Cellular and molecular responses of Salmonella Typhimurium to antimicrobial-induced stresses during the planktonic-to-biofilm transition

Abstract

Aim: To characterize the cellular and molecular properties of Salmonella Typhimurium exposed to antimicrobials in association with physicochemical property, biofilm formation ability and gene expression patterns. Methods and Results: The antimicrobial susceptibilities against Salmonella Typhimurium were evaluated to determine the MICs of allyl isothiocyanate (AITC), thymol, eugenol and polyphenol. Cell surface hydrophobicity, aggregation and biofilm formation assays were conducted to assess the physicochemical properties of Salm. Typhimurium treated with sublethal concentrations (SLC2D) of antimicrobials. The expression patterns of adhesion‐related genes (adrA, csgD, fimA and lpfE), virulence‐related genes (hilA and stn) and efflux‐related genes (acrA, acrB, ompD and tolC) were evaluated by real‐time RT‐PCR. Thymol exhibited the highest antimicrobial activity against Salm. Typhimurium planktonic, biofilm and dispersed cells, showing 0·18, 0·96 and 0·42 mg ml−1 of SLC2D values, respectively. The antimicrobial‐treated Salm. Typhimurium showed low hydrophobicity. The highest auto‐aggregation ability (67%) of polyphenol‐treated Salm. Typhimurium was positively associated with the enhanced ability to form biofilms. The csgD, fimA, hilA and lpfE genes were up‐regulated in the polyphenol‐treated Salm. Typhimurium planktonic and biofilm cells. Conclusion: The results suggest that the antimicrobial resistance and virulence potential varied depending on the physiological states of Salm. Typhimurium during the transition from planktonic to biofilm cell growth. Significance and Impact of the Study: This study can expand our understanding of cellular and molecular mechanisms of biofilm formation and also provide useful information for reducing biofilm‐associated virulence potential.

Combating Pathogenic Microorganisms Using Plant-Derived Antimicrobials: A Minireview of the Mechanistic Basis

“…These authors found that trans -cinnamaldehyde was able to mitigate autoinducer 2 based quorum sensing and biofilm formation without inhibiting bacterial growth, probably due to its effect on gene transcription. Similar transcription modulatory effects have been observed in other major pathogens such as Salmonella [108] and P. aeruginosa [109] following exposure to PDAs. Since quorum sensing is one of the key processes involved in cell-to-cell communication and social behavior in microbes, the aforementioned reports could provide new insights into the development of novel therapeutics targeting key physiological processes in microbes.…”

Effects of changes in pH and temperature on the inhibition of Salmonella and Listeria monocytogenes by Allyl isothiocyanate

“…Although several studies reported that AITC was effective against various foodborne pathogens such as Escherichia coli O157:H7, L. monocytogenes, S. Typhimurium, Bacillus cereus, Staphylococcus aureus and Campylobacter jejuni, in vitro (Dufour et al, 2012;Lin, Kim, Du, & Wei, 2000;Shin, Harte, Ryser & Selke, 2010;Siahaan et al, 2013;Zou et al, 2013;Zou, Woo & Ahn, 2012) or in meat products including ground beef, fresh chicken, fermented sausage and Westphalian ham (Chacon, Muthukumarasamy, & Holley, 2006;Graumann & Holley, 2009;Luciano & Holley, 2009;Nadarajah, Han, & Holley, 2005), its high volatility, strong odor, poor water solubility and reactions with naturally occurring food nucleophiles limit its application in food systems (Chacon et al, 2006;Kim, Chung, Shin, Yam, & Chung, 2008). AITC is unstable in aqueous solution and is easily decomposed to new compounds, particularly under alkaline conditions or at elevated temperature (Ohta, Takatani, & Kawakishi, 1995;Tsao, Yu, Friesen, Potter, & Chiba, 2000).…”

Salmonella enterica: una revisión de la trilogía agente, hospedero y ambiente, y su trascendencia en Chile

“…Se ha demostrado que las aves de corral contaminadas con Salmonella aumentan entre 15 y 30% después del procesamiento, como consecuencia de la presencia de bacterias en las superficies en contacto con alimentos 38 . Pero una de las grandes preocupaciones en la industria alimentaria es que en las infecciones asociadas a biopelículas hay una alta Infectología al Día tolerancia a las condiciones de estrés y un aumento del potencial de virulencia de las bacterias 39 . Al respecto, se ha observado que el uso de concentraciones sub-letales de antimicrobianos o la exposición a condiciones estresantes sub-letales, induce a un incremento en la virulencia de las bacterias sobrevivientes (mayor capacidad invasora a células epiteliales humanas e inducción de apoptosis en macrófagos), teniendo éstas un alto potencial infeccioso en caso de entrar en contacto con un hospedero 40 .…”

“…Al respecto, se ha observado que el uso de concentraciones sub-letales de antimicrobianos o la exposición a condiciones estresantes sub-letales, induce a un incremento en la virulencia de las bacterias sobrevivientes (mayor capacidad invasora a células epiteliales humanas e inducción de apoptosis en macrófagos), teniendo éstas un alto potencial infeccioso en caso de entrar en contacto con un hospedero 40 . En ensayos de supervivencia en S. Typhimurium, se observó que la respuesta molecular al estrés juega un papel importante en la patogenicidad, ya que la formación de biopelículas aumentó entre 89 y 100% después de la exposición a concentraciones sub-letales de polifenoles, permitiendo el incremento de la resistencia a antimicrobianos y su virulencia 39 . La explicación a este comportamiento es un aumento en la expresión de genes involucrados en adhesión a células epiteliales, virulencia y eflujo de sustancias antimicrobianas.…”

“…La explicación a este comportamiento es un aumento en la expresión de genes involucrados en adhesión a células epiteliales, virulencia y eflujo de sustancias antimicrobianas. Adicionalmente, en este trabajo se determinó que el regulador CsgD, involucrado en la formación de biopelículas, también controla la expresión del gen adrA, involucrado en la virulencia de esta bacteria 39 . En S. Enteritidis también se ha observado que la expresión de genes relacionados con virulencia puede alterarse por la exposición a estrés sub-letal, lo que se traduce en una disminución de la dosis infectante de la bacteria 41 .…”