Biofilms are surface-adhered bacterial communities encased in an extracellular matrix composed of DNA, bacterial polysaccharides and proteins, which are up to 1000-fold more antibiotic resistant than planktonic cultures. To date, extracellular DNA has been shown to function as a structural support to maintain Pseudomonas aeruginosa biofilm architecture. Here we show that DNA is a multifaceted component of P. aeruginosa biofilms. At physiologically relevant concentrations, extracellular DNA has antimicrobial activity, causing cell lysis by chelating cations that stabilize lipopolysaccharide (LPS) and the outer membrane (OM). DNA-mediated killing occurred within minutes, as a result of perturbation of both the outer and inner membrane (IM) and the release of cytoplasmic contents, including genomic DNA. Sub-inhibitory concentrations of DNA created a cation-limited environment that resulted in induction of the PhoPQ- and PmrAB-regulated cationic antimicrobial peptide resistance operon PA3552–PA3559 in P. aeruginosa. Furthermore, DNA-induced expression of this operon resulted in up to 2560-fold increased resistance to cationic antimicrobial peptides and 640-fold increased resistance to aminoglycosides, but had no effect on β-lactam and fluoroquinolone resistance. Thus, the presence of extracellular DNA in the biofilm matrix contributes to cation gradients, genomic DNA release and inducible antibiotic resistance. DNA-rich environments, including biofilms and other infection sites like the CF lung, are likely the in vivo environments where extracellular pathogens such as P. aeruginosa encounter cation limitation.

ABSTRACT Biofilms cause up to 80% of infections and are difficult to treat due to their substantial multidrug resistance compared to their planktonic counterparts. Based on the observation that human peptide LL-37 is able to block biofilm formation at concentrations below its MIC, we screened for small peptides with antibiofilm activity and identified novel synthetic cationic peptide 1037 of only 9 amino acids in length. Peptide 1037 had very weak antimicrobial activity, but at 1/30th the MIC the peptide was able to effectively prevent biofilm formation (>50% reduction in cell biomass) by the Gram-negative pathogens Pseudomonas aeruginosa and Burkholderia cenocepacia and Gram-positive Listeria monocytogenes . Using a flow cell system and a widefield fluorescence microscope, 1037 was shown to significantly reduce biofilm formation and lead to cell death in biofilms. Microarray and follow-up studies showed that, in P. aeruginosa , 1037 directly inhibited biofilms by reducing swimming and swarming motilities, stimulating twitching motility, and suppressing the expression of a variety of genes involved in biofilm formation (e.g., PA2204). Comparison of microarray data from cells treated with peptides LL-37 and 1037 enabled the identification of 11 common P. aeruginosa genes that have a role in biofilm formation and are proposed to represent functional targets of these peptides. Peptide 1037 shows promise as a potential therapeutic agent against chronic, recurrent biofilm infections caused by a variety of bacteria.

Summary The two‐component regulatory system PhoP‐PhoQ of Pseudomonas aeruginosa regulates resistance to cationic antimicrobial peptides, polymyxin B and aminoglycosides in response to low Mg 2+ conditions. We have identified a second two‐component regulatory system, PmrA‐PmrB, that regulates resistance to polymyxin B and cationic antimicrobial peptides. This system responds to limiting Mg 2+ , and is affected by a phoQ , but not a phoP mutation. Inactivation of the pmrB sensor kinase and pmrA response regulator greatly decreased the expression of the operon encoding pmrA‐pmrB while expression of the response regulator pmrA in trans resulted in increased activation suggesting that the pmrA‐pmrB operon is autoregulated. Interposon mutants in pmrB , pmrA , or in an intergenic region upstream of pmrA‐pmrB exhibited two to 16‐fold increased susceptibility to polymyxin B and cationic antimicrobial peptides. The pmrA‐pmrB operon was also found to be activated by a number of cationic peptides including polymyxins B and E, cattle indolicidin and synthetic variants as well as LL‐37, a component of human innate immunity, whereas peptides with the lowest minimum inhibitory concentrations tended to be the weakest inducers. Additionally, we showed that the putative LPS modification operon, PA3552‐PA3559, was also induced by cationic peptides, but its expression was only partially dependent on the PmrA‐PmrB system. The discovery that the PmrA‐PmrB two‐component system regulates resistance to cationic peptides and that both it and the putative LPS modification system are induced by cationic antimicrobial peptides has major implications for the development of these antibiotics as a therapy for P. aeruginosa infections.

