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Cells in shearable and nonshearable regions of Salmonella enterica serovar Enteritidis biofilms are morphologically and physiologically distinct

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Abstract:

Cellular morphology, exopolymer chemistry, and protein expression of shearable and nonshearable fractions of Salmonella enterica serovar Enteritidis biofilms were examined. Biofilms were grown at a laminar flow velocity of 0.07 cm·s-1 for ~120 h, resulting in biofilms with a thickness (mean ± SD) of 43 ± 24 µm. An empirically determined shear-inducing flow (1.33 cm·s-1) was then applied for 5 min, effectively reducing biofilm thickness by ~70% and leaving 13 ± 6 µm of nonshearable material and allowing fractionation of biofilm material into shearable and nonshearable regions. In situ lectin binding analyses revealed that there was no significant difference in the exopolymer glycoconjugate composition of the shearable and nonshearable biofilm zones. Length to width indices of cells from nonshearable and shearable biofilm regions as well as planktonic cells from biofilm effluent and continuous culture were determined to be 3.2, 2.3, 2.2, and 1.7, respectively, indicating that the cells in the shearable fraction were morphologically more similar to planktonic cells than the cells in the nonshearable biofilm fraction. Enhanced expression of proteins involved in cold shock response, adaptation, and broad regulatory functions (CspA, GrcA, and Hns, respectively) in cells from the shearable region as well as protein translation and modification and enhanced expression of protein involved in heat shock response and chaperonin function (DnaK) in cells from the nonshearable region revealed that the physiological status of cells in the two biofilm regions was distinct. This was also reflected in the different morphologies of cells from the two biofilm zones. Stratified patterns of cell metabolism and morphology in biofilms, obtained using shear-induced biofilm fractionation, may yield important information of how cells of deeply embedded biofilm bacteria survive imposed conditions of stress such as treatment with antimicrobial agents or antibiotics.

La morphologie cellulaire, la chimie de l’exopolymère et l’expression des protéines des fractions périphériques (cisaillables) et profondes (non cisaillables) de biofilms formés par Salmonella enterica serovar Enteritidis ont été examinées. Les biofilms ont été cultivés sous un flux laminaire d’une vélocité de 0,07 cm·s-1 pendant environ 120 h, résultant en biofilms d’une épaisseur (moyenne ± DS) de 43 ± 24 µm. Un flux de cisaillement déterminé empiriquement (1,33 cm·s -1) a ensuite appliqué pendant 5 min, réduisant effectivement l’épaisseur du biofilm d’environ 70 %, laissant 13 ± 6 µm de matériel non cisaillable et permettant de fractionner le matériel du biofilm en régions cisaillables et non cisaillables. Des analyses de liaison de lectines ont révélé qu’il n’y avait pas de différences significatives dans la composition en glycoconjugués de l’exopolymère des zones du biofilm cisaillables et non cisaillables. Les indices longueur à largeur des cellules des régions cisaillables et non cisaillables du biofilm, ainsi que ceux des cellules planctoniques de l’effluent du biofilm et d’une culture en continue étaient de 3,2, 2,3, 2,2 et 1,7 respectivement, indiquant que les cellules de la fraction cisaillable étaient morphologiquement plus apparentées aux cellules planctoniques que les cellules de la fraction non cisaillable. L’augmentation de l’expression de protéines impliquées dans la réponse au froid, l’adaptation et de fonctions régulatrices diverses (CspA, GrcA et Hns, respectivement) chez les cellules de la région cisaillable, ainsi que la traduction et les modifications des protéines, et l’augmentation de l’expression de protéines impliquées dans le choc thermique et la fonction de chaperonine (DnaK) chez les cellules de la région non cisaillable, ont révélé que l’état physiologique des cellules des deux régions du biofilm était distinct. Ceci était aussi reflété dans les différences morphologiques des cellules des deux zones du biofilm. Des patrons stratifiés du métabolisme et de la morphologie cellulaires dans les biofilms, obtenus par fractionnement du biofilm par cisaillement, pourraient générer des informations importantes sur la façon dont les cellules bactériennes profondément ancrées dans le biofilm survivent aux conditions de stress imposées, comme un traitement aux antimicrobiens ou aux antibiotiques.

Document Type: Research Article

Publication date: August 1, 2009

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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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