Прикладная биохимия и микробиология, 2020, T. 56, № 6, стр. 612-618
Влияние электропорации на чувствительность к антибиотикам и адгезию к н-гексадекану клеток Rhodococcus ruber ИЭГМ 231
М. С. Куюкина 1, 2, *, А. М. Варушкина 1, 2, И. Б. Ившина 1, 2
1 Институт экологии и генетики микроорганизмов, Пермский федеральный исследовательский центр УрО РАН
614081 Пермь, Россия
2 Пермский государственный национальный исследовательский университет
614990 Пермь, Россия
* E-mail: kuyukina@iegm.ru
Поступила в редакцию 30.04.2020
После доработки 12.06.2020
Принята к публикации 02.07.2020
Аннотация
Изучено влияние электропорации на жизнеспособность, чувствительность к антибиотикам и адгезивную активность по отношению к н-гексадекану клеток Rhodococcus ruber ИЭГМ 231. Установлено, что после электропорации при напряжении 9 и 12.5 кВ/см жизнеспособность родококков снижалась на 85–96%, а их чувствительность к бензилпенициллину, гентамицину, клотримазолу, неомицину и цефазолину повышалась на 8–46%. При этом динамика повышения чувствительности зависела от природы антибиотика и времени восстановления клеток после электропорации. Наиболее высокая антибиотикочувствительность, коррелирующая с повышением степени адгезии к углеводороду, была зарегистрирована для электропорированных клеток после 24-часового периода восстановления, соответствующего переходу культуры в стационарную фазу роста. Отмечено появление спонтанных мутантов R. ruber ИЭГМ 231, устойчивых к воздействию 200 мкг/мл канамицина и характеризующихся пониженной гидрофобностью клеточной стенки. Полученные результаты могут быть использованы при подборе оптимального режима электротрансформации родококков, в частности, повышения выживаемости клеток и сокращения периода их восстановления после электропорации, а также снижения концентрации антибиотика в селективной среде для эффективного отбора рекомбинантных клонов.
Электропорация − создание пор в клеточной мембране под воздействием кратковременного электрического импульса высокого напряжения, широко используется в медицине и является удобным инструментов в решении таких биотехнологических задач, как генетическая трансформация клеток, экстракция биомолекул, инактивация микроорганизмов в сточных водах, нетермическая пастеризация продуктов питания и др. [1]. Диполи воды проникают в липидный бислой мембраны под влиянием короткого импульса продолжительностью от 10 мкс до 10 мс и мощностью от 1 до 20 кВ/см и вызывают переориентацию фосфолипидов, формируя поры для транспорта макромолекул как внутрь, так и наружу клетки [2]. Электрический импульс высокого напряжения оказывает действие также на клеточную стенку бактерий, в которой под его воздействием формируются многочисленные перфорации пептидогликанового слоя, облегчающие транспорт молекул [3].
Была доказана связь между действием электрического тока на бактериальные клетки и повышением их чувствительности к антибиотикам, биоцидам и растворителям, которая получила название “биоэлектрический эффект” [4]. Биоэлектрический эффект исследован при воздействии постоянного слабого электрического тока, однако практически не изучено влияние тока высокого напряжения на эффективность антибиотических препаратов [5, 6].
Трансформация бактерий с использованием электропорации (или электротрансформация) относится к распространенному методу доставки генетического материала внутрь клеток. При этом в качестве селективных маркеров для отбора трансформированных клеток часто используют генные кассеты антибиотикорезистентности [7]. Однако многие исследователи сталкиваются с проблемой восстановления трансформантов после электропорации, так как высокое напряжение оказывает комплексное стрессорное воздействие на бактериальные клетки. Было отмечено, что жизнеспособность клеток падает после электропорации [3], в связи с этим для повышения эффективности трансформации предложено увеличить время восстановления бактерий в питательном бульоне или на агаре [8]. Оказалось также, что для отбора рекомбинантных клонов довольно трудно подобрать оптимальную концентрацию антибиотика в селективной среде, поскольку его низкая концентрация приводит к появлению “ложноположительных” колоний, а слишком высокая – вызывает гибель трансформированных клеток.
