Kim, Hyeon Joong;Lee, Jae Hoon;Ahn, Dong Uk;Paik, Hyun-Dong
한국축산식품학회지
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제40권6호
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pp.1001-1013
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2020
The formation of biofilms on the enamel surface of teeth by Streptococcus mutans is an important step in dental plaque formation, demineralization, and early caries because the biofilm is where other bacteria involved in dental caries attach, grow, and proliferate. The objectives of this study were to determine the effect of phosvitin (PSV) on the biofilm formation, exopolysaccharides (EPS) production, adherence activity of S. mutans, and the expression of genes related to the compounds essential for biofilm formation (quorum-sensing inducers and components of biofilm matrix) by S. mutans. PSV significantly reduced the biofilm-forming activity of S. mutans and increased the degradation of preformed biofilms by S. mutans. PSV inhibited the adherence activity of S. mutans by 31.9%-33.6%, and the production of EPS by 62%-65% depending upon the strains and the amount of PSV added. The expressions of genes regulating the production of EPS and the quorum-sensing-inducers (gtfA, gtfD, ftf, relA, vicR, brpA, and comDE) in all S. mutans strains were down-regulated by PSV, but gtfB was down-regulated only in S. mutans KCTC 5316. Therefore, the anti-biofilm-forming activity of PSV was accomplished through the inhibition of biofilm formation, adherence activity, and the production of quorum-sensing inducers and EPS by S. mutans.
An, Sun-Jin;Namkung, Jong-Uk;Ha, Kyung-Won;Jun, Hye-Kyoung;Kim, Hyun Young;Choi, Bong-Kyu
International Journal of Oral Biology
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제46권3호
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pp.111-118
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2021
Periodontitis and periimplantitis are caused as a result of dental biofilm formation. This biofilm is composed of multiple species of pathogens. Therefore, controlling biofilm formation is critical for disease prevention. To inhibit biofilm formation, sugars can be used to interrupt lectin-involving interactions between bacteria or between bacteria and a host. In this study, we evaluated the effect of D-Arabinose on biofilm formation of putative periodontal pathogens as well as the quorum sensing activity and whole protein profiles of the pathogens. Crystal violet staining, confocal laser scanning microscopy, and scanning electron microscopy revealed that D-Arabinose inhibited biofilm formation of Porphyromonas gingivalis, Fusobacterium nucleatum, and Tannerella forsythia. D-Arabinose also significantly inhibited the activity of autoinducer 2 of F. nucleatum and the expression of representative bacterial virulence genes. Furthermore, D-Arabinose treatment altered the expression of some bacterial proteins. These results demonstrate that D-Arabinose can be used as an antibiofilm agent for the prevention of periodontal infections.
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.
Kim, Geun-Seop;Park, Chae-Rin;Kim, Ji-Eun;Kim, Hong-Kook;Kim, Byeong-Soo
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제32권2호
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pp.220-227
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2022
The spread of antibiotic-resistant strains of Staphylococcus aureus, a gram-positive opportunistic pathogen, has increased due to the frequent use of antibiotics. Inhibition of the quorum-sensing systems of biofilm-producing strains using plant extracts represents an efficient approach for controlling infections. Torilis japonica is a medicinal herb showing various bioactivities; however, no studies have reported the anti-biofilm effects of T. japonica extracts against drug-resistant S. aureus. In this study, we evaluated the inhibitory effects of T. japonica ethanol extract (TJE) on biofilm production in methicillin-sensitive S. aureus (MSSA) KCTC 1927, methicillin-resistant S. aureus (MRSA) KCCM 40510, and MRSA KCCM 40511. Biofilm assays showed that TJE could inhibit biofilm formation in all strains. Furthermore, the hemolysis of sheep blood was found to be reduced when the strains were treated with TJE. The mRNA expression of agrA, sarA, icaA, hla, and RNAIII was evaluated using reverse transcription-polymerase chain reaction to determine the effect of TJE on the regulation of genes encoding quorum sensing-related virulence factors in MSSA and MRSA. The expression of hla reduced in a concentration-dependent manner upon treatment with TJE. Moreover, the expression levels of other genes were significantly reduced compared to those in the control group. In conclusion, TJE can suppress biofilm formation and virulence factor-related gene expression in MSSA and MRSA strains. The extract may therefore be used to develop treatments for infections caused by antibiotic-resistant S. aureus.
Genus Bacillus is a spore-forming bacterium that has unique properties in cell differentiation, allowing the forming of spores in stress conditions and activated in the vegetative cell, with suitable environments occurring during the life cycle acting as a trigger. Their habitat is mainly in soil; thus, many species of Bacillus are associated with plants as well as rhizosphere bacteria and endophytic bacteria. Signal transduction is the principal mechanism of interactions, both within the cell community and with the external environment, which provides the subsequent functions or properties for the cell. The antimicrobial compounds of Bacillus sp. are potentially useful products, which have been used in agriculture for the inhibition of phytopathogens, for the stimulation of plant growth, and in the food industry as probiotics. There are two systems for the synthesis of these substances: nonribosomal synthesis of cyclic lipopeptides (NRPS) and polyketides (PKS). For each group, the structures, properties, and genes of the main products are described. The different compounds described and the way in which they co-exist exhibit the relationship of Bacillus substances to plants, humans, and animals.
Kanojiya, Poonam;Banerji, Rajashri;Saroj, Sunil D.
