Role of the yndE genes in the germination of Bacillus licheniformis spores

Abstract

The risk of food poisoning and illness is an important area of research. How to prevent the presence of microorganisms in food products and the production of toxins causing illness is of large interest. Spore forming bacteria of the genera Bacillus cause problems in food production industry due to their role in pathogenesis in both humans and domestic animals. They also represent a significant food spoilage problem in the food industry where heat treatment is insufficient to kill the spores, while competition from other vegetative bacteria is eliminated. Later years, the demand for low processed refrigerated food with long durability has become a big issue. To maintain the quality of the food, the sterilization treatments need to be effective but have minimal impact on the foods sensory qualities. Knowledge of the germination receptors, present in the spores inner membrane, and their role in initiating the germination process has been shown of major importance for understanding the germination behavior of spores. Bacillus licheniformis, has been associated with food borne outbreaks in cooked meats and vegetables, raw milk, and industrially produced baby food. One of the germination receptors of B.licheniformis is encoded by the yndDEF operon. Our unpublished results demonstrate that the Ynd germination receptor is involved in germination in response to L-alanine, L-cysteine and L-valine. In contrast to other Bacillus species, like Bacillus subtilis, B.licheniformis seems to have three homologous yndE genes, yndE1, yndE2 and yndE3. The function of the yndE genes is unknown. This project aims to characterize the three homologous yndE genes in order to understand their role in germination of B.licheniformis spores. Attempts were made to construct separate null mutants in all three yndE homologs but only the yndE3 gene was successfully deleted. Analysis of the germination properties of the yndE3 mutant in response to L-alanine, L-cysteine and L-valine showed that the mutant strain exhibited a strongly reduced germination rate in response to L-cysteine. The germination responses to L-alanine and L-valine were also slightly reduced. This result indicate that the yndE3 gene is essential for efficient L-cysteine induced germination and suggest that the other yndE genes may be involved in Ynd dependent germination in response to L-alanine and L-valine. To our knowledge this is the first functional characterization of the role of paralogous germination receptor subunits encoded by a single germination receptor operon.

Sykdomsutbrudd relatert til matforgiftning er et viktig forskningsfelt. Hvordan man kan hindre vekst av mikroorganismer i matvarer, samt toksin-produksjon, som fører til sykdom, er av stor interesse. Bakterier i Bacillusslekten, som danner sporer, er et stort problem i matproduksjon grunnet den sykdomsfremkallende rollen de har hos mennesker og husdyr. Sporedannere representer også et stort problem for matvareindustrien, siden varmebehandling ikke bare er utilstrekkelig i forhold til å drepe disse, men i tillegg eliminerer konkurransen ved å drepe andre ikke sporedannende bakterier. I de senere årene har etterspørselen etter lite prosessert mat med lang holdbarhet økt. For å kunne imøtekomme disse kravene er det nødvendig med effektive metoder for sterilisering som ikke påvirker kvaliteten på maten. Kunnskap om germineringsreseptorer, som er lokalisert i den indre membranen hos sporer, og deres rolle i indusering av germinerings prosessen har vist seg å ha stor betydning for vår forståelse av germineringsprosessen. Bacillus licheniformis, har blitt knyttet til bakterieutbrudd i kjøtt og grønnsaker som er kokt, melk og industrielt fremstilt barnemat. En av germineringsreseptorene til B.licheniformis er kodet av yndDEF operonet. Våre upubliserte resultater viser at Ynd germinerings reseptoren er involvert i germinering indusert av L-alanin, L-cystein og L-valin. I motsetning til andre Bacillus arter, som Bacillus subtilis, ser det ut til at B.licheniformis har tre homologe yndE gener, yndE1, yndE2og yndE3. Funksjonen til yndE genene er ukjent. Dette prosjektet har som mål å karakterisere de tre homologe yndE genene, for å forstå rollen de har germineringen av B.licheniformis sporer.Det ble forsøkt å konstruere egne null-mutanter i alle tre yndE homologene, men bare delesjon av yndE3 genet ble vellykket. Analysering av germinering i yndE3 mutanten, indusert av L-alanin, L-cystein og L-valin, viste at mutant stamen fikk en sterkt redusert germinerings respons til L-cystein. Germineringsresponsen til L-alanin og L-valin ble også svakt redusert. Dette resultatet indikerer at yndE3 genet er avgjørende for effektiv germinering indusert med L-cystein og kan muligens tyde på at de andre yndE genene kan være involvert i yndavhengig germinering indusert av L-alanin og L-valin. Dette er den første funksjonelle kartleggingen av rollen til paraloge germinerings reseptor underenheter,kodet av ett enkelt germinerings respetor operon vi er kjent med