Углеводородокисляющие актинобактерии рода Rhodococcus метаболизируют сложные органические субстраты, обладают уникальными ферментными комплексами и устойчивостью к экстремальным условиям среды, что обуславливает не только их биотехнологический потенциал в качестве нефтедеструкторов и продуцентов биосурфактантов, но и интерес к созданию генетически модифицированных штаммов родококков [8–11]. При этом родококки относят к традиционно трудной для электротрансформации группе бактерий вследствие их мощной гидрофобной клеточной стенки и сложного морфогенетического цикла развития [8, 9, 11]. Важным этапом нефтедеструкции является адгезия к углеводородным субстратам [12], что подразумевает изучение адгезивной активности родококков при воздействии различных физических факторов, в том числе электропорации.
Цель работы – изучение влияния электропорации на жизнеспособность, антибиотикочувствительность и адгезивную активность родококков по отношению к углеводородному субстрату.
МЕТОДИКА
Объект исследования и условия культивирования. В работе использовали культуру актинобактерии Rhodococcus ruber ИЭГМ 231, поддерживаемую в Региональной профилированной коллекции алканотрофных микроорганизмов ИЭГМ УрО РАН (WFCC #768; www.iegmcol.ru). Клетки выращивали на питательном агаре при 28°С.
Приготовление электрокомпетентных клеток и условия электропорации. В колбах Эрленмейера к 200 мл бульона Луриа-Бертани (LB), содержащего 2% глицина, вносили 10 мл стационарной культуры. Культуру предварительно выращивали на качалке (160 об./мин) при 28°C до достижения поздней экспоненциальной фазы (ОП550 не более 0.9), охлаждали на льду в течение 20 мин, клетки осаждали центрифугированием при 3000 g в течение 20 мин при 4°С. Клеточный осадок дважды промывали деионизированной водой при 4°С и ресуспендировали в 15%-ном глицерине [8]. Суспензию электрокомпетентных клеток (100 мкл) электропорировали в кюветах (0.2 см) при 2.5 кВ (12.5 кВ/см) или 1.8 кВ (9 кВ/см) с использованием электропоратора Pulser Transformation Apparatus (“Bio-Rad”, США). Затем к клеткам добавляли 0.9 мл LB и высевали на агаризованную среду LB незамедлительно или после 2, 4 и 24 ч инкубации при 28°С.
Определение жизнеспособности клеток. Для определения жизнеспособности клеток использовали набор LIVE/DEAD® BacLightTM (Bacterial Viability Kit, “Invitrogen”, США). Каплю бактериальной суспензии (10 мкл) помещали на покровное стекло (24 × 50 × 0.15 мм), смешивали с эквивалентным объемом красителя и подсушивали на воздухе в темноте в течение 10 мин. Затем клетки промывали деионизированной водой и сканировали с помощью конфокального лазерного сканирующего микроскопа (КЛСМ) Olympus FV1000 (“Olympus Corporation”, Япония) с использованием иммерсионного объектива Plan Apo VC (увеличение 100x, числовая апертура 1.4). Для возбуждения флуоресценции красителей SYTO 9 и пропидиум йодида применяли аргоновый лазер (λ = 488 нм) с 505–525 нм барьерным фильтром и гелий-неоновый лазер (λ = 543 нм) с 560–660 нм барьерным фильтром соответственно. Анализ полученных изображений проводили с помощью программы FV10 ASW 3.1 (“Olympus Corporation”, Япония).
Определение антибиотикочувствительности родококков. Чувствительность клеток к антибиотикам определяли дискодиффузионным методом с использованием индикаторных дисков, пропитанных антибиотическими препаратами следующих групп: аминогликозидов (неомицин, гентамицин и канамицин), бета-лактамных антибиотиков из группы цефалоспоринов (цефазолин) и пенициллинов (бензилпенициллин), а также производного имидазола широкого спектра действия (клотримазол) (“НИЦФ”, Россия). Результаты учитывали на 3 сут, измеряя диаметр (в мм) зоны отсутствия бактериального роста вокруг соответствующего диска. Изменение чувствительности клеток выражали в процентах по отношению к контролю. Дополнительно определяли чувствительность родококков к канамицину (10–100 мкг/мл) методом серийных разведений в агаре. Эксперименты проводили в пятикратной повторности.
