To explore bacterial diversity for elucidating genetic variability in acylhomoserine lactone (AHL) lactonase structure, we screened 800 bacterial strains. It revealed the presence of a quorum quenching (QQ) AHL-lactonase gene (aiiA) in 42 strains. These 42 strains were identified using rrs (16S rDNA) sequencing as Bacillus strains, predominantly B. cereus. An in silico restriction endonuclease (RE) digestion of 22 AHL lactonase gene (aiiA) sequences (from NCBI database) belonging to 9 different genera, along with 42 aiiA gene sequences from different Bacillus spp. (isolated here) with 14 type II REs, revealed distinct patterns of fragments (nucleotide length and order) with four REs; AluI, DpnII, RsaI, and Tru9I. Our study reflects on the biodiversity of aiiA among Bacillus species. Bacillus sp. strain MBG11 with polymorphism (115Alanine > Valine) may confer increased stability to AHL lactonase, and can be a potential candidate for heterologous expression and mass production. Microbes with ability to produce AHL-lactonases degrade quorum sensing signals such as AHL by opening of the lactone ring. The naturally occurring diversity of QQ molecules provides opportunities to use them for preventing bacterial infections, spoilage of food, and bioremediation.
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.
Ryu, Du-Hwan;Lee, Sang-Won;Mikolaityte, Viktorija;Kim, Yea-Won;Jeong, Haeyoung;Lee, Sang Jun;Lee, Chung-Hak;Lee, Jung-Kee
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.30
no.6
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pp.937-945
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2020
N-acyl-homoserine lactone (AHL)-mediated quorum sensing (QS) plays a major role in development of biofilms, which contribute to rise in infections and biofouling in water-related industries. Interference in QS, called quorum quenching (QQ), has recieved a lot of attention in recent years. Rhodococcus spp. are known to have prominent quorum quenching activity and in previous reports it was suggested that this genus possesses multiple QQ enzymes, but only one gene, qsdA, which encodes an AHL-lactonase belonging to phosphotriesterase family, has been identified. Therefore, we conducted a whole genome sequencing and analysis of Rhodococcus sp. BH4 isolated from a wastewater treatment plant. The sequencing revealed another gene encoding a QQ enzyme (named jydB) that exhibited a high AHL degrading activity. This QQ enzyme had a 46% amino acid sequence similarity with the AHL-lactonase (AidH) of Ochrobactrum sp. T63. HPLC analysis and AHL restoration experiments by acidification revealed that the jydB gene encodes an AHL-lactonase which shares the known characteristics of the α/β hydrolase family. Purified recombinant JydB demonstrated a high hydrolytic activity against various AHLs. Kinetic analysis of JydB revealed a high catalytic efficiency (kcat/KM) against C4-HSL and 3-oxo-C6 HSL, ranging from 1.88 x 106 to 1.45 x 106 M-1 s-1, with distinctly low KM values (0.16-0.24 mM). This study affirms that the AHL degrading activity and biofilm inhibition ability of Rhodococcus sp. BH4 may be due to the presence of multiple quorum quenching enzymes, including two types of AHL-lactonases, in addition to AHL-acylase and oxidoreductase, for which the genes have yet to be described.
Li, Qianqian;Ni, Hong;Meng, Shan;He, Yan;Yu, Ziniu;Li, Lin
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.21
no.12
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pp.1330-1335
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2011
N-Acyl homoserine lactones (AHLs) serve as the vital quorum-sensing signals that regulate the virulence of the pathogenic bacterium Erwinia carotovora. In the present study, an approach to efficiently restrain the pathogenicity of E. carotovora-induced soft rot disease is described. Bacillus thuringiensis-derived N-acyl homoserine lactonase (AiiA) was projected onto the surface of Pseudomonas putida cells, and inoculation with both strains was challenged. The previously identified N-terminal moiety of the ice nucleation protein, InaQ-N, was applied as the anchoring motif. A surface display cassette with inaQ-N/aiiA was constructed and expressed under the control of a constitutive promoter in P. putida AB92019. Surface localization of the fusion protein was confirmed by Western blot analysis, flow cytometry, and immunofluorescence microscopy. The antagonistic activity of P. putida MB116 expressing InaQ-N/AiiA toward E. carotovora ATCC25270 was evaluated by challenge inoculation in potato slices at different ratios. The results revealed a remarkable suppressing effect on E. carotovora infection. The active component was further analyzed using different cell fractions, and the cell surface-projected fusion protein was found to correspond to the suppressing effect.
