here that the production of autoinducer molecules involved in the cell-to-cell signaling process, which is known as quorum sensing, is common among Methylobacterium species. Several strains of Methylobacterium were tested for their ability to produce N-acyl-homoserine lactone (AHL) signal molecules using different indicators. Most strains of Methylobacterium tested could elicit a positive response in Agrobacterium tumefaciens harboring lacZ fused to a gene that is regulated by autoinduction. The synthesis of these compounds was cell-density dependent, and the maximal activity was reached during the late exponential to stationary phases. The bacterial extracts were separated by thin-layer chromatography and bioassayed with A. tumefaciens NTI (traR, tra::lacZ749). They revealed the production of various patterns of the signal molecules, which are strain dependent. At least two signal molecules could be detected in most of the strains tested, and comparison of their relative mobilities suggested that they are homologs of N-octanoyl-$_{DL}$-homoserine lactone ($C_8-HSL$) and N-decanoyl-$_{DL}$-homoserine lactone ($C_{10}-HSL$).
Pseudomonas aeruginosa is an opportunistic human pathogen, causing a wide variety of infections including cystic fibrosis, microbial keratitis, and burn wound infections. The cell-to-cell signaling mechanism known as quorum sensing (QS) plays a key role in these infections and the QS systems of P. aeruginosa have been most intensively studied. While many literatures that introduce the QS systems of P. aeruginosa have mostly focused on two major acyl-homo serine lactone (acyl-HSL) QS signals, N-3-oxododecanoyl homoserine lactone (3OC12) and N-butanoyl homoserine lactone (C4), several new signal molecules have been discovered and suggested for their significant roles in signaling and virulence of P. aeruginosa. One of them is PQS (Pseudomonas quinolone signal; 2-heptyl-3-hydroxy-4-quinolone), which is now considered as a well-characterized major signal meolecule of P. aeruginosa. In addition, recent researches have also suggested some more putative signal molecules of P. aeruginosa, which are diketopiperazines (DKPs) and pyocyanin. DKPs are cyclic dipeptides and structurally diverse depending on what amino acids are involved in composition. Some DKPs from the culture supernatant of P. aeruginosa are suggested as new diffusible signal molecules, based on their ability to activate Vibrio fischeri LuxR biosensors that are previously considered specific for acyl-HSLs. Pyocyanin (1-hydroxy-5-methyl-phenazine), one of phenazine derivatives produced by P. aeruginosa is a characteristic blue-green pigment and redox-active compound. This has been recently suggested as a terminal signaling factor to upregulate some QS-controlled genes during stationary phase under the mediation of a transcription factor, SoxR. Here, details about these newly emerging signaling molecules of P. aeruginosa are discussed.
Acyl homoserine lactone (AHL) lactonase has been proved to be the AHL-degrading enzyme with the highest substrate specificity for AHL molecules and has shown a considerable potential as low-cost and efficient quorum quenching (QQ) technique. However, few studies focused on its inhibitory effect on biofilm formation which is also a quorum sensing (QS)-regulated phenomenon. In this study, QQ activity of six isolates from biofouled reverse osmosis membranes was studied using Chromobacterium violaceum CV026 and Agrobacterium tumefaciens NTL4 as biosensors under various conditions. All of the isolates belonged to the genus Bacillus and showed QQ activity regardless of the acyl chain length or substitution of AHL molecule. The isolates were capable of significantly inhibiting biofilm formation (46.7-58.3%) by Pseudomonas aeruginosa PAO1 and produced heat-sensitive extracellular QQ substances. The LC-MS analysis of the QQ activity of a selected isolate, RO1S-5, revealed the degradation of N-(3-oxododecanoyl)-L-homoserine lactone (3-oxo-C12 AHL) and the production of corresponding acyl homoserine (3-oxo-C12-HS), which indicated the activity of AHL lactonase. The broad AHL substrate range and high substrate specificity suggested that the isolate would be useful for the control of biofilm-related pathogenesis and biofouling in industrial processes.
Park, Jun-Ho;Hwang, In-Gyu;Kim, Jin-Wan;Lee, Soo-O;Conway, B.;Peter Greenberg, E.;Lee, Kyoung
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.11
no.5
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pp.804-811
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2001
In many Gram-negative bacteria, autoinducers, such as N-acyl-L-homoserine lactone(acyl-HSL) and its derivative molecules, mediate the cell-density-dependnet expression of certain operons. The current study identified the autoinducers produced by Burkholderia cepacia G4, a trichloroethylene-degrading lagoon isolate, using TLC bioassays with Agrobacterium tumefaciens NT1(pDCI141E33) and Chromobacterium violaceum CVO26, and a GC-MS analysis. The ${R_f}\;and\;{R_t}$ values and mass spectra were compared with those of synthetic compounds. Based on the analyses, it was confirmed that G4 produces N-hexanoyl (C6)-, N-octanoyl (C8)-, N-decanoyl (C10)-, N-dodecanoyl (C12)-HSL, and an unknown active species. The integration of the GC peak areas exhibited a ratio of C8-HSL:C10-HSL:C12-HSL at 3:17:1 with C6-HSL and C10-HSL production at trace and micromolar levels, respectively, in the culture supernatants. Nutants partially defective in producing acyl-HSLs were also partially defective in the biosynthesis of an antibiotic substance. These results indicate that the autoinducer-dependent gene regulation in G4 is dissimilar to the clinical B. cepacia strains isolated from patients with cystic fibrosis.
