LG
Lawrence Goodridge
Author with expertise in Ecology and Evolution of Viruses in Ecosystems
Achievements
Open Access Advocate
Cited Author
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
6
(83% Open Access)
Cited by:
429
h-index:
31
/
i10-index:
70
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

Development of a Paper-Based Analytical Device for Colorimetric Detection of Select Foodborne Pathogens

Jana Jokerst et al.Feb 7, 2012
Foodborne pathogens are a major public health threat and financial burden for the food industry, individuals, and society, with an estimated 76 million cases of food-related illness occurring in the United States alone each year. Three of the most important causative bacterial agents of foodborne diseases are pathogenic strains of Escherichia coli, Salmonella spp., and Listeria monocytogenes, due to the severity and frequency of illness and disproportionally high number of fatalities. Their continued persistence in food has dictated the ongoing need for faster, simpler, and less expensive analytical systems capable of live pathogen detection in complex samples. Culture techniques for detection and identification of foodborne pathogens require 5–7 days to complete. Major improvements to molecular detection techniques have been introduced recently, including polymerase chain reaction (PCR). These methods can be tedious; require complex, expensive instrumentation; necessitate highly trained personnel; and are not easily amenable to routine screening. Here, a paper-based analytical device (μPAD) has been developed for the detection of E. coli O157:H7, Salmonella Typhimurium, and L. monocytogenes in food samples as a screening system. In this work, a paper-based microspot assay was created by use of wax printing on filter paper. Detection is achieved by measuring the color change when an enzyme associated with the pathogen of interest reacts with a chromogenic substrate. When combined with enrichment procedures, the method allows for an enrichment time of 12 h or less and is capable of detecting bacteria in concentrations in inoculated ready-to-eat (RTE) meat as low as 101 colony-forming units/cm2.
0
Citation428
0
Save
0

Structure, biosynthesis and regulation of the T1 antigen, a phase-variable surface polysaccharide conserved in many Salmonella serovars

Steven Kelly et al.Aug 2, 2024
The bacterial genus Salmonella includes diverse isolates with multiple variations in the structure of the main polysaccharide component (O antigen) of membrane lipopolysaccharides. In addition, some isolates produce a transient (T) antigen, such as the T1 polysaccharide identified in the 1960s in an isolate of Salmonella enterica Paratyphi B. The structure and biosynthesis of the T1 antigen have remained enigmatic. Here, we use biophysical, biochemical and genetic methods to show that the T1 antigen is a complex linear glycan containing tandem homopolymeric domains of galactofuranose and ribofuranose, linked to lipid A–core, like a typical O antigen. T1 is a phase-variable antigen, regulated by recombinational inversion of the promoter upstream of the T1 genetic locus through a mechanism not observed for other bacterial O antigens. The T1 locus is conserved across many Salmonella isolates, but is mutated or absent in most typhoidal serovars and in serovar Enteritidis. Some Salmonella isolates produce an enigmatic, transient antigen known as T1. Here, Kelly et al. show that T1 is a complex linear glycan linked to lipid A–core, like a typical O antigen, and is expressed in a phase-variable manner regulated by recombinational inversion of a promoter upstream of the T1 genetic locus.
0
Citation1
0
Save
0

Phylogenomics of novel clones of Aeromonas veronii recovered from a freshwater lake reveals unique biosynthetic gene clusters

Opeyemi Lawal et al.May 10, 2024
ABSTRACT Aquatic ecosystems are important reservoirs for clinically relevant pathogens and antimicrobial resistance genes, thus present a significant risk to global health. Here, we assessed the phylogenomics of Aeromonas veronii ( A. veronii ) recovered from Lake Wilcox in Ontario using a combination of morphological, biochemical, and whole-genome sequencing (WGS) techniques. Eleven distinct bacterial colonies were isolated and identified as A. veronii (n=9), and two other Aeromonas species ( A. caviae and A. allosaccharophila ), with significant discrepancies noted between biochemical and WGS identification methods. Of note, 67% (n=6/9) of A. veronii isolates were human pathogens (Pathogenicity score ≥ 0.50). The genomic analysis revealed high genetic diversity among the A. veronii isolates, including the discovery of 41 novel alleles and seven new sequence types (ST) suggesting the lake as a reservoir for multiple human pathogenic clones of this bacterium. The comparison of the newly isolated and sequenced A. veronii with 214 A. veronii genomes revealed significant genetic diversity and suggests potential broad geographical dissemination of strains. Chromosomal genes ( OXA-912 and cphA [ cphA3, cphA4, cphA7 ]) genes encoding resistance to β-lactamases were detected in all isolates. Human and non-human pathogenic strains of A. veronii differed in their virulence gene content, with type III secretion systems being associated with human pathogenic isolates. Mobilome analysis revealed the absence of plasmids in A. veronii isolates and the presence of 13 intact the great majority of which were P22-like (Peduoviridae) phages, and nine different insertion sequence families. Novel biosynthetic gene clusters were identified and characterized, indicating the potential for unique secondary metabolite production in A. veronii with different pathogenic potential. Overall, this study underscores the importance of continuous surveillance of aquatic ecosystems for the presence of pathogens, contributing to our understanding of their evolution, potential for human pathogenicity, and the ecological roles of their genetic elements.
0

