Antibiotic resistance (AR) is a silent pandemic that kills millions worldwide. Although the development of new therapeutic agents against antibiotic resistance is in urgent demand, this has presented a great challenge, especially for Gram-negative bacteria that have inherent drug-resistance mediated by impermeable outer membranes and multidrug efflux pumps that actively extrude various drugs from the bacteria. For the last two decades, multidrug efflux pumps, including AcrAB-TolC, the most clinically important efflux pump in Gram-negative bacteria, have drawn great attention as strategic targets for re-sensitizing bacteria to the existing antibiotics. This article aims to provide a concise overview of the AcrAB-TolC operational mechanism, reviewing its architecture and substrate specificity, as well as the recent development of AcrAB-TolC inhibitors.
Unlike eukaryotic efflux pumps energized by ATPase bacterial efflux pumps are energized by the proton motive force. That is the reason why CCCP, an inhibitor of proton motive forcer is widely used to study the bacterial efflux pump. In many cases, efflux systems have been observed only in quinolone-resistant bacteria. Most of the quinolone-susceptible strains have been found to maintain little efflux pump. However some susceptible bacteria skewed the increased intracellular quinolone concentration only at a low concentration (0.01 or 0.1 mM) but net at a high concentration (1 mM) of CCCP. If bacterial cells were killed at high concentrations of CCCP and lost the integrity of their membranes, the intracellular quinolone would leak out from cells with no efflux system. The efflux pump system in the quinolone-susceptible strains could net be detected at the same concentration used for resistant bacteria. To test this hypothesist the intracellular quinolone concentration in the quinolone-susceptible and -resistant strains of Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, and Staphylococcus aureus was assayed at various concentrations of CCCP. Since the effect of CCCP is very rapid, the survival of bacteria was observed by assaying the DNA synthesis in 5 min. In the case of E. coli, but not P. aeruginosa or S. aureus, the quinolone susceptible strain was more susceptible to CCCP than the quinolone resistant ones, especially when the incubation with CCCP was extended. Decrease of the intracellular quinolone concentration resulted in a false result-no or weak efflux system in the quinolone susceptible strains. Results suggested that the concentration of CCCP should be optimized in order to detect the efflux system in the quinolone susceptible strains of E. coli.
Multidrug-resistant strain of Acinetobacter baumannii (MDRAB) is an emerging pathogen in health care facilities, preventing MDRAB is a public health concern. We conducted this experiment on a clinical isolate of A. baumannii with two main goals: the role of the efflux pump system in the stress provision of carbapenem and the response to the transcription level of the efflux pump gene. A total of 34 strains of A. baumannii was isolated from the Yangsan Hospital of Pusan National University. First, when we compared and observed the expression of the efflux pump gene and antibacterial resistance to carbapenem, a strong correlation was observed between carbapenem resistance and overexpression of adeB (P=0.0056). Second, a correlation between the efflux pump and concentration gradient and tolerance to carbapenem stress at the AdeABC efflux pump genes transcription level was confirmed. Our results revealed that the expression of the AdeABC efflux pump is an important resistance determinant in obtaining antibiotic resistance of the carbapenem group in A. baumannii.
Kim, Yoon-Jung;Song, Jae-Yang;Hong, Soon-Kwang;Smith, Colin P.;Chang, Yong-Keun
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.18
no.4
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pp.658-662
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2008
Effects of pH shock on the secretion system of S. coelicolor A3(2) have been investigated at a transcriptional level by using DNA microarrays. Actinorhodin secretion was observed to be highly enhanced when an acidic-pH shock was applied to surface grown cultures of S. coelicolor A3(2). In this culture, a gene of actVA-orf1 encoding a putative efflux pump or transporter protein for actinorhodin was strongly upregulated. A major number of efflux pumps for other metabolites and a major number of secretion proteins for protein secretion were also observed to be upregulated with pH shock. The secretion of actinorhodin was observed to be remarkably enhanced in liquid culture as well.
