Interkingdom signaling is established in the gastrointestinal tract in that human hormones trigger responses in bacteria; here, we show that the corollary is true, that a specific bacterial signal, indole, is recognized as a beneficial signal in intestinal epithelial cells. Our prior work has shown that indole, secreted by commensal Escherichia coli and detected in human feces, reduces pathogenic E. coli chemotaxis, motility, and attachment to epithelial cells. However, the effect of indole on intestinal epithelial cells is not known. Because intestinal epithelial cells are likely to be exposed continuously to indole, we hypothesized that indole may be beneficial for these cells, and investigated changes in gene expression with the human enterocyte cell line HCT-8 upon exposure to indole. Exposure to physiologically relevant amounts of indole increased expression of genes involved in strengthening the mucosal barrier and mucin production, which were consistent with an increase in the transepithelial resistance of HCT-8 cells. Indole also decreased TNF-alpha-mediated activation of NF-kappaB, expression of the proinflammatory chemokine IL-8, and the attachment of pathogenic E. coli to HCT-8 cells, as well as increased expression of the antiinflammatory cytokine IL-10. The changes in transepithelial resistance and NF-kappaB activation were specific to indole: other indole-like molecules did not elicit a similar response. Our results are similar to those observed with probiotic strains and suggest that indole could be important in the intestinal epithelial cells response to gastrointestinal tract pathogens.

Phages are the most abundant entity in the biosphere and outnumber bacteria by a factor of 10. Phage DNA may also constitute 20% of bacterial genomes; however, its role is ill defined. Here, we explore the impact of cryptic prophages on cell physiology by precisely deleting all nine prophage elements (166 kbp) using Escherichia coli. We find that cryptic prophages contribute significantly to resistance to sub-lethal concentrations of quinolone and β-lactam antibiotics primarily through proteins that inhibit cell division (for example, KilR of rac and DicB of Qin). Moreover, the prophages are beneficial for withstanding osmotic, oxidative and acid stresses, for increasing growth, and for influencing biofilm formation. Prophage CPS-53 proteins YfdK, YfdO and YfdS enhanced resistance to oxidative stress, prophages e14, CPS-53 and CP4-57 increased resistance to acid, and e14 and rac proteins increased early biofilm formation. Therefore, cryptic prophages provide multiple benefits to the host for surviving adverse environmental conditions.

ABSTRACT The cross-species bacterial communication signal autoinducer 2 (AI-2), produced by the purified enzymes Pfs (nucleosidase) and LuxS (terminal synthase) from S- adenosylhomocysteine, directly increased Escherichia coli biofilm mass 30-fold. Continuous-flow cells coupled with confocal microscopy corroborated these results by showing the addition of AI-2 significantly increased both biofilm mass and thickness and reduced the interstitial space between microcolonies. As expected, the addition of AI-2 to cells which lack the ability to transport AI-2 ( lsr null mutant) failed to stimulate biofilm formation. Since the addition of AI-2 increased cell motility through enhanced transcription of five motility genes, we propose that AI-2 stimulates biofilm formation and alters its architecture by stimulating flagellar motion and motility. It was also found that the uncharacterized protein B3022 regulates this AI-2-mediated motility and biofilm phenotype through the two-component motility regulatory system QseBC. Deletion of b3022 abolished motility, which was restored by expressing b3022 in trans . Deletion of b3022 also decreased biofilm formation significantly, relative to the wild-type strain in three media (46 to 74%) in 96-well plates, as well as decreased biomass (8-fold) and substratum coverage (19-fold) in continuous-flow cells with minimal medium (growth rate not altered and biofilm restored by expressing b3022 in trans ). Deleting b3022 changed the wild-type biofilm architecture from a thick (54-μm) complex structure to one that contained only a few microcolonies. B3022 positively regulates expression of qseBC , flhD , fliA , and motA , since deleting b3022 decreased their transcription by 61-, 25-, 2.4-, and 18-fold, respectively. Transcriptome analysis also revealed that B3022 induces crl (26-fold) and flhCD (8- to 27-fold). Adding AI-2 (6.4 μM) increased biofilm formation of wild-type K-12 MG1655 but not that of the isogenic b3022, qseBC , fliA , and motA mutants. Adding AI-2 also increased motA transcription for the wild-type strain but did not stimulate motA transcription for the b3022 and qseB mutants. Together, these results indicate AI-2 induces biofilm formation in E. coli through B3022, which then regulates QseBC and motility; hence, b3022 has been renamed the motility quorum-sensing regulator gene (the mqsR gene).

