Длительное выживание Enterococcus faecium в разных условиях стабилизации и иммобилизации клеток

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Молочнокислые бактерии (МКБ) играют важную роль в биотехнологиях и биомедицине. Их важнейшим недостатком является быстрое отмирание культур и препаратов при хранении. Изучение способов повышения длительности выживания молочнокислых бактерий в различных условиях является актуальной научно-прикладной задачей и составило цель настоящей работы. Объектом была молочнокислая бактерия Enterococcus faecium. Было показано, что в стареющих планктонных культурах бактерии быстро теряют жизнеспособность (численность жизнеспособных клеток за 1 мес. снижается на 2‒4 порядка). Цикл развития популяции E. faecium в этих условиях завершается образованием цистоподобных покоящихся клеток двух типов: L-форм и гипометаболических клеток. Применение химических стабилизаторов, гуминовых веществ (типичных компонентов почв), повышает численность выживающих клеток в 2‒3 раза. При поверхностной иммобилизации (адсорбции) на органо-силанольных или неорганических носителях (органосилан, кремнезем) численность выживающих в условиях голодания клеток повышается в 1.25‒3 раза. Наиболее эффективным подходом была иммобилизация клеток в силанольно-гуматные гели (повышение численности выживающих клеток до 35 раз относительно контроля). Полученные данные раскрывают механизмы и формы выживания МКБ в природных условиях (состояние гипометаболизма, наличие специализированных форм покоя), а также могут быть использованы для разработки способов длительного хранения МКБ в их биопрепаратах.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