Kim, Suhyeon;Kim, Songhee H.;Ahn, Jinsook;Jo, Inseong;Lee, Zee-Won;Choi, Sang Ho;Ha, Nam-Chul
Molecules and Cells
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v.42
no.12
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pp.850-857
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2019
The Gram-negative opportunistic pathogen, Pseudomonas aeruginosa, has multiple multidrug efflux pumps. MexT, a LysR-type transcriptional regulator, functions as a transcriptional activator of the MexEF-OprN efflux system. MexT consists of an N-terminal DNA-binding domain and a C-terminal regulatory domain (RD). Little is known regarding MexT ligands and its mechanism of activation. We elucidated the crystal structure of the MexT RD at 2.0 Å resolution. The structure comprised two protomer chains in a dimeric arrangement. MexT possessed an arginine-rich region and a hydrophobic patch lined by a variable loop, both of which are putative ligand-binding sites. The three-dimensional structure of MexT provided clues to the interacting ligand structure. A DNase I footprinting assay of full-length MexT identified two MexT-binding sequence in the mexEF-oprN promoter. Our findings enhance the understanding of the regulation of MexT-dependent activation of efflux pumps.
Kim, Do Kyun;Kim, Kyoung Hoon;Cho, Eun Ji;Joo, Seoung-Je;Chung, Jung-Min;Son, Byoung Yil;Yum, Jong Hwa;Kim, Young-Man;Kwon, Hyun-Ju;Kim, Byung-Woo;Kim, Tae Hoon;Lee, Eun-Woo
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.23
no.3
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pp.430-435
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2013
Multidrug resistance, especially multidrug efflux mechanisms that extrude structurally unrelated cytotoxic compounds from the cell by multidrug transporters, is a serious problem and one of the main reasons for the failure of therapeutic treatment of infections by pathogenic microorganisms as well as of cancer cells. Streptococcus mutans is considered one of the primary causative agents of dental caries and periodontal disease, which comprise the most common oral diseases. A fragment of chromosomal DNA from S. mutans KCTC3065 was cloned using Escherichia coli KAM32 as host cells lacking major multidrug efflux pumps. Although E. coli KAM32 cells were very sensitive to many antimicrobial agents, the transformed cells harboring a recombinant plasmid became resistant to several structurally unrelated antimicrobial agents such as tetracycline, kanamycin, rhodamin 6G, ampicillin, acriflavine, ethidium bromide, and tetraphenylphosphonium chloride. This suggested that the cloned DNA fragment carries a gene encoding a multidrug efflux pump. Among 49 of the multidrug-resistant transformants, we report the functional gene cloning and characterization of the function of one multidrug efflux pump, namely MdeA from S. mutans, which was expressed in E. coli KAM32. Judging from the structural and biochemical properties, we concluded that MdeA is the first cloned and characterized multidrug efflux pump using the proton motive force as the energy for efflux drugs.
The major aim of this study was to investigate the distribution of genes that encode multidrug efflux pumps in Enterococci spp. isolates from bovine milk samples and antibiotic resistance patterns of these strains. Of the 245 isolates, 44.1% showed ampicillin resistance, 79.2% showed erythromycin resistance, 76.3% showed tetracycline resistance and 36.3% showed chloramphenicol resistance. In case of vancomycin and ciprofloxacin, all of the isolates were susceptible to these antibiotics. Of the 245 enterococcal isolates, 82.1% have MFS type eme(A) gene, 72.7% have ABC type efr(A) gene, 77.1% have ABC type efr(B) gene, and 71.8% have ABC type lsa gene. In case of Enterococcus faecalis, the original strain for these genes, 92.5% have eme(A), 87.4% have efr(A), 88.4% have efr(B), and 88.4% have lsa. Interestingly, in case of different species of Enterococci, eme(A) was also detected in four strains of E. faecium, seven strains of E. avium, four strains of E. durans and two strains of E. raffinosus. efr(A) was also detected in two strains of E. faecium and two strains of E. durans and efr(B) was also detected in four strains of E. faecium, five strains of E. avium and four strains of E. durans. This means the possibility of co-transfer of resistance genes between Enterococci species in natural environment. These results are the first report describing the presence of same multidrug efflux pumps in different species of Enterococci in Korea.