Abstract Background As a stationary phase signal, indole is secreted in large quantities into rich medium by Escherichia coli and has been shown to control several genes (e.g., astD , tnaB , gabT ), multi-drug exporters, and the pathogenicity island of E. coli ; however, its impact on biofilm formation has not been well-studied. Results Through a series of global transcriptome analyses, confocal microscopy, isogenic mutants, and dual-species biofilms, we show here that indole is a non-toxic signal that controls E. coli biofilms by repressing motility, inducing the sensor of the quorum sensing signal autoinducer-1 (SdiA), and influencing acid resistance (e.g., hdeABD, gadABCEX ). Isogenic mutants showed these associated proteins are directly related to biofilm formation (e.g., the sdiA mutation increased biofilm formation 50-fold), and SdiA-mediated transcription was shown to be influenced by indole. The reduction in motility due to indole addition results in the biofilm architecture changing from scattered towers to flat colonies. Additionally, there are 12-fold more E. coli cells in dual-species biofilms grown in the presence of Pseudomonas cells engineered to express toluene o- monooxygenase (TOM, which converts indole to an insoluble indigoid) than in biofilms with pseudomonads that do not express TOM due to a 22-fold reduction in extracellular indole. Also, indole stimulates biofilm formation in pseudomonads. Further evidence that the indole effects are mediated by SdiA and homoserine lactone quorum sensing is that the addition of N -butyryl-, N -hexanoyl-, and N -octanoyl- L -homoserine lactones repress E. coli biofilm formation in the wild-type strain but not with the sdiA mutant. Conclusion Indole is an interspecies signal that decreases E. coli biofilms through SdiA and increases those of pseudomonads. Indole may be manipulated to control biofilm formation by oxygenases of bacteria that do not synthesize it in a dual-species biofilm. Furthermore, E. coli changes its biofilm in response to signals it cannot synthesize (homoserine lactones), and pseudomonads respond to signals they do not synthesize (indole).

Biofilms are associated with a wide variety of bacterial infections and pose a serious problem in clinical medicine due to their inherent resilience to antibiotic treatment. Within biofilms, persister cells comprise a small bacterial subpopulation that exhibits multidrug tolerance to antibiotics without undergoing genetic change. The low frequency of persister cell formation makes it difficult to isolate and study persisters, and bacterial persistence is often attributed to a quiescent metabolic state induced by toxins that are regulated through toxin-antitoxin systems. Here we mimic toxins via chemical pretreatments to induce high levels of persistence (10 to 100%) from an initial population of 0.01%. Pretreatment of Escherichia coli with (i) rifampin, which halts transcription, (ii) tetracycline, which halts translation, and (iii) carbonyl cyanide m-chlorophenylhydrazone, which halts ATP synthesis, all increased persistence dramatically. Using these compounds, we demonstrate that bacterial persistence results from halted protein synthesis and from environmental cues.

ABSTRACT During infection in the gastrointestinal tract, enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) O157:H7 is exposed to a wide range of signaling molecules, including the eukaryotic hormones epinephrine and norepinephrine, and bacterial signal molecules such as indole. Since these signaling molecules have been shown to be involved in the regulation of phenotypes such as motility and virulence that are crucial for EHEC infections, we hypothesized that these molecules also govern the initial recognition of the large intestine environment and attachment to the host cell surface. Here, we report that, compared to indole, epinephrine and norepinephrine exert divergent effects on EHEC chemotaxis, motility, biofilm formation, gene expression, and colonization of HeLa cells. Using a novel two-fluorophore chemotaxis assay, it was found that EHEC is attracted to epinephrine and norepinephrine while it is repelled by indole. In addition, epinephrine and norepinephrine also increased EHEC motility and biofilm formation while indole attenuated these phenotypes. DNA microarray analysis of surface-associated EHEC indicated that epinephrine/norepinephrine up-regulated the expression of genes involved in surface colonization and virulence while exposure to indole decreased their expression. The gene expression data also suggested that autoinducer 2 uptake was repressed upon exposure to epinephrine/norepinephrine but not indole. In vitro adherence experiments confirmed that epinephrine and norepinephrine increased attachment to epithelial cells while indole decreased adherence. Taken together, these results suggest that epinephrine and norepinephrine increase EHEC infection while indole attenuates the process.

With the opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa, quorum sensing based on homoserine lactones was found to influence biofilm formation. Here we discern a mechanism by which quorum sensing controls biofilm formation by screening 5850 transposon mutants of P. aeruginosa PA14 for altered biofilm formation. This screen identified the PA3885 mutant, which had 147-fold more biofilm than the wild-type strain. Loss of PA3885 decreased swimming, abolished swarming, and increased attachment, although this did not affect production of rhamnolipids. The PA3885 mutant also had a wrinkly colony phenotype, formed pronounced pellicles, had substantially more aggregation, and had 28-fold more exopolysaccharide production. Expression of PA3885 in trans reduced biofilm formation and abolished aggregation. Whole transcriptome analysis showed that loss of PA3885 activated expression of the pel locus, an operon that encodes for the synthesis of extracellular matrix polysaccharide. Genetic screening identified that loss of PelABDEG and the PA1120 protein (which contains a GGDEF-motif) suppressed the phenotypes of the PA3885 mutant, suggesting that the function of the PA3885 protein is to regulate 3,5-cyclic diguanylic acid (c-di-GMP) concentrations as a phosphatase since c-di-GMP enhances biofilm formation by activating PelD, and c-di-GMP inhibits swarming. Loss of PA3885 protein increased cellular c-di-GMP concentrations; hence, PA3885 protein is a negative regulator of c-di-GMP production. Purified PA3885 protein has phosphatase activity against phosphotyrosine peptides and is translocated to the periplasm. Las-mediated quorum sensing positively regulates expression of the PA3885 gene. These results show that the PA3885 protein responds to AHL signals and likely dephosphorylates PA1120, which leads to reduced c-di-GMP production. This inhibits matrix exopolysaccharide formation, which leads to reduced biofilm formation; hence, we provide a mechanism for quorum sensing control of biofilm formation through the pel locus and suggest PA3885 should be named TpbA for tyrosine phosphatase related to biofilm formation and PA1120 should be TpbB.