TSPDB: A curated resource of tailspike proteins with potential applications in phage research

Opeyemi Lawal et al.May 27, 2024
Abstract Phages are ubiquitous viruses that drive bacterial evolution through infection and replication within host bacteria. Phage tailspike proteins (TSPs) are key components of phage tail structures, exhibiting polysaccharide depolymerase activity and host specificity. Despite their potential as novel antimicrobials, few TSPs have been fully characterized due to laborious detection techniques. To address this, we present TSPDB, a curated resource for rapid detection of TSPs in genomics and metagenomics sequence data. We mined public databases, obtaining 17,211 TSP sequences, which were filtered to exclude duplicates and partial sequences, resulting in 8,099 unique TSP sequences. TSPDB contains TSPs from over 400 bacterial genera, with significant diversity among them as revealed by the phylogenetic analysis. The top 13 genera represented were Gram-positive, with Bacillus, Streptococcus , and Clostridium being the most common. Of note, Phage TSPs in Gram-positive bacteria were on average 1 Kbp larger than those in Gram-negative bacteria. TSPDB has been applied in a recent study to screen phage genomes, demonstrating its potential for functional annotation. TSPDB serves as a comprehensive repository and a resource for researchers in phage biology, particularly in phage associated therapy and antimicrobial or biocontrol applications. TSPDB is compatible with bioinformatics tools for in silico detection of TSPs in genomics and metagenomic data, and is freely accessible on GitHub and Figshare, providing a valuable resource for the scientific community.
0

TSPDB: a curated resource of tailspike proteins with potential applications in phage research