한국미생물·생명공학회지
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제50권1호
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pp.1-14
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2022
Bacteria communicate with each other through an intricate communication mechanism known as quorum sensing (QS). QS regulates different behavioral aspects in bacteria, such as biofilm formation, sporulation, virulence gene expression, antibiotic production, and bioluminescence. Several different chemical signals and signal detection systems play vital roles in promoting highly efficient intra- and interspecies communication. Gram-negative bacteria coordinate gene regulation through the production of acyl homoserine lactones (AHLs). Gram-positive bacteria do not code for AHL production, while some gram-negative bacteria have an incomplete AHL-QS system. Despite this fact, these microbes can detect AHLs owing to the presence of LuxR solo receptors. Various studies have reported the role of AHLs in interspecies signaling. Moreover, as bacteria live in a polymicrobial community, the production of extracellular compounds to compete for resources is imperative. Thus, AHL-mediated signaling and inhibition are considered to affect virulence in bacteria. In the current review, we focus on the synthesis and regulation mechanisms of AHLs and highlight their role in interspecies bacterial signaling. Exploring interspecies bacterial signaling will further help us understand host-pathogen interactions, thereby contributing to the development of therapeutic strategies intended to target chronic polymicrobial infections.
Kim, Yeon-Hee;Lee, Jae-Gun;Park, Sung-Hoon;Kim, Jung-Sun
대한약학회:학술대회논문집
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대한약학회 2003년도 Proceedings of the Convention of the Pharmaceutical Society of Korea Vol.2-2
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pp.174.2-174.2
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2003
Quorum sensing, a gene expression in response to population density, is regulated by chemical signals, most of which are acylated homoserine lactones (AHLs). The AHL derivatives have been reported to regulate bioluminescence, virulence factors and / or swarming motility in bacteria. It is hypothesized that higher organisms may have evolved specific means to interfere with bacterial communication as exemplified in the AHL-antagonistic activity of halogenated furanones isolated from the Australian macroalga Delisea pulchra. (omitted)
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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제30권6호
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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.
Mai, Tepoerau;Toullec, Jordan;Wynsberge, Simon Van;Besson, Marc;Soulet, Stephanie;Petek, Sylvain;Aliotti, Emmanuelle;Ekins, Merrick;Hall, Kathryn;Erpenbeck, Dirk;Lecchini, David;Beniddir, Mehdi A.;Saulnier, Denis;Debitus, Cecile
Fisheries and Aquatic Sciences
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제22권12호
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pp.30.1-30.11
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2019
Marine natural products isolated from the sponge Fascaplysinopsis cf reticulata, in French Polynesia, were investigated as an alternative to antibiotics to control pathogens in aquaculture. The overuse of antibiotics in aquaculture is largely considered to be an environmental pollution, because it supports the transfer of antibiotic resistance genes within the aquatic environment. One environmentally friendly alternative to antibiotics is the use of quorum sensing inhibitors (QSIs). Quorum sensing (QS) is a regulatory mechanism in bacteria which control virulence factors through the secretion of autoinducers (AIs), such as acyl-homoserine lactone (AHL) in gram-negative bacteria. Vibrio harveyi QS is controlled through three parallel pathways: HAI-1, AI-2, and CAI-1. Bioassay-guided purification of F. cf reticulata extract was conducted on two bacterial species, i.e., Tenacibaculum maritimum and V. harveyi for antibiotic and QS inhibition bioactivities. Toxicity bioassay of fractions was also evaluated on the freshwater fish Poecilia reticulata and the marine fish Acanthurus triostegus. Cyclohexanic and dichloromethane fractions of F. cf reticulata exhibited QS inhibition on V. harveyi and antibiotic bioactivities on V. harveyi and T. maritimum, respectively. Palauolide (1) and fascaplysin (2) were purified as major molecules from the cyclohexanic and dichloromethane fractions, respectively. Palauolide inhibited QS of V. harveyi through HAI-1 QS pathway at 50 ㎍ ml-1 (26 μM), while fascaplysin affected the bacterial growth of V. harveyi (50 ㎍ ml-1) and T. maritimum (0.25 ㎍). The toxicity of fascaplysin-enriched fraction (FEF) was evaluated and exhibited a toxic effect against fish at 50 ㎍ ml-1. This study demonstrated for the first time the QSI potential of palauolide (1). Future research may assess the toxicity of both the cyclohexanic fraction of the sponge and palauolide (1) on fish, to confirm their potential as alternative to antibiotics in fish farming.
The removal of phosphorus, especially phosphate-form phosphorus, is necessary in wastewater treatment. Biofouling induced by the quorum sensing mechanism is also a major problem in membrane bioreactor (MBR), which reduces membrane flux. This study introduces lanthanum-doped quorum quenching (QQ) beads into MBR, confirming their inhibitory effect on biofouling due to Rhodococcus sp. BH4 and their capacity for phosphorus removal through lanthanum adsorption. A batch test was conducted to access the phosphate adsorption of lanthanum-QQ (La-QQ) beads and lab-scale MBR to verify the effect of inhibition. The study aimed to identify distinctions among the MBR, QQ MBR, and La-QQ MBR. In the batch test, the phosphate removal rate increased as the volume of beads increased, while the unit volume removal rate of phosphate decreased. In the lab-scale MBR, the phosphate removal rates were below 20% in the control MBR and QQ MBR, whereas the La-QQ MBR achieved a phosphate removal rate of 74%. There was not much difference between the ammonia and total organic carbon (TOC) removal rates. Regarding the change in transmembrane pressure(TMP), 3.7 days were taken for the control MBR to reach critical pressure. In contrast, the QQ-MBR took 9.8 days, and the La-QQ MBR took 6.1 days, which confirms the delay in biofouling. It is expected that La-QQ can be used within MBR to design a more stable MBR process that regulates biofouling and enhances phosphate removal.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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