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.
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.
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.
Ryu, Choong-Min;Choi, Hye Kyung;Lee, Chi-Ho;Murphy, John F.;Lee, Jung-Kee;Kloepper, Joseph W.
The Plant Pathology Journal
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v.29
no.2
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pp.182-192
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2013
Numerous root-associated bacteria (rhizobacteria) are known to elicit induced systemic resistance (ISR) in plants. Bacterial cell-density-dependent quorum sensing (QS) is thought to be important for ISR. Here, we investigated the role of QS in the ISR elicited by the rhizobacterium, Serratia marcescens strain 90-166, in tobacco. Since S. marcescens 90-166 produces at least three QS signals, QS-mediated ISR in strain 90-166 has been difficult to understand. Therefore, we investigated the ISR capacity of two transgenic tobacco (Nicotiana tabacum) plants that contained either bacterial acylhomoserine lactone-producing (AHL) or -degrading (AiiA) genes in conjunction with S. marcescens 90-166 to induce resistance against bacterial and viral pathogens. Root application of S. marcescens 90-166 increased ISR to the bacterial pathogens, Pectobacterium carotovorum subsp. carotovorum and Pseudomonas syringae pv. tabaci, in AHL plants and decreased ISR in AiiA plants. In contrast, ISR to Cucumber mosaic virus was reduced in AHL plants treated with S. marcescens 90-166 but enhanced in AiiA plants. Taken together, these data indicate that QS-dependent ISR is elicited by S. marcescens 90-166 in a pathogen-dependent manner. This study provides insight into QS-dependent ISR in tobacco elicited by S. marcescens 90-166.
Quorum sensing (QS) is a cell-to-cell communication system, which is used by many bacteria to regulate diverse gene expression in response to changes in population density. Bacteria recognize the differences in cell density by sensing the concentration of signal molecules such as N-acyl-homoserine lactones (AHL) and autoinducer-2 (AI-2). In particular, QS plays a key role in biofilm formation, which is a specific bacterial group behavior. Biofilms are dense aggregates of packed microbial communities that grow on surfaces, and are embedded in a self-produced matrix of extracellular polymeric substances (EPS). QS regulates biofilm dispersal as well as the production of EPS. In some bacteria, biofilm formations are regulated by c-di-GMP-mediated signaling as well as QS, thus the two signaling systems are mutually connected. Biofilms are one of the major virulence factors in pathogenic bacteria. In addition, they cause numerous problems in industrial fields, such as the biofouling of pipes, tanks and membrane bioreactors (MBR). Therefore, the interference of QS, referred to as quorum quenching (QQ) has received a great deal of attention. To inhibit biofilm formation, several strategies to disrupt bacterial QS have been reported, and many enzymes which can degrade or modify the signal molecule AHL have been studied. QQ enzymes, such as AHL-lactonase, AHL-acylase, and oxidoreductases may offer great potential for the effective control of biofilm formation and membrane biofouling in the future. This review describes the process of bacterial QS, biofilm formation, and the close relationship between them. Finally, QQ enzymes and their applications for the reduction of biofouling are also discussed.
Kim Yeon Hee;Kim Young Hee;Kim Jung Sun;Park Sunghoon
Biotechnology and Bioprocess Engineering:BBE
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v.10
no.4
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pp.322-328
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2005
Acylhomoserine lactones (AHLs) are known to be the triggering molecules in the quorum sensing mechanism of many gram-negative bacteria. In order to detect AHL inhibitors that are potential biofilm inhibitors, a convenient and sensitive bioassay was developed based on the $\beta$-galactosidase activity ($\beta$-GAL) of a recombinant Agrobacterium tumefaciens strain. A series of commercially available AHLs were tested for inducing $\beta$-GAL at varying concentrations in agar-plate and liquid cultures of the reporter strain. All AHLs tested exhibited a concentrationdependent induction, and octanoyl homoserine lactone (OHL) showed the highest sensitivity with a detection limit of 0.1 nM in the liquid culture assay. When fimbrolide, a known quorum sensing inhibitor, was added, induction of $\beta$-GAL by OHL was repressed. The repression at a constant OHL concentration was dependent on the fimbrolide concentration with the detection limit below 1 ppm, indicating that this assay is a sensitive method for screening AHL inhibitors.
