Aminoglycoside antibiotics induce bacterial biofilm formation

生物膜 铜绿假单胞菌 妥布霉素 氨基糖苷 微生物学 抗生素 磷酸二酯酶 多药耐受 化学 大肠杆菌 庆大霉素 细菌 生物 生物化学 基因 遗传学
作者
Lucas R. Hoffman,David A. D’Argenio,Michael J. MacCoss,Zhaoying Zhang,Roger A. Jones,Samuel I. Miller
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:436 (7054): 1171-1175 被引量:1216
标识
DOI:10.1038/nature03912
摘要

Biofilms are adherent aggregates of bacterial cells that form on biotic and abiotic surfaces, including human tissues. Biofilms resist antibiotic treatment and contribute to bacterial persistence in chronic infections. Hence, the elucidation of the mechanisms by which biofilms are formed may assist in the treatment of chronic infections, such as Pseudomonas aeruginosa in the airways of patients with cystic fibrosis. Here we show that subinhibitory concentrations of aminoglycoside antibiotics induce biofilm formation in P. aeruginosa and Escherichia coli. In P. aeruginosa, a gene, which we designated aminoglycoside response regulator (arr), was essential for this induction and contributed to biofilm-specific aminoglycoside resistance. The arr gene is predicted to encode an inner-membrane phosphodiesterase whose substrate is cyclic di-guanosine monophosphate (c-di-GMP)-a bacterial second messenger that regulates cell surface adhesiveness. We found that membranes from arr mutants had diminished c-di-GMP phosphodiesterase activity, and P. aeruginosa cells with a mutation changing a predicted catalytic residue of Arr were defective in their biofilm response to tobramycin. Furthermore, tobramycin-inducible biofilm formation was inhibited by exogenous GTP, which is known to inhibit c-di-GMP phosphodiesterase activity. Our results demonstrate that biofilm formation can be a specific, defensive reaction to the presence of antibiotics, and indicate that the molecular basis of this response includes alterations in the level of c-di-GMP.
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