Communication Breakdown: Into the Molecular Mechanism of Biofilm Inhibition by CeO2 Nanocrystal Enzyme Mimics and How It Can Be Exploited

生物膜 群体感应 群体猝灭 铜绿假单胞菌 高丝氨酸 化学 微生物学 细菌 自诱导物 生物化学 生物 遗传学
作者
Eva Pütz,Athanasios Gazanis,Nils Keltsch,Olga Jegel,Felix Pfitzner,Ralf Heermann,Thomas A. Ternes,Wolfgang Tremel
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (10): 16091-16108 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c04377
摘要

Bacterial biofilm formation is a huge problem in industry and medicine. Therefore, the discovery of anti-biofilm agents may hold great promise. Biofilm formation is usually a consequence of bacterial cell–cell communication, a process called quorum sensing (QS). CeO2 nanocrystals (NCs) have been established as haloperoxidase (HPO) mimics and ecologically beneficial biofilm inhibitors. They were suggested to interfere with QS, a mechanism termed quorum quenching (QQ), but their molecular mechanism remained elusive. We show that CeO2 NCs are effective QQ agents, inactivating QS signals by bromination. Catalytic bromination of 3-oxo-C12-AHL a QS signaling compound used by Pseudomonas aeruginosa, was detected in the presence of CeO2 NCs, bromide ions, and hydrogen peroxide. Brominated acyl-homoserine lactones (AHLs) no longer act as QS signals but were not detected in the bacterial cultures. Externally added brominated AHLs also disappeared in P. aeruginosa cultures within minutes of their addition, indicating that they are rapidly degraded by the bacteria. Moreover, we detected the catalytic bromination of 2-heptyl-1-hydroxyquinolin-4(1H)-one (HQNO), a multifunctional non-AHL QS signal from P. aeruginosa with antibacterial and algicidal properties controlling the expression of many virulence genes. Brominated HQNO was not degraded by the bacteria in vivo. The repression of the Pseudomonas quinolone signal (PQS) production and biofilm formation in P. aeruginosa through the catalytic formation of Br-HQNO on surfaces with coatings containing CeO2 enzyme mimics validates the non-toxic strategy for the development of anti-infectives.
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