Определение адгезии клеток к н-гексадекану. Адгезивную активность родококков определяли по отношению к н-гексадекану (массовая доля основного вещества 98%, “Вектон”, Россия) с помощью MATH-теста (Microbial Adhesion to Hydrocarbons – микробная адгезия к углеводородам) по модифицированной методике [12]. Эксперименты проводили в десятикратной повторности.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Влияние электропорации на жизнеспособность родококков. Как видно на рис. 1, электропорация при напряжении 9.0 и 12.5 кВ/см вызывала снижение степени жизнеспособности бактериальных клеток на 85 и 96% соответственно (p < 0.05), что согласовывалось с данными работ [3, 7]. Так, электропорация при более низком напряжении (7.5 кВ/см) снижала жизнеспособность представителей Lactobacillus и Bifidobacterium на 5–17% [3]. В работе гибель клеток объяснялась потерей клеточного содержимого при формировании пор и перекисным окислением липидов мембраны.
Влияние электропорации на антибиотикочувствительность родококков. Как видно на рис. 2, изменение антибиотикочувствительности электропорированных и контрольных клеток R. ruber зависело от природы антибиотика и времени последующего восстановления после электропорации. Так, диаметры зоны отсутствия роста электропорированных клеток под действием бензилпенициллина и цефазолина на 1–6 мм превышали контрольные значения в течение всего периода восстановления, при этом характеризуясь сходной динамикой. Чувствительность электропорированных и контрольных клеток к неомицину и клотримазолу изменялась аналогичным образом в первые 4 ч, но становилась различной – к 24 ч культивирования. В то же время по отношению к гентамицину и канамицину наблюдались противоположные изменения чувствительности клеток на протяжении всего периода наблюдения. После 24 ч культивирования антибиотикочувствительность контрольных клеток, как правило, снижалась, а электропорированных – повышалась. При этом если через 0–4 ч после электропорации значения диаметра стерильных зон под действием большинства исследованных антибиотиков превышали контрольные значения лишь на 1–5 мм, то после 24 ч – уже на 4–9 мм. Особенно большие различия через 24 ч опытных и контрольных значений отмечены по отношению к неомицину (19.2 и 28.0 мм соответственно), гентамицину (29.9 и 36.9 мм) и клотримазолу (14.1 и 18.1 мм). Среди исследуемых антибиотиков наблюдали понижение чувствительности через 4 и 24 ч после электропорации лишь по отношению к канамицину как у контрольных, так и опытных клеток.
Сравнительный анализ изменения антибиотикочувствительности родококков под действием электропорации показал (табл. 1), что чувствительность клеток ко всем антибиотикам за исключением канамицина повышалась в среднем на 16%, причем этот эффект был наиболее выражен у культур после 24-часового периода восстановления и составлял 27% (ANOVA, p = 0.047). Это указывало на формирование электропорированными клетками R. ruber ИЭГМ 231 значительно более чувствительной к антибиотикам культуры стационарной фазы роста, характеризующейся распадом ветвящегося первичного мицелия на укороченные палочковидные и кокковидные формы (рис. 1). В то же время контрольные клетки в данной фазе роста характеризовались постоянной или несколько пониженной антибиотикочувствительностью (за исключением бензилпенициллина, рис. 2). В работе [11] было показано резкое снижение эффективности электротрансформации клеток родококков в стационарной фазе роста и последующего восстановления трансформантов на среде с ампициллином и тиострептоном по сравнению с экспоненциально растущими клетками.
Таблица 1.
