A bacterial extracellular DNA inhibits settling of motile progeny 

cells within a biofilm

Cecile Berne, David T. Kysela and Yves V. BrunMolecular Microbiology (2010) 77(4), 815‐829

Speaker: Fang‐Yi ChuAdvisor: Ching‐Tsan Huang, Ph.D.

1

Biofilm• An aggregate of microorganisms• Attachment on a surface

2

Impact of biofilm

3

Biofilm resistance

4

Resistance gene 

Biofilm formation• Biofilms : extracellular matrix (great resistance)• Detachment• Dispersal: deterioration of habitat

‐ planktonic phase

5

Extracellular DNA• eDNA stabilized biofilm

6

Tetz et al, DNA AND CELL BIOLOGY (2010)

Listeria monocytogenes

Harmwen et al, APPLIED  AND  ENVIRONMENTAL  MICROBIOLOGY, (2010)

Caulobacter crescentus• An innocuous oligotrophic ‐proteobacterium• colonizes streams, rivers, and water pipes • strongest adhesion force of any known natural material

‐‐PNAS (2006) 103: 5764‐5768 • biodegradable surgical adhesive

7

Swarmer cell

Stalked cell

holdfast

Motile swarmer cell and stalked cell

8

Electron micrograph of Caulobacter crescentus

Rationale

• The role of eDNA within C. cresentus biofilm• The balance between biofilm and dispersal

9

In this paper….

10

Structure

11

How does the eDNA work?

Where does the eDNA come from?

What role does eDNA play in C.crescentus?

DNase I recovered the inhibition of biofilm formation.

12→eDNA inhibited biofilm formation.

The eDNA in the spent medium

13

M eDNA M

Lower molecular weight DNA fragments inhibited biofilmformation.

∆   digested genomic DNAО eDNA

spend medium

Addition of digested gDNAhad the same inhibition as spend medium.

500 bp

Structure

14

How does the eDNA work?

Where does the eDNA come from?

What role does eDNA play in C.crescentus?

Correlation between cell death, eDNArelease and biofilm inhibition

15

eDNA was released during cell death.

Structure

16

How does the eDNA work?

Where does the eDNA come from?

What role does eDNA play in C.crescentus?

The inhibition in pili and flagellum mutant

17

70% decreaseBlank: no gDNA/eDNABlack: digested gDNA (wt)Stripe: digested gDNA (∆pulA)Dot: digested gDNA (∆flgE)

The biofilm inhibition was not due to interaction between eDNAand pili or eDNA and flagellum.

Later attachment with eDNA

18

w/ eDNA

w/o eDNA

Holdfast‐deficient

eDNA prevented the attachment of swimming cells by holdfast.

19

Colocalization of eDNA and holdfast

eDNA inhibited biofilm formation by binding to holdfast.

Summary

20

Discussion (I)

21Whitchurch et al, Science (2002)

Pseudomonas aeruginosa Staphylococcus epidermidis

Qin, et al, Microbiology  (2007)

The addition of DNase I inhibited biofilm formation and dissolved established biofilm. 

Previous studies: eDNA stabilized biofilm formation

The addition of Dnase I

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Biofilm formation within DNase I (red)

Effect of DNase I (red) on established biofilms.

Dnase I did not inhibit biofilm formation and dissolve established biofilms. Therefore, eDNA did not stabilize biofilm of C. crescentus. 

Discussion (II)

23

Harmwen et al, APPLIED  AND  ENVIRONMENTAL  MICROBIOLOGY, (2010)

Grande et al, Applied Microbiology (2010)

eDNA stabilized biofilm in previous studies: 20~30KbeDNA inhibited biofilm formation in this paper: 500bp

M eDNA M

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high‐molecular‐weight  DNA (20~30Kb): stabilitylow‐molecular‐weight DNA (500bp): inhibition

Listeria monocytogenes.

Dnase I

Digested gDNA

gDNA by PCR

The size of eDNA is probably a key factor of decision between stability and inhibition.

Harmwen et al, APPLIED  AND  ENVIRONMENTAL  MICROBIOLOGY, (2010)

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eDNA

Caulobacter crescentus

M eDNA M

Thanks for your attention!

Special thanks for Professor Ching‐TsanHuang

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