Effects of the twin-arginine translocase on the structure and antimicrobial susceptibility of Escherichia coli biofilms

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Abstract:

In this descriptive study, we used Escherichia coli twin-arginine translocase (tat) mutants to distinguish antibiotic tolerance from the formation of mature biofilm structure. Biofilm formation by wild-type and Δtat strains of E. coli was evaluated using viable cell counts, scanning electron microscopy, and confocal laser-scanning microscopy. Escherichia coli Δtat mutants had an impaired ability to form biofilms when grown in rich or minimal media. These mutants produced disorganized layers and cell aggregates with significantly decreased cell density relative to the wild-type strain. In contrast, wild-type E. coli grown under similar test conditions formed highly structured, surface-adherent communities. We thus determined if this decreased biofilm formation by E. coli Δtat mutants may result in lowered tolerance to antimicrobials. When grown in rich media, planktonic Δtat mutants were hypersensitive to some metals, detergents, and antibiotics. However, the corresponding biofilms were about as resilient as the wild-type strain. In contrast, both planktonic cells and biofilms of the ΔtatABC strain grown in minimal media were hypersensitive to many antimicrobials. Remarkably, these biofilms remained up to 365 times more tolerant to -lactams than corresponding planktonic cells. Our data suggest that the twin-arginine translocase may play a contributing role in the antimicrobial tolerance, structural organization, and formation of mature E. coli biofilms under nutrient-limited conditions. However, the high tolerance of the ΔtatABC strain to bactericidal concentrations of antimicrobials indicates that mature biofilm structure may not be required for surface-adherent E. coli to survive exposure to these lethal factors.Key words: biofilm structure, twin-arginine translocase (tat), Escherichia coli, antimicrobial susceptibility/tolerance.

Dans cette étude descriptive nous avons employé des mutants de la translocase à arginine double (tat) de Escherichia coli afin de distinguer la tolérance aux antibiotiques de la formation de structure de biofilms à maturité. La formation de biofilms chez la souche sauvage et Δtat de Escherichia coli fut évaluée à l'aide de comptes viables, de la microscopie à balayage électronique et de la microscopie confocale à balayage au laser. Les mutants Δtat de E. coli avaient une capacité restreinte à former des biofilms lorsque cultivés en milieu riche ou minimal. Ces mutants ont produit des couches désorganisées et des agrégats cellulaires d'une densité cellulaire significativement inférieure à la souche sauvage. En revanche, le E. coli de type sauvage cultivé dans des conditions expérimentales semblables a formé des communautés hautement structurées et adhérentes aux surfaces. Nous avons donc déterminé si la diminution de la formation de biofilms par les mutants Δtat de E. coli serait la conséquence d'une plus faible tolérance aux antimicrobiens. Lorsque cultivés en milieu riche, les mutants Δtat planctoniques étaient hypersensibles à certains métaux, détergents et antibiotiques. Toutefois, les biofilms correspondants étaient environ aussi tenaces que la souche sauvage. En revanche, les cellules planctoniques et les biofilms de la souche ΔtatABC cultivés en milieu minimal étaient tous 2 hypersensibles à plusieurs antimicrobiens. Fait remarquable, ces biofilms sont demeurés jusqu'à 365 fois plus tolérants aux -lactams que les cellules planctoniques correspondantes. Nos données suggèrent que la translocase à arginine double pourrait jouer un rôle dans la tolérance aux antimicrobiens, l'organisation structurale et la formation de biofilms mûrs de E. coli dans des conditions restreintes en nutriments. Toutefois, la tolérance élevée de la souche ΔtatABC à des concentrations bactéricides d'antimicrobiens indiquent que la structure des biofilms à maturité ne serait pas nécessaire à la survie de E. coli adhérant aux surfaces vis-à-vis ces facteurs létaux.Mots clés : structure de biofilm, translocase tat (twin-arginine translocase), Escherichia coli, suceptibilité/tolérance antimicrobienne.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: August 1, 2005

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