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.
Many plant-pathogenic bacteria are dependent on quorum sensing (QS) to evoke disease. In this study, the population of QS and quorum quenching (QQ) bacteria was analyzed in a consecutive monoculture system of Pseudostellaria heterophylla. The isolated QS strains were identified as Serratia marcescens with SwrIR-type QS system and exhibited a significant increase over the years of monoculture. Only one QQ strain was isolated from newly planted soil sample and was identified as Bacillus thuringiensis, which secreted lactonase to degrade QS signal molecules. Inoculation of S. marcescens to P. heterophylla root could rapidly cause wilt disease, which was alleviated by B. thuringiensis. Furthermore, the expression of lactonase encoded by the aiiA gene in S. marcescens resulted in reduction of its pathogenicity, implying that the toxic effect of S. marcescens on the seedlings was QS-regulated. Meanwhile, excess lactonase in S. marcescens led to reduction in antibacterial substances, exoenzymes, and swarming motility, which might contribute to pathogensis on the seedlings. Root exudates and root tuber extracts of P. heterophylla significantly promoted the growth of S. marcescens, whereas a slight increase of B. thuringiensis was observed in both samples. These results demonstrated that QS-regulated behaviors in S. marcescens mediated by root exudates played an important role in replanting diseases of P. heterophylla.
Proceedings of the Korean Society for Applied Microbiology Conference
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1975.07a
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pp.109.2-110
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1975
Mikamycin은 Streptomyces mikamycin 배양으로부터 분리된 항호균성항생물질이며 Mikamycin A와 Mikamycin B로 되는 혼합물이 다. Mikamycin B 는 depsipeptide 항생물질로써 Mikamycin 감수성균에 의한 제질환 즉, 포도상구균 및 연상 구묘에 의한 감염원의 치료용 항생물질로서 인가를 받고 있다. 그 응용면으로써는 임상용으로 사용되기 보다도 가화사료 첨가제로서의 유용성이 현저하며 닭과 돼지의 성장을 크게 촉진함이 인정되어 단백질식량의 증산에 기여되고 있는 바 크다.(중략)
To gain maximal benefit in a competitive environment, single-celled bacteria have adopted a community genetic regulatory mechanism, known as quorum sensing (QS). Many bacteria use QS signaling systems to synchronize target gene expression and coordinate biological activities among a local population. N-acylhomoserine lactones (AHLs) are one family of the well-characterized QS signals in Gram-negative bacteria, which regulate a range of important biological functions, including virulence and biofilm formation. Several groups of AHL-degradation enzymes have recently been identified in a range of living organisms, including bacteria and eukaryotes. Expression of these enzymes in AHL-dependent pathogens and transgenic plants efficiently quenches the microbial QS signaling and blocks pathogenic infections. Discovery of these novel quorum quenching enzymes has not only provided a promising means to control bacterial infections, but also presents new challenges to investigate their roles in host organisms and their potential impacts on ecosystems.
Park, Su-Jin;Park, Sun-Yang;Ryu, Choong-Min;Park, Seung-Hwan;Lee, Jung-Kee
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.18
no.9
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pp.1518-1521
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2008
Bacteria sense their population density and coordinate the expression of target genes, including virulence factors in Gram-negative bacteria, by the N-acylhomoserine lactones (AHLs)-dependent quorum sensing (QS) mechanism. In contrast, several soil bacteria are able to interfere with QS by enzymatic degradation of AHLs, referred to as quorum quenching. A potent AHL-degrading enzyme, AiiA, from Bacillus thuringiensis has been reported to effectively attenuate the virulence of bacteria by quorum quenching. However, little is known about the role of AiiA in B. thuringiensis itself. In the present study, an aiiA-defective mutant was generated to investigate the role of AHA in rhizosphere competence in the root system of pepper. The aiiA mutant showed no detectable AHL¬-egrading activity and was less effective for suppression of soft-rot symptom caused by Erwinia carotovora on the potato slice. On the pepper root, the survival rate of the aiiA mutant significantly decreased over time compared with that of wild type. Interestingly, viable cell count analysis revealed that the bacterial number and composition of E. carotovora were not different between treatments of wild type and the aiiA mutant. These results provide evidence that AHA can play an important role in rhizosphere competentce of B. thuringiensis and bacterial quorum quenching to Gram-negative bacteria without changing bacterial number or composition.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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