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.
This work investigated the potential of curcumin (CCM) and (-)-epigallocatechin gallate (EGCG) to inhibit N-acyl homoserine lactone (AHL)-mediated biofilm formation in gram-negative bacteria from membrane bioreactor (MBR) activated sludge. The minimum inhibitory concentrations (MICs) of CCM alone against all the tested bacteria were 200-350 μg/ml, whereas those for EGCG were 300-600 μg/ml. Biofilm formation at one-half MICs indicated that CCM and EGCG alone respectively inhibited 52-68% and 59-78% of biofilm formation among all the tested bacteria. However, their combination resulted in 95-99% of biofilm reduction. Quorum sensing inhibition (QSI) assay with known biosensor strains demonstrated that CCM inhibited the expression of C4 and C6 homoserine lactones (HSLs)-mediated phenotypes, whereas EGCG inhibited C4, C6, and C10 HSLs-based phenotypes. The Center for Disease Control biofilm reactor containing a multispecies culture of nine bacteria with one-half MIC of CCM (150 μg/ml) and EGCG (275 μg/ml) showed 17 and 14 μg/cm2 of extracellular polymeric substances (EPS) on polyvinylidene fluoride membrane surface, whereas their combination (100 μg/ml of each) exhibited much lower EPS content (3 μg/cm2). Confocal laser scanning microscopy observations also illustrated that the combination of compounds tremendously reduced the biofilm thickness. The combined effect of CCM with EGCG clearly reveals for the first time the enhanced inhibition of AHL-mediated biofilm formation in bacteria from activated sludge. Thus, such combined natural QSI approach could be used for the inhibition of membrane biofouling in MBRs treating wastewaters.
Katie Lawther;Fernanda Godoy Santos;Linda B Oyama;Sharon A Huws
Animal Bioscience
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v.37
no.2_spc
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pp.337-345
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2024
Ruminants possess a specialized four-compartment forestomach, consisting of the reticulum, rumen, omasum, and abomasum. The rumen, the primary fermentative chamber, harbours a dynamic ecosystem comprising bacteria, protozoa, fungi, archaea, and bacteriophages. These microorganisms engage in diverse ecological interactions within the rumen microbiome, primarily benefiting the host animal by deriving energy from plant material breakdown. These interactions encompass symbiosis, such as mutualism and commensalism, as well as parasitism, predation, and competition. These ecological interactions are dependent on many factors, including the production of diverse molecules, such as those involved in quorum sensing (QS). QS is a density-dependent signalling mechanism involving the release of autoinducer (AIs) compounds, when cell density increases AIs bind to receptors causing the altered expression of certain genes. These AIs are classified as mainly being N-acyl-homoserine lactones (AHL; commonly used by Gram-negative bacteria) or autoinducer-2 based systems (AI-2; used by Gram-positive and Gram-negative bacteria); although other less common AI systems exist. Most of our understanding of QS at a gene-level comes from pure culture in vitro studies using bacterial pathogens, with much being unknown on a commensal bacterial and ecosystem level, especially in the context of the rumen microbiome. A small number of studies have explored QS in the rumen using 'omic' technologies, revealing a prevalence of AI-2 QS systems among rumen bacteria. Nevertheless, the implications of these signalling systems on gene regulation, rumen ecology, and ruminant characteristics are largely uncharted territory. Metatranscriptome data tracking the colonization of perennial ryegrass by rumen microbes suggest that these chemicals may influence transitions in bacterial diversity during colonization. The likelihood of undiscovered chemicals within the rumen microbial arsenal is high, with the identified chemicals representing only the tip of the iceberg. A comprehensive grasp of rumen microbial chemical signalling is crucial for addressing the challenges of food security and climate targets.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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