Effect of bacteriocins on the adhesion and protein expression profiling of Staphylococcus aureus

Abstract

Staphylococcus aureus é um patógeno humano oportunista responsável por uma série de doenças que vão desde intoxicações alimentares e infecções superficiais da pele a doenças mais graves como endocardite, pneumonia, meningite, sépsis e a síndrome do choque tóxico. S. aureus é capaz de aderir a superfícies e formar biofilmes e, na indústria de alimentos, esses biofilmes podem levar à contaminação cruzada causando riscos à segurança alimentar. O objetivo deste estudo foi avaliar o efeito de concentrações subinibitórias das bacteriocinas bovicina HC5 e nisina sobre a adesão de S. aureus em superfície de poliestireno e, por meio da proteômica, avaliar a resposta ao estresse deste patógeno à bovicina HC5. Doses subinibitórias das bacteriocinas, que não impediram o crescimento bacteriano, reduziram a adesão de células, provavelmente por alterar a hidrofobicidade das superfícies da bactéria e do poliestireno. Ambas as superfícies tornaram-se mais hidrofílicas e a energia livre foi termodinamicamente desfavorável à adesão após o tratamento com bovicina HC5 e nisina. O nível de transcritos de genes relacionados com adesão e mecanismo de quorum sensing foi avaliado por RT-qPCR e revelou que as bacteriocinas afetaram a expressão dos genes icaD, fnbA e clfB, relacionados à formação de biofilmes e também, do gene rnaIII, envolvido no mecanismo de quorum sensing. A expressão de icaD e fnbA foi aumentada na presença das bacteriocinas avaliadas. Enquanto bovicina HC5 diminuiu a expressão de clfb, o nível de transcritos de rnaIII aumentou na presença de nisina. O perfil de síntese de proteínas citoplasmáticas de S. aureus COL mudou na presença de bovicina HC5 em concentração subinibitória. A síntese de diversas proteínas envolvidas na biossíntese de aminoácidos, principalmente produtos do operon ilv-leu, e do metabolismo de DNA, como a enzima DNA polimerase I (PolA), diminuiu após as células de S. aureus serem expostas à bovicina HC5. Proteínas envolvidas no catabolismo (ciclo do ácido tricarboxílico) e chaperonas (DnaK, GrpE, GroEL, ClpP e ClpB) apresentaram síntese aumentada. A síntese de importantes reguladores transcricionais (CodY e CcpA) também aumentou na presença da bacteriocina. Estes resultados indicam que bovicina HC5 e nisina podem diminuir a adesão bacteriana a superfícies poliméricas e, consequentemente, diminuir a formação de biofilmes, pela redução das características hidrofóbicas das superfícies da célula e do poliestireno. O estresse causado por bovicina HC5 na membrana perturba a homeostasia celular levando S. aureus a paralisar seu crescimento, reduzir a síntese de proteínas e, ao mesmo tempo, aumentar a síntese de chaperonas e enzimas envolvidas no catabolismo de eficiência energética na tentativa de recuperar sua energia e manter a homeostase. Estas informações são importantes para a compreensão da ação das bacteriocinas na inibição da adesão bacteriana e também para entender os mecanismos de resposta visando revelar novos alvos potenciais para o controle de patógenos.

Staphylococcus aureus is a human opportunistic pathogen responsible for a broad spectrum of infections ranging from food poisoning and superficial skin infections to more serious diseases such as endocarditis, pneumonia, meningitis, sepsis, and toxic shock syndrome. S. aureus is able to adhere to surfaces and form biofilms and, in the food industry, these biofilms may lead to cross-contamination causing risks for food safety. This study aims to evaluate the effect of subinhibitory concentrations of the bacteriocins bovicin HC5 and nisin on the adhesion of S. aureus to polystyrene surface, and by using proteomic approach, the stress response of this pathogen to bovicin HC5. Subinhibitory dosages of the bacteriocins, which did not prevent bacterial growth, reduced cell adhesion probably due to changes in the hydrophobicity of the bacterial cell and polystyrene surfaces. Both surfaces became more hydrophilic and the free energy of adhesion between bacteria and polystyrene surface was thermodynamically unfavorable after treatment with bovicin HC5 and nisin. The transcript levels of genes related to adhesion and quorum sensing mechanism were assessed by RT-qPCR approach, revealing that both bacteriocins affected the expression of icaD, fnbA, and clfB, biofilm associated genes, and also rnaIII, involved in quorum sensing system. Expression of icaD and fnbA was up-regulated by bovicin HC5 and nisin. While clfb expression decreased in the presence of bovicin HC5, the transcript levels of rnaIII enhanced in the presence of nisin. The synthesis profile of cytoplasmatic proteins of S. aureus COL changed in the presence of subinhibitory concentration of bovicin HC5. Synthesis of several proteins involved in amino acids biosynthesis, mainly products of ilv-leu operon, and DNA metabolism, such as DNA polymerase I (PolA), decreased following bovicin HC5 treatment while proteins involved in catabolism (TCA cycle) and chaperones (DnaK, GrpE, GroEL, ClpP, and ClpB) were over-expressed. The synthesis of important regulators (CodY and CcpA) also increased in the presence of the bacteriocin. These results indicate that bovicin HC5 and nisin can reduce bacterial adhesion in polymeric surface, and consequently biofilm establishment, by reducing hydrophobic characteristics of the cell surface and also polystyrene surface. Stress caused by bovicin HC5 in the cell membrane disturbs cell homeostasis leading S. aureus to stop growth, reduce protein synthesis and, at the same time, enhance synthesis of chaperones and enzymes involved in energy-efficient catabolism in attempt to restore its energy and maintain cell homeostasis. These are important information to understand the action of bacteriocins on bacterial adhesion inhibition and also to understand response mechanisms in attempt to reveal new potential targets for pathogen control.