N-acyl-homoserine lactone quorum sensing (AHL-QS) has been shown to regulate many physiological behaviors in Serratia marcescens MG1. In the current study, the effects of AHL-QS on the biosynthesis of acid and neutral products by S. marcescens MG1 and its isogenic ${\Delta}swrI$ with or without supplementing exogenous N-hexanoyl-L-homoserine lactone ($C_6-HSL$) were systematically investigated. The results showed that swrI disruption resulted in rapid pH drops from 7.0 to 4.8, which could be restored to wild type by supplementing $C_6-HSL$. Furthermore, fermentation product analysis indicated that ${\Delta}swrI$ could lead to obvious accumulation for acidogenesis products such as lactic acid and succinic acid, especially excess acetic acid (2.27 g/l) produced at the early stage of fermentation, whereas solventogenesis products by ${\Delta}swrI$ appeared to noticeably decrease by an approximate 30% for acetoin during 32-48 h and by an approximate 20% for 2,3-butanediol during 24-40 h, when compared to those by wild type. Interestingly, the excess acetic acid produced could be removed in an AHL-QS-independent manner. Subsequently, quantitative real-time PCR was used to determine the mRNA expression levels of genes responsible for acidogenesis and solventogenesis and showed consistent results with those of product synthesis. Finally, by close examination of promoter regions of the analyzed genes, four putative luxI box-like motifs were found upstream of genes encoding acetyl-CoA synthase, lactate dehydrogenase, ${\alpha}$-acetolactate decarboxylase, and Lys-like regulator. The information from this study provides a novel insight into the roles played by AHL-QS in switching from acidogenesis to solventogenesis in S. marcescens MG1.
Kim, Tae-Woo;Cha, Ji-Young;Lee, Jun-Seung;Min, Bok-Kee;Baik, Hyung-Suk
Journal of Life Science
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v.18
no.2
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pp.206-212
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2008
The quorum sensing (QS) regulatory network has been the subject of extensive studies during recent years and has also attracted a lot of attention because it both positively and negatively regulates various putative virulence factors, although initially considered to be a specialized system of Vibrio fischeri and related species. In this study, to identify the novel materials which inhibit QS system of microorganisms, extracts of eighteen natural products were tested by bioassay using N-(3-oxohexanoyl)-$_L$-homoserine lactone and N-(3-oxooctanoyl)-$_L$-homoserine lactone synthesized in this experiment and an Agrobacterium tumefaciens NT1 biosensor strain containing a traI::lacZ fusion. The result indicated that the extracts of cabbage, leek, and onion exhibited the QS inhibition activity. Thus, materials contained in the extracts were isolated via recycling preparative HPLC and were purified via a JAIGEL-LS255 column. The common fraction corresponding to a peak of the 83 min point of them quenched the quorum sensing of A. tumefaciens NT1 biosensor strain in ABMM containing X-gal and was designated quorum sensing inhibitor-83 min (QSI-83). The QSI-83 exhibited the heat stability and did not inhibit the growth of A. tumefaciens NTl. Furthermore, thin layer chromatography (TLC) results suggested that these novel materials may be antagonists of N-acyl homoserine lactone or may inhibit the QS autoinducer synthesis by Pseudomonas syringae pv. tabaci.
Kim, Cheol-Jin;Park, Hyung-Yeon;Kim, Jae-Eun;Park, Hee-Jin;Lee, Bon-Su;Choi, Yu-Sang;Lee, Joon-Hee;Yoon, Je-Yong
Microbiology and Biotechnology Letters
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v.37
no.3
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pp.248-257
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2009
The inhibitors against Vibrio harveyi quorum sensing (QS) signaling were developed by modifying the molecular structure of the major signal, N-3-hydroxybutanoyl-L-homoserine lactone (3-OH-$C_4$-HSL). A series of structural derivatives, N-(3-hydroxysulfonyl)-L-homoserine lactones (HSHLs) were synthesized by the solid-phase organic synthesis method. The in vivo QS inhibition by these compounds was measured by a bioassay system using the V. harveyi bioluminescence, and all showed significant inhibitory effects. To analyze the interaction between these compounds and LuxN, a 3-OH-$C_4$-HSL receptor protein of V. harveyi, we tentatively determined the putative signal binding domain of LuxN based on the sequence homology with other acyl-HSL binding proteins, and predicted the partial 3-D structure of the putative signal binding domain of LuxN by using ORCHESTRA program, and further estimated the binding poses and energies (docking scores) of 3-OH-$C_4$-HSL and HSHLs within the domain. In comparison of the result from this modeling study with that of in vivo bioassay, we suggest that the in silica interpretation of the interaction between ligands and their receptor proteins can be a valuable way to develop better competitive inhibitors, especially in the case that the structural information of the protein is limited.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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