Neutrophil extracellular traps (NETs) comprise an ejected lattice of chromatin enmeshed with granular and nuclear proteins that are capable of capturing and killing microbial invaders. Although widely employed to combat infection, the antimicrobial mechanism of NETs remains enigmatic. Efforts to elucidate the bactericidal component of NETs have focused on the role of NET-bound proteins including histones, calprotectin and cathepsin G protease; however, exogenous and microbial derived deoxyribonuclease (DNase) remains the most potent inhibitor of NET function. DNA possesses a rapid bactericidal activity due to its ability to sequester surface bound cations, disrupt membrane integrity and lyse bacterial cells. Here we demonstrate that direct contact and the phosphodiester backbone are required for the cation chelating, antimicrobial property of DNA. By treating NETs with excess cations or phosphatase enzyme, the antimicrobial activity of NETs is neutralized, but NET structure, including the localization and function of NET-bound proteins, is maintained. Using intravital microscopy, we visualized NET-like structures in the skin of a mouse during infection with Pseudomonas aeruginosa. Relative to other bacteria, P. aeruginosa is a weak inducer of NETosis and is more resistant to NETs. During NET exposure, we demonstrate that P. aeruginosa responds by inducing the expression of surface modifications to defend against DNA-induced membrane destabilization and NET-mediated killing. Further, we show induction of this bacterial response to NETs is largely due to the bacterial detection of DNA. Therefore, we conclude that the DNA backbone contributes both to the antibacterial nature of NETs and as a signal perceived by microbes to elicit host-resistance strategies.

Biofilms consist of surface-adhered bacterial communities encased in an extracellular matrix composed of DNA, exopolysaccharides, and proteins. Extracellular DNA (eDNA) has a structural role in the formation of biofilms, can bind and shield biofilms from aminoglycosides, and induces antimicrobial peptide resistance mechanisms. Here, we provide evidence that eDNA is responsible for the acidification of Pseudomonas aeruginosa planktonic cultures and biofilms. Further, we show that acidic pH and acidification via eDNA constitute a signal that is perceived by P. aeruginosa to induce the expression of genes regulated by the PhoPQ and PmrAB two-component regulatory systems. Planktonic P. aeruginosa cultured in exogenous 0.2% DNA or under acidic conditions demonstrates a 2- to 8-fold increase in aminoglycoside resistance. This resistance phenotype requires the aminoarabinose modification of lipid A and the production of spermidine on the bacterial outer membrane, which likely reduce the entry of aminoglycosides. Interestingly, the additions of the basic amino acid L-arginine and sodium bicarbonate neutralize the pH and restore P. aeruginosa susceptibility to aminoglycosides, even in the presence of eDNA. These data illustrate that the accumulation of eDNA in biofilms and infection sites can acidify the local environment and that acidic pH promotes the P. aeruginosa antibiotic resistance phenotype.

Biofilm formation is a universal bacterial strategy for long-term survival in nature and during infections. Biofilms are dense microbial communities enmeshed within a polymeric extracellular matrix that protects bacteria from antibiotic exposure and the immune system and thus contribute to chronic infections. Pseudomonas aeruginosa is an archetypal biofilm-forming organism that utilizes a biofilm growth strategy to cause chronic lung infections in Cystic Fibrosis (CF) patients. The extracellular matrix of P. aeruginosa biofilms is comprised mainly of exopolysaccharides (EPS) and DNA. Both mucoid and non-mucoid isolates of P. aeruginosa produces the Pel and Psl EPS, each of which have important roles in antibiotic resistance, biofilm formation and immune evasion. Given the central importance of the Pel and Psl EPS in biofilm structure, they are attractive targets for novel anti-infective compounds. In this study we used a high throughput gene expression screen to identify compounds that repress expression of pel and psl genes as measured by transcriptional lux fusions. Testing of the pel/psl repressors demonstrated an antibiofilm activity against microplate and flow chamber biofilms formed by wild type and hyperbiofilm forming strains. To determine the potential role of EPS in virulence, mutants in pel/psl were shown to have reduced virulence in the feeding behavior and slow killing virulence assays in Caenorhabditis elegans. The antibiofilm molecules also reduced P. aeruginosa PAO1 virulence in the nematode slow killing model. Importantly, the combination of antibiotics and antibiofilm compounds were synergistic in killing P. aeruginosa biofilms. These small molecules represent a novel anti-infective strategy for the possible treatment of chronic P. aeruginosa infections.

