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Targets for hydrogen-peroxide-induced damage to suspension and biofilm cells of Streptococcus mutans

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Hydrogen peroxide (H2O2) is considered a major endogenous source of oxidative stress to oral bacteria and also is widely used in oral care products. Our study objectives were to identify specific targets for H2O2-induced damage to cells of Streptococcus mutans in suspensions and monospecies biofilms and to differentiate bacteriostatic and bactericidal actions of the peroxide. Streptococcus mutans was grown in suspension cultures and fed-batch biofilms for assessing relative sensitivities of viability, glycolysis, and protein synthesis to H2O2 damage. Biofilm cells were found to have essentially the same peroxide sensitivity as cells in suspensions. H2O2 at low concentrations of about 16.3 mmol/L was highly inhibitory for glycolysis and mainly bacteriostatic. The most sensitive target detected for glycolytic inhibition was glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase with IC50 (50% inhibitory concentration) values of ca. 2.2 mmol/L for suspension cells and 2.3 mmol/L for biofilms with 15 min treatments. The phosphoenolpyruvate:glucose phosphotransferase pathway was less sensitive with an IC50 of ca. 10 mmol/L. Aldolase was not inhibited at bacteriostatic concentrations of the peroxide. For suspensions and biofilms, acidification somewhat diminished peroxide sensitivity, while increased temperature enhanced sensitivity. At concentrations above about 30 mmol/L, H2O2 became mainly bactericidal but not mutagenic for S. mutans. A major target for bactericidal damage was protein synthesis, thus rendering cells incapable of repairing or replacing oxidatively damaged proteins.

Le peroxyde d’hydrogène (H2O2) est une source majeure de stress oxydatif des bactéries orales et il est aussi largement utilisé dans les produits d’hygiène buccale. Les objectifs de notre étude étaient d’identifier des cibles spécifiques des dommages induits par le H2O2 chez Streptococcus mutans en suspension et en biofilm monospécifique et de différencier les effets bactériostatiques des effets bactéricides du peroxyde. S. mutans a été cultivée en suspension et en biofilm à écoulement discontinu afin d’évaluer les niveaux de sensibilité relative de la viabilité, de la glycolyse et de la synthèse protéique aux dommages causés par le H2O2. Les cellules en biofilm possédaient essentiellement la même sensibilité au H2O2 que les cellules en suspension. Le H2O2 utilisé à une faible concentration d’environ 16,3 mmol/L inhibait fortement la glycolyse et était principalement bactériostatique. La cible la plus sensible détectée en lien avec l’inhibition de la glycolyse était la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase, avec des valeurs de CI50 (concentration inhibitrice à 50 %) d’environ 2,2 mmol/L chez les cellules en suspension et de 2,3 mmol/L chez les cellules en biofilm lors d’un traitement de 15 min. La voie du phosphoénolpyruvate : glucosephosphotransférase était moins sensible, avec une CI50 d’environ 10 mmol/L. L’aldolase n’était pas inhibée par des concentrations bactériostatiques de peroxyde. Pour les suspensions et les biofilms, l’acidification diminuait en quelque sorte la sensibilité au peroxyde, alors qu’une augmentation de la température augmentait la sensibilité. À des concentrations supérieures à environ 30 mmol/L, le H2O2 devenait principalement bactéricide mais non mutagène pour S. mutans. Une cible majeure des dommages bactéricides était la synthèse protéique, rendant ainsi les cellules incapables de réparer ou de remplacer les protéines endommagées par l’oxydation.

Document Type: Research Article

Publication date: October 1, 2008

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  • Published since 1954, this monthly journal contains new research in the field of microbiology including applied microbiology and biotechnology; microbial structure and function; fungi and other eucaryotic protists; infection and immunity; microbial ecology; physiology, metabolism and enzymology; and virology, genetics, and molecular biology. It also publishes review articles and notes on an occasional basis, contributed by recognized scientists worldwide.
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