$TAO^{TM}$ System is an auto-heated thermophilic aerated digestion process using a proprietary microbe called as a Phototropic Bacteria (PTB). High metabolic activity results in heat generation, which enables to produce a pathogen-free and digested liquid fertilizer at short retention times. TAO$^{TM}$ system has been developed to reduce a manure volume and convert into the liquid fertilizer using swine manure since 1992. About 100 units have been installed and operated in Korean swine farms so far. TAO$^{TM}$ system consists of a reactor vessel and ejector-type aeration pumps and foam removers. The swine slurry manure enters into vessel with PTB and is mixed and aerated. The process is operated at detention times from 2 to 4 days and temperature of 55 to $65^{\circ}C$. Foams are occurred and broken down by foam removers to evaporate water contents. Generally, at least 30% of water content is evaporated, 99% of volatile fatty acids caused an odor are removed and pathogen destruction is excellent with fecal coliform, rotavirus and salmonella below detection limits. The effluent from TAO$^{TM}$ system, called as the "TAO EFFLUX", is screened and has superb properties as a fertilizer. Normally N-P-K contents of screened TAO Efflux are 4.7 g/L, 0.375 g/L and 2.8 g/L respectively. The fertilizer effect of TAO EFFLUX compared to chemical fertilizer has been demonstrated and studied with various crops such as rice, potato, cabbage, pumpkin, green pepper, parsley, cucumber and apple. Generally it has better fertilizer effects and excellent soil fertility improvement effects. Moreover, the TAO EFFLUX is concentrated through membrane technology without fouling problems for a cost saving of long distance transportation and a commercialization (crop nutrient commodity) to a gardening market, for example.
Woode, Benjamin Kojo;Daliri, Frank;Daliri, Eric Banan-Mwine
Journal of Food Hygiene and Safety
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v.35
no.2
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pp.103-108
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2020
Recently, consumer demand for safe but minimally processed food has rapidly increased. For this reason, many food processing industries are applying hurdle technology to enhance food safety, extend shelf life, and make foods appear minimally processed. Meanwhile, studies have shown that a treatment (stress) meant to inactivate foodborne pathogens may trigger adaptation mechanisms and could even offer cross protection against subsequent treatments. Also, certain routine farm practices such as antibiotic and herbicide use could result in the development of antibiotic-resistant pathogens. Such bacteria may be tolerant to food processing-associated stress and be more likely to remain viable in processed foods. In this review, we discuss the correlation between food processing-associated stress and antibiotic resistance. We also discuss molecular mechanisms such as the use of sigma factors, SOS response pathways and efflux pumps as means of cross protection against antimicrobial compounds and other food processing-associated stresses.
Jaspine B is an anhydrophytosphingosine that is isolated from a marine sponge. Because of its structural similarity to sphingosine, it shows anti-cancer effects in human carcinomas. Therefore, this study aims to investigate its anti-proliferative effect on various cancer cells and to correlate its association with the intracellular accumulation of Jaspine B in relevant cancer cells. The anti-proliferative effect of Jaspine B in various cancer cells was determined by a cell viability test, and the intracellular concentration of Jaspine B in relevant cancer cells was determined using mass spectrometry coupled with liquid chromatography. The correlation coefficient and p value between the cytotoxicity and the cell accumulation of Jaspine B were determined using SPSS 16.1. The cytotoxicity of Jaspine B varied depending on the type of cancer cell when compared the $EC_{50}$ values of Jaspine B. Breast and melanoma cancer cells were susceptible to Jaspine B, whereas renal carcinoma cells were resistant. The intracellular concentrations of Jaspine B had a reciprocal correlation with the $EC_{50}$ values in the same cells (r = 0.838). The results suggested that the anti-proliferative effect of Jaspine B was associated with the cellular accumulation of this compound. However, Jaspine B was not a substrate for P-glycoprotein and breast cancer resistance protein, as major efflux pumps caused multidrug resistance. The maintenance of a high intracellular concentration is crucial for the cytotoxic effect of Jaspine B; however, efflux pumps may not be a controlling factor for Jaspine B-related resistance in cancer cells.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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