Антибиотик | Время восстановления после электропорации, ч | ||||
---|---|---|---|---|---|
0 | 2 | 4 | 24 | Среднее значение | |
Бензилпенициллин | 12.03 | 3.83 | 20.42 | 16.37 | 13.16 |
Цефазолин | 25.84 | 29.66 | 28.86 | 21.61 | 26.49 |
Клотримазол | –0.94 | –3.75 | 7.43 | 28.30 | 7.76 |
Неомицин | 6.87 | 11.91 | 16.73 | 46.18 | 20.42 |
Гентамицин | –1.00 | 16.61 | 3.55 | 23.66 | 10.71 |
Канамицин | –11.76 | 16.07 | –3.01 | –9.02 | –1.93 |
В целом, наиболее выраженное повышение чувствительности клеток R. ruber ИЭГМ 231 после электропорации наблюдалось к антибиотикам бета-лактамного ряда (цефазолину и бензилпенициллину) и неомицину (табл. 1). Наименьший эффект электропорация оказывала на чувствительность родококков к канамицину, при этом появление спонтанно устойчивых к канамицину колоний наблюдалось, как в случае электропорированных, так и контрольных клеток. Поскольку при отборе трансформированных клеток ген резистентности к канамицину часто используется в качестве маркерного [8], обнаруженное повышение устойчивости родококков к данному антибиотику, спонтанное или обусловленное электропорацией, может значительно снижать эффективность их электротрансформации из-за большого числа “ложноположительных” колоний.
Определение чувствительности родококков к различным концентрациям (10–100 мкг/мл) канамицина выявило 60%-ное повышение жизнеспособности электропорированных клеток R. ruber ИЭГМ 231 при использовании 10 мкг/мл канамицина и снижение на 38–44% относительно контроля в присутствии более высоких (20 и 40 мкг/мл) концентраций антибиотика (рис. 3). В работе [13] показано, что под воздействием постоянного электрического тока низкого напряжения (0.8 В/см) жизнеспособность почвенных актинобактерий также снижалась на 40% при добавлении в среду субингибиторных (5 мкг/мл) концентраций тетрациклина, хлортетрациклина, и окситетрациклина. Как видно на рис. 3, жизнеспособность электропорированных и контрольных клеток снижалась практически одинаково в присутствии 30, 50 и 100 мкг/мл канамицина, что согласовывалось с данными, полученными дискодиффузионным методом. Таким образом, для отбора трансформантов R. ruber с маркером резистентности к канамицину целесообразно использование повышенной (50–100 мкг/мл) концентрации антибиотика в селективной среде.
Влияние электропорации на адгезию родококков к н-гексадекану. Проблема формирования биопленок микроорганизмами в экстремальных условиях существования стимулировала изучение воздействия физических факторов на адгезивные свойства клеток. Было показано [14], что воздействие слабого постоянного тока (20–40 мА) способствовало повышению гидрофобности клеточной поверхности и отрицательного заряда смешанной культуры почвенных бактерий-деструкторов фенола, влияя на эффективность их адгезии к различным субстратам. Изменение поверхностных свойств бактерий происходило преимущественно после 3–5 ч воздействия током, при этом более высокая сила тока оказывала более выраженный эффект на клеточную адгезию к н-октану.
По полученным данным адгезивная активность клеток R. ruber ИЭГМ 231 по отношению к н-гексадекану не изменялась через 4 ч после электропорации, однако уровень адгезии клеток к гидрофобному субстрату возрастал от 95.6 до 98% (p < 0.05) после 24-часового периода восстановления (рис. 4). Можно предположить, что электропорация приводила к повышению степени гидрофобности клеточной поверхности и, как следствие, увеличению адгезии к н-гексадекану, но при этом требовалось время для изменения липидного состава и электростатических свойств клеток [12]. Обнаруженное повышение в результате электропорации адгезивной активности родококков к углеводородному субстрату необходимо учитывать при изучении экспрессии генов адгезии к жидким углеводородам у бактерий-нефтедеструкторов с использованием полученных ранее Tn5-мутантных клонов R. ruber ИЭГМ 231 [12].