Pseudomonas aeruginosa grows in extracellular DNA-enriched biofilms and infection sites. Extracellular DNA (eDNA) is generally considered a structural biofilm polymer required for aggregation and biofilm maturation. In addition, eDNA can sequester divalent metal cations, acidify the growth media, and serve as a nutrient source. Here we determine the transcriptome of planktonic P. aeruginosa grown in the presence of eDNA using RNA-seq. Transcriptome analysis identified 89 induced genes and 76 repressed genes in the presence of eDNA (FDR<0.05), and transcriptional lux fusions were used to confirm eDNA regulation. A large number of eDNA-induced genes appear to be involved in utilizing DNA as a nutrient. Several eDNA-induced genes are also induced by acidic pH 5.5, and growth in the presence of eDNA or acidic pH promoted an acid tolerance response in P. aeruginosa. The cyoABCDE terminal oxidase is induced at pH 5.5 and contributed to the acid tolerance phenotype. Quantitative metal analysis confirmed that DNA binds to diverse metals, which helps explain why many genes involved in a general uptake of metals were controlled by eDNA. Growth in the presence of eDNA also promoted intracellular bacterial survival and influenced virulence and during the acute infection model of fruit flies. The diverse functions of the eDNA-regulated genes underscore the important role of this extracellular polymer in promoting antibiotic resistance, virulence, acid tolerance, and nutrient utilization; phenotypes that contribute to long-term survival.

Abstract After extraction of bitumen from oil sands deposits, the oil sand process-affected water (OSPW) is stored in tailings ponds. Naphthenic acids in tailings ponds have been identified as the primary contributor to toxicity to aquatic life. As an alternative to other analytical methods, here we identify bacterial genes induced after growth in naphthenic acids and use synthetic biology approaches to construct a panel of candidate biosensors for NA detection in water. The main promoters of interest were the atuAR promoters from a naphthenic acid degradation operon and upstream TetR regulator, the marR operon which includes a MarR regulator and downstream naphthenic acid resistance genes, and a hypothetical gene with a possible role in fatty acid biology. Promoters were printed and cloned as transcriptional lux reporter plasmids that were introduced into a tailings pond-derived Pseudomonas species. All candidate biosensor strains were tested for transcriptional responses to naphthenic acid mixtures and individual compounds. The three priority promoters respond in a dose-dependent manner, which allows semi-quantitative measurements, to simple, acyclic and complex NA mixtures, and each promoter has unique NA specificities. The limits of NA detection from the various NA mixtures ranged between 1.5 - 15 mg/L. The atuA and marR promoters also detected NA in small volumes of OSPW samples and were induced by extracts of the panel of OSPW samples. While biosensors have been constructed for other hydrocarbons, here we describe a biosensor approach that could be employed in environmental monitoring of naphthenic acids in oil sands mining wastewater.

Pseudomonas aeruginosa is capable of long-term survival in water, which may serve as a reservoir for infection. Although viable cell counts of PAO1 incubated in water remain stable throughout 8 weeks, LIVE/DEAD® staining indicated a high proportion of cells stained with propidium iodide (PI). The proportion of PI-stained cells increased by 4 weeks, then decreased again by 8 weeks, suggesting an adaptive response. This was also evident in an observed shift in cell morphology from a rod to a coccoid shape after 8 weeks. Fluorescence-activated cell sorting (FACS) was used to recover PI-stained cells, which were plated and shown to be viable, indicating that PI-stained cells were membrane-compromised but still cultivable. PAO1 mid-log cells in water were labeled with the dsDNA-binding dye PicoGreen® to monitor viability as well as DNA integrity, which demonstrated that the population remains viable and transitions towards increased dsDNA staining. Metabolic activity was found to decrease significantly in water by 4 weeks. The PAO1 outer membrane became less permeable and more resistant to polymyxin B damage in water, and the profile of total membrane lipids changed over time. None of the individual mutants within a library of ~2500 mapped, mini-Tn5-lux transposon mutants were found to have decreased survival in water. Among the ~1400 transcriptional lux fusions, gene expression in water revealed that the majority of genes were repressed, but subsets of genes were induced at particular time points. In summary, these results indicate that P. aeruginosa is dormant in water and this adaptation involves a complex pattern of gene regulation and changes to the cell to promote long-term survival and antibiotic tolerance. The approach of P. aeruginosa incubated in water may be useful to study antibiotic tolerance and the mechanisms of dormancy and survival in nutrient limiting conditions.

After extraction of bitumen from oil sands deposits, the oil sand process-affected water (OSPW) is stored in tailings ponds. Naphthenic acids (NA) in tailings ponds have been identified as the primary contributor to toxicity to aquatic life. As an alternative to other analytical methods, here we identify bacterial genes induced after growth in naphthenic acids and use synthetic biology approaches to construct a panel of candidate biosensors for NA detection in water. The main promoters of interest were the