Opeyemi Lawal et al.Nov 27, 2024
Bacteriophages (phages) are viruses that infect and replicate within host bacteria and archaea (Chatterjee and Duerkop, 2018;Dion et al., 2020). Phages are the most abundant entities in the biosphere (Dion et al., 2020) and are distributed across different biomes populated by bacterial and archaeal hosts, including the gastrointestinal tract of humans and animals, and oceanic beds (Chevallereau et al., 2022;Clokie et al., 2011). They play a vital role in the rapid evolution and adaptation of their hosts in various environments (Dion et al., 2020).Phages exhibit high genomic, morphological, and structural diversity, composed of DNA or RNA that can be single-stranded or double-stranded and packaged into a capsid (Dion et al., 2020;Fokine and Rossmann, 2014). The structural form of the capsid was a major feature used in the taxonomic classification of phages until the advent of whole-genome sequencing, which has now become the gold standard for this classification. (Dion et al., 2020;Fokine and Rossmann, 2014;Turner et al., 2023). Phages are broadly classified as tailed or non-tailed, with double-stranded DNA tailed phages constituting about 96% of all known phages (Dion et al., 2020). Phages possess a diverse array of tail structures essential for host recognition, attachment, and penetration, making them important targets in phage therapy research (Fokine and Rossmann, 2014;Gil et al., 2023). Phage infection of its host begins with the recognition of a receptor on the bacterial cell surface for attachment (Dowah and Clokie, 2018;Latka et al., 2017). To penetrate the host cell, phages must overcome various complex barriers on the bacterial cell wall, such as the outer membrane of Gram-negative bacteria and the lipoteichoic acids of Gram-positive bacteria (Chen et al., 2014;Latka et al., 2017). Phages encode virion-associated carbohydrate-degrading enzymes called depolymerases, which are distinct from the endolysins produced by phages during the lysis stage (Knecht et al., 2020;Yan et al., 2014). These depolymerases, encoded by tailspike protein (TSP) genes, recognize, bind, and degrade cell-surface associated polysaccharides, unmasking phage receptors and making them accessible for bacterial infection (Gil et al., 2023;Greenfield et al., 2019;Latka et al., 2017).Tailspike proteins are integral components of phage tail structures, and their activities as polysaccharide depolymerases are related to host specificity and infectivity (Greenfield et al., 2019). A hallmark of TSPs is their host specificity, high thermostability, resistance to protease treatment, and stability in the presence of high concentrations of urea and sodium dodecyl sulfate (Chen et al., 2014). Phage TSPs possess carbohydrate depolymerase activity and recognize capsule, and lipopolysaccharides (LPS) where they cleave components of the LPS to position the phage towards a secondary membrane receptor during infection (Knecht et al., 2020). TSPs have been observed to decrease bacterial viability, leading to antimicrobial applications. For example, Ayariga and colleagues (Ayariga et al., 2021) demonstrated that the ɛ34 phage tailspike protein has enzymatic property as a LPS hydrolase and synergizes with Vero Cell culture supernatant in killing Salmonella Newington. The ɛ34 TSP also showed bactericidal efficacy against different Salmonella serovars in various matrices (Ibrahim et al., 2023). Miletic and colleagues (Miletic et al., 2016) expressed the receptor binding domain of the Phage P22 Gp9 tailspike protein in plant tissue (Nicotiana benthamiana), and demonstrated that, upon oral administration of lyophilized leaves expressing Gp9 TSP to newly hatched chickens, Salmonella concentrations were reduced on average by approximately 0.75 log relative to controls. Others have shown that TSPs can be used to control the growth of plant pathogens. For example, expression of the Erwinia spp. phage TSP DpoEa1h in transgenic apple and pear plants significantly reduced fire blight (Erwinia amylovora) susceptibility, (Malnoy et al., 2005;Roach and Donovan, 2015) likely due to removal of the main virulence factor amylovoran and exposing the E. amylovora cells to host plant defenses (Kim et al., 2004). Finally, phage LKA1 TSP exhibits disruptive activity against biofilms while also reducing virulence in Pseudomonas in an infection model (Olszak et al., 2017). Collectively, these studies demonstrate the utility of TSPs as novel antimicrobials to control the growth of food and plant-borne pathogens in foods.Despite the known antimicrobial applications of TSPs, only a few have been fully characterized to date. This could be partly due to the laborious nature of detection techniques, which include plaque assays followed by examination under a transmission electron microscope (TEM) to identify "bulblike" baseplate structures at the base of phage tails indicative of TSPs (Bhandare et al., 2024;Knecht et al., 2020). The decreasing costs of sequencing and the availability of improved bioinformatics tools have facilitated the construction of large-scale genome and metagenome datasets (Emond-Rheault et al., 2017;Wattam et al., 2014). High-throughput in silico detection of TSP-encoding genes in genomic data would not only provide further details regarding the diversity of TSPs in virulent phages but could also be used to identify TSPs in prophages. In this report, we present a high-level curated resource called TSP database (TSPDB) for the rapid detection of tailspike proteins in multiomics sequence data. This TSPDB will be an indispensable resource for researchers in phage biology, drug discovery, and antimicrobial resistance domains to further contribute to the understanding of the structure and function of these proteins to harness their potential for diverse applications, such as the development of phage therapy for bacterial infections or phage-based biocontrol of foodborne pathogens, and drug discovery (Brives and Pourraz, 2020;Roach and Donovan, 2015).Data Mining and Quality Check: The DDBJ/ENA/GenBank and UniProt databases (Sayers et al., 2022;The UniProt Consortium et al., 2023) were queried for TSPs using search terms commonly associated with tailspike proteins, such as "phage tailspike," "tail spike proteins," "phage endopeptidase," and "phage endorhamnosidase." (Figure 1). Hits were systematically filtered based on annotation criterion to exclude duplicate results. Nucleotide sequences of TSPs were retrieved