Сделана попытка выявления связи между повышением чувствительности родококков к антибиотикам и их адгезивной активностью к гидрофобному субстрату после электропорации. В результате не было обнаружено статистически значимой корреляции (R = 0.03, p < 0.05) между гидрофобностью антибиотиков, измеряемой как коэффициент распределения в системе октанол–вода (logPo/w) [15, 16], и повышением чувствительности к ним электропорированных клеток родококков (табл. 2). Тем не менее, отмечено, что чувствительность родококков к наиболее гидрофобным антибиотикам – бензилпенициллину и клортримазолу, в первые 2 ч после электропорации практически не отличалась от контрольных показателей и лишь через 4 ч начинала постепенно возрастать (рис. 2). Это согласовывалось с результатами MATH-теста: степень адгезии клеток к гидрофобному субстрату увеличилась через 24 ч после электропорации, что, по-видимому, облегчало транспорт гидрофобных антибиотиков внутрь клеток вследствие повышения гидрофобности клеточной стенки. В то же время чувствительность клеток к действию наиболее гидрофильных антибиотиков из группы аминогликозидов (неомицина, канамицина и гентамицина) возрастала уже в первые часы после электропорации, а через 24 ч были выявлены разнонаправленные эффекты: повышение чувствительности к неомицину и гентамицину и снижение – к канамицину (рис. 2). Следует отметить, что спонтанные мутанты R. ruber ИЭГМ 231, устойчивые к воздействию 200 мкг/мл канамицина, обладали пониженной адгезией к н-гексадекану по сравнению с контролем (p < 0.05) (рис. 4), что свидетельствовало о специфическом механизме резистентности к данному антибиотику, не связанном с изменением гидрофобности клеточной стенки. Согласно [17], степень гидрофобности клеток Staphylococcus aureus, S. saprophyticus и Pseudomonas aeruginosa снижалась на 23–47% в присутствии субингибиторной и повышенной концентрации цефуроксима, цефотаксима и амикацина. Однако результаты других работ [18–21] сильно различались, и зависели от вида бактерий и антибиотика. Например, в работе [21] установлено, что степень гидрофобности клеток Streptococcus sobrinus под воздействием субингибиторных концентраций канамицина, гентамицина, стрептомицина, хлорамфеникола, ванкомицина и новобиоцина повышалась на 6–75%, но в присутствии таких же количеств эритромицина, линкомицина, клоксациллина, оксациллина и рифампинома – снижалась на 18–74%. Полученные данные объяснялись влиянием антибиотиков на активность глюкансвязывающих лектинов, увеличение которой приводило к пропорциональному снижению степени гидрофобности клеток, однако механизм этого процесса остался не выясненным.
Таблица 2.
Антибиотик | Mr, г/моль | log Po/w | Изменение антибиотико- чувствительности клеток после электропорации, % |
---|---|---|---|
Бензилпенициллин | 334.39 | 1.8 | 13.16 |
Гентамицин | 477.60 | –3.1 | 10.71 |
Канамицин | 484.50 | –6.3 | –1.93 |
Клотримазол | 344.84 | 0.5 | 7.76 |
Неомицин | 614.64 | –7.8 | 20.42 |
Цефазолин | 454.51 | –0.6 | 26.49 |
Полученные в настоящей работе данные свидетельствовали о том, что связь между молекулярной массой антибиотиков и повышением чувствительности к ним родококков после электропорации слабая или совсем отсутствует (R = –0.03, p < 0.05). Например, увеличение чувствительности к неомицину, в молекуле которого содержится три остатка аминосахаров, было в 2 раза выше, чем к содержащему всего два остатка гентамицину (табл. 2). Это согласовывалось с результатами исследования [22] планктонных и иммобилизованных форм коагулазонегативных стафилококков, в котором было показано, что размеры молекул цефазолина, ванкомицина, диклоксациллина, тетрациклина и рифампицина не оказывали видимого эффекта на чувствительность к ним бактериальных клеток.
Таким образом, выявленное в настоящей работе повышение антибиотикочувствительности клеток R. ruber ИЭГМ 231 в результате электропорации, коррелирующее с увеличением степени их адгезии к н-гексадекану, требует дальнейшего изучения. Полученные результаты могут быть использованы при подборе оптимального режима электротрансформации родококков, в частности, уменьшения напряженности электрического поля для повышения выживаемости клеток, а также сокращения периода их восстановления после электротрансформации и снижения концентрации антибиотика в селективной среде для эффективного отбора рекомбинантных клонов. При этом целесообразно избегать перехода культуры электропорированных клеток R. ruber в стационарную фазу роста, при которой значительно возрастает их антибиотикочувствительность.
