Біосинтез аутоіндукуторів quorum sensing біоплівковими культурами штамів Pseudomonas aeruginosa з різним рівнем циклічного дигуанозинмонофосфату

Автор(и)

  • Mykola Galkin Одеський національний університет імені І. І. Мечникова вул. Дворянська, 2, м. Одеса, Україна, 65082, Україна https://orcid.org/0000-0002-4957-7148
  • Anastasia Semenets Одеський національний університет імені І. І. Мечникова вул. Дворянська, 2, м. Одеса, Україна, 65082, Україна https://orcid.org/0000-0002-6223-9506
  • Boris Galkin Одеський національний університет імені І. І. Мечникова вул. Дворянська, 2, м. Одеса, Україна, 65082, Україна https://orcid.org/0000-0002-3391-0938
  • Tetiana Filipova Одеський національний університет імені І. І. Мечникова вул. Дворянська, 2, м. Одеса, Україна, 65082, Україна https://orcid.org/0000-0002-7034-3223

DOI:

https://doi.org/10.15587/2519-8025.2020.205217

Ключові слова:

Pseudomonas aeruginosa, quorum sensing, біоплівки, цикло-ди-ГМФ, аутоіндуктори QS

Анотація

Мета роботи – встановити залежність між вмістом цикло-ди-ГМФ і здатністю P. aeruginosa до утворення біоплівки і синтезу аутоіндукторів системи кворуму.

Матеріали та методи дослідження. В роботі були використані штам дикого типу P. aeruginosa PA01 і штами P. aeruginosa з низьким (PAO1pJN2133) та підвищеним (PA01 ΔwspF) рівнями циклічного дигуанозинмонофосфату. Культивування проводили у24-лункових плоскодонних планшетах Nuclon при 37 °C у середовищі LB. Масу біоплівки визначали у СV-тесті. Вимірювання здійснювали на спектрофотометрі SmartSpecPlus (Bio-Rad, Hungary) при довжині хвилі 592 нм. Ацил-гомсеринлактони екстрагували підкисленим етилацетатом та визначали їх кількість методом ГХ/МС. Визначення вмісту цикло-ди-ГМФ проводили з використанням репортерної плазміни Seattle шляхом вимірювання інтенсивності флуоресценції клітин у біоплівках.

Результати дослідження. Встановлено, що штам P. aeruginosa PA01 pJN2133, внутрішньоклітинний вміст цикло-ди-ГМФ якого є у 4 рази меншим ніж у P. aeruginosa, утворює біоплівку, маса якої у 3,5 рази нижча ніж у батьківського штаму. Штам P. aeruginosa PA01 ΔwspF перевищує P. aeruginosa PA01 за цими показниками у 1,5 рази та 33 %, відповідно. Ще більш виражені відмінності виявляються при співставленні між собою мутантних штамів. За рівнем цикло-ди-ГМФ P. aeruginosa PA01 ΔwspF переважає штам PA01 pJN2133 у 5,9 рази, а за масою біоплівки – у п’ять разів. Найбільшу кількість сигнальних молекул системи кворум сенсінг синтезує штам з низьким рівнем вторинного месенджера.

Висновки. Між внутрішньоклітинним вмістом цикло-ди-ГМФ і здатністю до утворення біоплівки існує прямо-пропорційна залежність:чим вище вміст вторинного месенджера, тим більша маса біоплівки. Концентрація аутоіндукторів QS у середовищі зворотнім чином зв’язана з внутрішньоклітинним вмістом цикло-ди-ГМФ: у порівнянні з батьківським штамом підвищена у штаму з низьким вмістом вторинного месенджера і знижена у штаму з його підвищеним рівнем

Біографії авторів

Mykola Galkin, Одеський національний університет імені І. І. Мечникова вул. Дворянська, 2, м. Одеса, Україна, 65082

Кандидат біологічних наук, доцент

Кафедра мікробіології, вірусології та біотехнології

Anastasia Semenets, Одеський національний університет імені І. І. Мечникова вул. Дворянська, 2, м. Одеса, Україна, 65082

Молодший науковий співробітник

Біотехнологічний науково-навчальний центр

Boris Galkin, Одеський національний університет імені І. І. Мечникова вул. Дворянська, 2, м. Одеса, Україна, 65082

Доктор біологічних наук, професор, директор центру

Біотехнологічний науково-навчальний центр

Tetiana Filipova, Одеський національний університет імені І. І. Мечникова вул. Дворянська, 2, м. Одеса, Україна, 65082