from public databases using accession numbers obtained from the database query via NCBI Entrez Programming Utilities (E-utilities) (National Center for Biotechnology Information,Dataset Curation: From this exercise, 17,211 sequences were obtained from the queried public databases. Duplicated sequences were removed using thresholds of ≥ 95% sequence coverage and nucleotide similarity with cd-hit (Li and Godzik, 2006) and Seqkit (Shen et al., 2016), resulting in 9,129 unique TSP sequences. To assess the sequence length distribution and perform quality checks on unique TSP sequences, Gaussian distribution analysis was conducted. Sequences shorter than 400 bp, which could represent partial region or incomplete sequences that may lack critical functional domains required for accurate annotation and functional prediction, were excluded from the dataset. By excluding these shorter sequences, we reduce the possibility of including fragments that could introduce noise or inaccuracies into the database. This threshold helps ensure that the TSPDB contains more reliable and complete sequences for functional analysis and annotation. This filtering process resulted in a total of 8,105 unique TSP sequences (Figure 1). TSP sequences with a length of ≤10,000 bp were retained to include those originating from Gram-positive bacteria such as Clostridium and Streptococcus, among others. Overall size range of TSPs retrieved from the public databases is 405 to 9990 bp (Figure 2A). Further analysis of TSP genes in the TSPDB reveals a significant difference (p < 0.001) in the sizes of TSPs between Gram-negative and Gram-positive bacteria. Specifically, the average size of TSPs for Gram-negative bacteria is 2,070 bp, while the average size for Gram-positive bacteria is substantially larger, at 3,255 bp (Figure 2B). The TSPDB contains TSPs from more than 400 bacterial genera. Among these, the top 13 genera represented were Gram-positive bacteria, with TSPs from Bacillus (n=1616) being the most common, followed by Streptococcus (n=1152), Clostridium (n=683), Enterococcus (n=387), and Staphylococcus (n=372). Additionally, TSPs from Gram-negative bacterial genera, Salmonella (n=80), Escherichia (n=58), Klebsiella (n=52), and Pseudomonas (n=25) were among the top 38 TSPs in the database (Figure 2C). To assess the normality of the distribution of TSP frequencies across bacterial genera, we performed a Shapiro-Wilk test. This test yielded a statistic of 0.487 and a p-value < 0.0001, confirming a significant departure from normality. This result supports the observation of a skewed distribution, where Gram positive bacteria host genera (e.g., Bacillus and Streptococcus) exhibit notably high TSP counts compared to others.To assess the diversity of the 8,105 unduplicated TSP sequences and their suitability for database creation, we employed a phylogeny-based approach. The TSP sequences were aligned using MAFFT v7.453 (Katoh, 2002), and a maximum likelihood tree was constructed with FastTree v2.1.11 (Price et al., 2010) using the generalized time reversible mode and 1000 bootstrap replicates for node support. The resulting phylogenetic tree was visualized using the web-based Microreact visualization tool (Argimón et al., 2016) (Figure 2D). The phylogeny revealed the high diversity of TSPs in the TSPDB, further supporting the uniqueness of individual TSPs. TSPs from the same species often belonged to different clusters. For example, TSPs from Bacillus and Listeria were distributed across multiple clusters in the phylogeny. While the majority of TSPs from Salmonella belonged to the same cluster, there were also a few instances of TSPs from this host genus in separate clusters (Figure 2D).The deduplicated TSP nucleotide sequences were utilized to construct the TSP database using makeblastdb (Camacho et al., 2009). This database is compatible for use with ABRicate (https://github.com/tseemann/abricate) and other bioinformatics tools equipped with embedded BLAST algorithms, such as BLAST suites and SRST2 (Inouye et al., 2014), among others.The TSPDB was recently utilized in a study by (Bhandare et al., 2024), where the database was implemented within an ABRicate container. The database index files suitable for use with blast was generated using makeblast_db option in ABRicate. The step-by-step guide on how to incorporate TSPDB into ABRicate for rapid screening of large genomic dataset is detailed on the ABRicate Github page (https://github.com/tseemann/abricate). The presence of TSPs in a collection of phage genomes were determined using stringent parameters (≥ 90% identity and ≥ 70% coverage). TSPDB provides valuable applications across various fields, particularly in phage therapy, biocontrol, and functional genomics and would contribute to advancing the application of TSPs in biocontrol strategies in agriculture and food safety. Overall, the TSPDB contains a vast dataset of diverse TSPs found in phages, and the integration of this database into phage detection tools will enhance the functional annotation of these genes in large genomic and metagenomic datasets. Lastly, the TSPDB described here will undergo regular updates and expansion to include new TSPs as they become available in public databases ensuring that the database remains comprehensive.Limitations: It is acknowledged that mis-annotation of some TSPs as hypothetical proteins or tail fibers in public databases may have resulted in the omission of certain TSP genes in this study.However, the TSPDB will be continually updated to incorporate additional TSP genes.The TSPDB is freely accessible on GitHub at the following link: https://github.com/yemilawal/Tailspike-proteins or by searching for the title "TSPDB: A curated resource of tailspike proteins with potential applications in phage research" on GitHub. Additionally, accession numbers of genes encoding phage tailspike proteins in TSPDB are available on the GitHub page. A backup version is also available for download on Figshare at https://doi.org/10.6084/m9.figshare.25526323. To assess the normality of the distribution of TSP frequencies across bacterial genera, we performed a Shapiro-Wilk test. In this analysis, the Shapiro-Wilk test yielded a statistic of 0.487 and a p-value < 0.0001, confirming a significant departure from normality. This result supports the observation of a skewed distribution, where a small number of genera (e.g., Bacillus and Streptococcus) exhibit notably high TSP counts compared to others.