Работа выполнена в рамках госзаданий AAAAA19-119112290010-7 (ИЭГМ УрО РАН) и АААА-А20-120070600010-9 (ПГНИУ) и при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 18-29-05006).
Список литературы
Kotnik T., Frey W., Sack M., Meglič S. H., Peterka M., Miklavčič D. // Trends Biotechnol. 2015. V. 33. № 8. P. 480–488.
Kotnik T., Rems L., Tarek M., Miklavčič D. // Ann. Rev. Biophys. 2019. V. 48. № 1. P. 63–91.
Yeo S.K., Liong M.T. // J. Sci. Food Agric. 2013. V. 93. № 2. P. 396–409.
Blenkinsopp S.A., Khoury A.E., Costerton J.W. // Appl. Environ. Microbiol. 1992. V. 58. № 11. P. 3770–3773.
Matl F.D., Obermeier A., Zlotnyk J., Friess W., Stemberger A., Burgkart R. // Bioelectromagnetics. 2011. V. 32. № 5. P. 367–377.
Martens S.L., Klein S., Barnes R.A., TrejoSanchez P., Roth C.C., Ibey B.L. //AMB Express. 2020. V. 10. № 1. P. 1–11.
Provenzano D., Trevino V., Ermolinsky B. Handbook of Electroporation / Ed. D. Miclavcic. Berlin, Heidelberg: Springer, 2019. P. 1–22.
Fernandes P.J., Powell J.A.C., Archer J.A.C. // Microbiol. 2001. V. 147. № 9. P. 2529–2536.
Ivshina I.B., Kuyukina M.S., Krivoruchko A.V. Microbial Resources: From Functional Existence in Nature to Industrial Applications. / Ed. I. Kurtböke. Amsterdam: Elsevier, 2017. P. 121–148.
Kuyukina M.S., Ivshina I.B. Production of Trehalolipid Biosurfactants by Rhodococcus. Biology of Rhodococcus, 2nd edition. / Ed. H. Alvarez. Springer Nature, 2019. P. 271–298.
Shao Z., Dick W.A., Behki R.M. // Lett. Appl. Microbiol. 1995. V. 21. № 4. P. 261–266.
Рубцова Е.В., Куюкина М.С., Ившина И.Б. // Прикл. биохимия и микробиология. 2012. Т. 48. № 5. С. 501–509.
Li H., Li B., Zhang Z., Zhu C., Tian Y., Ye J. //Ecotoxicol. Env. Safety. 2018. V. 148. № 2. P. 842–850.
Luo Q., Wang H., Zhang X., Qian Y. //Appl. Environ. Microbiol. 2005. V. 71. № 1. P. 423–427.
Organic Pollutants in the Water Cycle: Properties, Occurrence, Analysis and Environmental Relevance of Polar Compounds. / Ed. T. Reemtsma, M. Jekel. Weinheim: John Wiley & Sons, 2006. 350 p.
Пшенкина Н.Н., Софронов Г.А. //Общая реаниматология. 2011. Т. 7. № 3. С. 14–18.
Kustos T., Kustos I., Kilár F., Rappai G., Kocsis B. // Chemother. 2003. V. 49. № 5. P. 237–242.
Savoia D., Malcangi A., Martinetto P. // J. Chemother. 1990. V. 2. № 1. P. 20–25.
Wojnicz D., Jankowski S. // Int. J. Antimicrob. Agents. 2007. V. 29. № 6. P. 700–704.
Furneri P.M., Garozzo A., Musumarra M.P., Scuderi A.C., Russo A., Bonfiglio G. // Int. J. Antimicrob. Agents. 2003. V. 22. № 2. P. 164–167.
Wu Q., Wang Q., Taylor K.G., Doyle R.J. // J. Bacteriol. 1995. V. 177. № 5. P. 1399–1401.
Cerca N., Martins S., Cerca F., Jefferson K.K., Pier G.B., Oliveira R., Azeredo J. // J. Antimicrob. Chemother. 2005. V. 56. № 2. P. 331–336.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Прикладная биохимия и микробиология