Доктор біологічних наук, професор, завідувач кафедри

Кафедра мікробіології, вірусології та біотехнології

Посилання

  1. Bjarnsholt, T., Jensen, P. O., Fiandaca, M. J., Pedersen, J., Hansen, C. R., Andersen, C. B. et. al. (2009). Pseudomonas aeruginosabiofilms in the respiratory tract of cystic fibrosis patients. Pediatric Pulmonology, 44 (6), 547–558. doi: http://doi.org/10.1002/ppul.21011
  2. Gellatly, S. L., Hancock, R. E. W. (2013). Pseudomonas aeruginosa: new insights into pathogenesis and host defenses. Pathogens and Disease, 67 (3), 159–173. doi: http://doi.org/10.1111/2049-632x.12033
  3. Sadikot, R., Bedi, B., Maurice, N. (2018). Microarchitecture of Pseudomonas aeruginosa biofilms: A biological perspective. Biomedical and Biotechnology Research Journal, 2 (4), 227–236. doi: http://doi.org/10.4103/bbrj.bbrj_98_18
  4. Ha, D.-G., O’Toole, G. A. (2015). C-di-GMP and its Effects on Biofilm Formation and Dispersion: a Pseudomonas Aeruginosa Review. Microbial Biofilms, 301–317. doi: http://doi.org/10.1128/9781555817466.ch15
  5. Valentini, M., Filloux, A. (2016). Biofilms and Cyclic di-GMP (c-di-GMP) Signaling: Lessons fromPseudomonas aeruginosaand Other Bacteria. Journal of Biological Chemistry, 291 (24), 12547–12555. doi: http://doi.org/10.1074/jbc.r115.711507
  6. Simm, R., Morr, M., Kader, A., Nimtz, M., Römling, U. (2004). GGDEF and EAL domains inversely regulate cyclic di-GMP levels and transition from sessility to motility. Molecular Microbiology, 53 (4), 1123–1134. doi: http://doi.org/10.1111/j.1365-2958.2004.04206.x
  7. Romling, U., Galperin, M. Y., Gomelsky, M. (2013). Cyclic di-GMP: the First 25 Years of a Universal Bacterial Second Messenger. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 77 (1), 1–52. doi: http://doi.org/10.1128/mmbr.00043-12
  8. Seshasayee, A. S. N., Fraser, G. M., Luscombe, N. M. (2010). Comparative genomics of cyclic-di-GMP signalling in bacteria: post-translational regulation and catalytic activity. Nucleic Acids Research, 38 (18), 5970–5981. doi: http://doi.org/10.1093/nar/gkq382
  9. Hickman, J. W., Tifrea, D. F., Harwood, C. S. (2005). A chemosensory system that regulates biofilm formation through modulation of cyclic diguanylate levels. Proceedings of the National Academy of Sciences, 102 (40), 14422–14427. doi: http://doi.org/10.1073/pnas.0507170102
  10. Lee, J., Zhang, L. (2014). The hierarchy quorum sensing network in Pseudomonas aeruginosa. Protein & Cell, 6 (1), 26–41. doi: http://doi.org/10.1007/s13238-014-0100-x
  11. Bjarnsholt, T., Tolker-Nielsen, T., Hoiby, N., Givskov, M. (2010). Interference of Pseudomonas aeruginosa signalling and biofilm formation for infection control. Expert Reviews in Molecular Medicine, 12. doi: http://doi.org/10.1017/s1462399410001420
  12. Pearson, J. P., Gray, K. M., Passador, L., Tucker, K. D., Eberhard, A., Iglewski, B. H., Greenberg, E. P. (1994). Structure of the autoinducer required for expression of Pseudomonas aeruginosa virulence genes. Proceedings of the National Academy of Sciences, 91 (1), 197–201. doi: http://doi.org/10.1073/pnas.91.1.197
  13. Pesci, E. C., Milbank, J. B. J., Pearson, J. P., McKnight, S., Kende, A. S., Greenberg, E. P., Iglewski, B. H. (1999). Quinolone signaling in the cell-to-cell communication system of Pseudomonas aeruginosa. Proceedings of the National Academy of Sciences, 96 (20), 11229–11234. doi: http://doi.org/10.1073/pnas.96.20.11229
  14. Yang, L., Nilsson, M., Gjermansen, M., Givskov, M., Tolker-Nielsen, T. (2009). Pyoverdine and PQS mediated subpopulation interactions involved in Pseudomonas aeruginosa biofilm formation. Molecular Microbiology, 74 (6), 1380–1392. doi: http://doi.org/10.1111/j.1365-2958.2009.06934.x
  15. Barken, K. B., Pamp, S. J., Yang, L., Gjermansen, M., Bertrand, J. J., Klausen, M. et. al. (2008). Roles of type IV pili, flagellum-mediated motility and extracellular DNA in the formation of mature multicellular structures in Pseudomonas aeruginosa biofilms. Environmental Microbiology, 10 (9), 2331–2343. doi: http://doi.org/10.1111/j.1462-2920.2008.01658.x
  16. Christensen, G. D., Simpson, W. A., Younger, J. J., Baddour, L. M., Barrett, F. F., Melton, D. M., Beachey, E. H. (1985). Adherence of coagulase-negative staphylococci to plastic tissue culture plates: a quantitative model for the adherence of staphylococci to medical devices. Journal of Clinical Microbiology, 22 (6), 996–1006. doi: http://doi.org/10.1128/jcm.22.6.996-1006.1985
  17. Cataldi, T. R. I., Bianco, G., Frommberger, M., Schmitt-Kopplin, P. (2004). Direct analysis of selectedN-acyl-L-homoserine lactones by gas chromatography/mass spectrometry. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 18 (12), 1341–1344. doi: http://doi.org/10.1002/rcm.1480
  18. Palmer, G. C., Schertzer, J. W., Mashburn-Warren, L., Whiteley, M. (2010). Quantifying Pseudomonas aeruginosa Quinolones and Examining Their Interactions with Lipids. Quorum Sensing, 207–217. doi: http://doi.org/10.1007/978-1-60761-971-0_15
  19. Rybtke, M. T., Borlee, B. R., Murakami, K., Irie, Y., Hentzer, M., Nielsen, T. E. et. al. (2012). Fluorescence-Based Reporter for Gauging Cyclic Di-GMP Levels in Pseudomonas aeruginosa. Applied and Environmental Microbiology, 78 (15), 5060–5069. doi: http://doi.org/10.1128/aem.00414-12
  20. Lapach, S. N., Chubenko, A. V., Babych, P. N. (2001). Statystycheskye metodы v medyko-byolohycheskykh yssledovanyiakh s yspolzovanyem Excel. Kyiv: Moryon, 260.
  21. Halkin, M. B., Semenets, A. S., Finohenova, M. O., Halkin, B. M., Filipova, T. O. (2017). Biofilm formation and motility of bacteria Pseudomonas aeruginosa with different c-di- GMP level. Microbiology&Biotechnology, 2 (38), 40–50. doi: http://doi.org/10.18524/2307-4663.2017.2(38).105020
  22. Lin Chua, S., Liu, Y., Li, Y., Jun Ting, H., Kohli, G. S., Cai, Z. et. al. (2017). Reduced Intracellular c-di-GMP Content Increases Expression of Quorum Sensing-Regulated Genes in Pseudomonas aeruginosa. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 7. doi: http://doi.org/10.3389/fcimb.2017.00451
  23. Turkina, M. V., Vikström, E. (2018). Bacteria-Host Crosstalk: Sensing of the Quorum in the Context of Pseudomonas aeruginosa Infections. Journal of Innate Immunity, 11 (3), 263–279. doi: http://doi.org/10.1159/000494069
  24. Singh, S., Singh, S. K., Chowdhury, I., Singh, R. (2017). Understanding the Mechanism of Bacterial Biofilms Resistance to Antimicrobial Agents. The Open Microbiology Journal, 11 (1), 53–62. doi: http://doi.org/10.2174/1874285801711010053
  25. Schuster, M., Peter Greenberg, E. (2006). A network of networks: Quorum-sensing gene regulation in Pseudomonas aeruginosa. International Journal of Medical Microbiology, 296 (2-3), 73–81. doi: http://doi.org/10.1016/j.ijmm.2006.01.036
  26. Papenfort, K., Bassler, B. L. (2016). Quorum sensing signal–response systems in Gram-negative bacteria. Nature Reviews Microbiology, 14 (9), 576–588. doi: http://doi.org/10.1038/nrmicro.2016.89
  27. Galkin, M. B., Mukhlis Abedalabas, I., Pachomova, E. Yu., Filipova, T. O. (2014). The effect of Pseudomonas aeruginosa signal quinolone on the rhamnolipids biosynthesis and rhamnosyltransferase 2 activity. European Scientific Journal, 3, 223–228.

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-04-30

Як цитувати

Galkin, M., Semenets, A., Galkin, B., & Filipova, T. (2020). Біосинтез аутоіндукуторів quorum sensing біоплівковими культурами штамів Pseudomonas aeruginosa з різним рівнем циклічного дигуанозинмонофосфату. ScienceRise: Biological Science, (2 (23), 23–28. https://doi.org/10.15587/2519-8025.2020.205217

Номер

№ 2 (23) (2020)

Розділ

Біологічні науки

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Mykola Galkin, Anastasia Semenets, Boris Galkin, Tetiana Filipova

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Наше видання використовує положення про авторські права Creative Commons CC BY для журналів відкритого доступу. 

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.

2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.