О. А. Галуза

ФИЦ Биотехнологии РАН; Bavar+ JSC

Автор, ответственный за переписку.
Email: olesya_galuza@mail.ru

Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского

Россия, 119071, Москва; 127206, Москва

Г. И. Эль-Регистан

ФИЦ Биотехнологии РАН

Email: olesya_galuza@mail.ru

Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского

Россия, 119071, Москва

Т. А. Канапацкий

ФИЦ Биотехнологии РАН

Email: olesya_galuza@mail.ru

Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского

Россия, 119071, Москва

Ю. А. Николаев

ФИЦ Биотехнологии РАН

Email: olesya_galuza@mail.ru

Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского

Россия, 119071, Москва

Список литературы

  1. Брюханов А. Л., Климко А. И., Нетрусов А. И. Антиоксидантные свойства молочнокислых бактерий // Микробиология. 2022. Т. 91. С. 519–536.
  2. Bryukhanov A. L., Klimko A. I., Netrusov A. I. Antioxidant properties of lactic acid bacteria // Microbiology (Moscow). 2022. V. 91. P. 463‒478.
  3. Бухарин О. В., Гинцбург А. Л., Романова Ю. М., Эль-Регистан Г.И. Механизмы выживания бактерий. М.: Медицина, 2005. 367 с.
  4. Голод Н. А., Лойко Н. Г., Мулюкин А. Л., Нейматов А. Л., Воробьева Л. И., Сузина Н. Е., Шаненко Е. Ф., Гальченко В. Ф., Эль-Регистан Г.И. Адаптация молочнокислых бактерий к неблагоприятным для роста условиям // Микробиология. 2009. Т. 78. С. 317–327.
  5. Golod N. A., Loiko N. G., Mulyukin A. L., Gal’chenko V.F., El-Registan G.I., Neiymatov A. L., Vorobjeva L. I., Suzina N. E., Shanenko E. F. Adaptation of lactic acid bacteria to unfavorable growth conditions // Microbiology (Moscow). 2009. V. 78. P. 280‒289.
  6. Иммобилизованные клетки: биокатализаторы и процессы. Под ред. Е.Н. Ефременко. М.: РИОР, 2018. 499 с.
  7. Лойко Н. Г., Краснова М. А., Пичугина Т. В., Гриневич А. И., Ганина В. И., Козлова А. Н., Николаев Ю. А., Гальченко В. Ф., Эль-Регистан Г.И. Изменение диссоциативного спектра популяций молочнокислых бактерий при воздействии антибиотиков // Микробиология. 2014. Т. 83. 284–294.
  8. Loiko N. G., Krasnova M. A., Pichugina T. V., Grinevich A. I., Ganina V. I., Kozlova A. N., Nikolaev Yu.A., Gal’chenko V.F., El’-Registan G.I. Changes in the phase variant spectra in the populations of lactic acid bacteria under antibiotic treatment // Microbiology (Moscow). 2014. V. 83. P. 195‒204.
  9. Маркелов Д. А., Ницак В. Н., Геращенко И. И. Сравнительное изучение адсорбционной активности медицинских сорбентов // Химико-фармацевтический журнал. 2008. Т. 42. № 7. С. 30–33.
  10. Мулюкин А. Л., Сузина Н. Е., Мельников В. Г., Гальченко В. Ф., Эль-Регистан Г.И. Состояние покоя и фенотипическая вариабельность у Staphylococcus aureus и Corynebacterium pseudodiphtheriticum // Микробиология. 2014. Т. 83. С. 15–27.
  11. Mulyukin A. L., Suzina N. E., Mel’nikov V. G., Gal’chenko V. F., El’-Registan G. I. dormant state and phenotypic variability of Staphylococcus aureus and Corynebacterium pseudodiphtheriticum // Microbiology (Moscow). 2014. V. 83. P. 149–159.
  12. Мулюкин А. Л., Сузина Н. Е., Погорелова А. Ю., Антонюк Л. П., Дуда В. И., Эль-Регистан Г.И. Разнообразие морфотипов покоящихся клеток и условия их образования у Azospirillum brasilense // Микробиология. 2009. Т. 78. № 1. С. 42–52.
  13. Mulyukin A. L., Pogorelova A.Yu., El-Registan G.I., Suzina N. E., Duda V. I., Antonyuk L. P. Diverse morphological types of dormant cells and conditions for their formation in Azospirillum brasilense // Microbiology (Moscow). 2009. V. 78. P. 33 ‒41.
  14. Николаев Ю. А., Борзенков И. А., Демкина Е. В., Лойко Н. Г., Канапацкий Т. А., Перминова И. В., Хрептугова А. Н., Григорьева Н. В., Близнец И. В., Манучарова Н. А., Сорокин В. В., Коваленко М. А., Эль-Регистан Г.И. Новые биокомпозитные материалы, включающие углеводородокисляющие микроорганизмы, и их потенциал для деградации нефтепродуктов // Микробиология. 2021. Т. 90. № 6. С. 692‒705.
  15. Nikovaev Yu.A., Borzenkov I. A., Demkina E. V., Loiko N. G., Kanapatskii T. A., Perminova I. V., Khreptugova A. N., Grigor’eva N.V., Bliznets I. V., Manucharova N. A., Sorokin V. V., Kovalenko M. A., El’-Registan G.I. New biocomposite materials based on hydrocarbon-oxidizing microorganisms and their potential for oil products degradation // Microbiology (Moscow). 2021. V. 90. P. 731–742.
  16. Николаев Ю. А., Демкина Е. В., Перминова И. В., Лойко Н. Г., Борзенков И. А., Иванова А. Е., Константинов А. И., Эль-Регистан Г.И. Роль гуминовых веществ в пролонгировании жизнеспособности клеток углеводородокисляющих бактерий // Микробиология. 2019. Т. 88. С. 725–729.
  17. Nikolaev Y. A., Demkina E. V., Loiko N. G., Borzenkov I. A., Ivanona A. E., El’-Registan G.I., Perminova I. V., Konstantinov A. I. Role of humic compounds in viability prolongation of the cells of hydrocarbon-oxidizing bacteria // Microbiology (Moscow). 2019. V. 88. P. 764‒768.
  18. Николаев Ю. А., Лойко Н. Г., Демкина Е. В., Атрощик Е. А., Константинов А. И., Перминова И. В., Эль-Регистан Г.И. Функциональная активность гуминовых веществ в пролонгировании выживания популяции углеводородокисляющей бактерии Acinetobacter junii // Микробиология. 2020. Т. 89. С. 74‒87.
  19. Nikolaev Y. A., Loiko N. G., Demkina E. V., El’-Registan G.I., Konstantinov A. I., Perminova I. V., Atroshchik E. A. Functional activity of humic substances in survival prolongation of populations of hydrocarbon-oxidizing bacteria Acinetobacter junii // Microbiology (Moscow). 2020. V. 89. P. 74‒85.
  20. Николаев Ю. А., Мулюкин А. Л., Степаненко И. Ю., Эль-Регистан Г.И. Ауторегуляция стрессового ответа микроорганизмов // Микробиология. 2006. Т. 75. № 4. С. 489‒496.
  21. Nikolaev Yu. A., Mulyukin A. L., Stepanenko I. Yu., El’-Registan G. I. Autoregulation of stress response in microorganisms // Microbiology (Moscow). 2006. V. 75. P. 420‒426.
  22. Олескин А. В., Шендеров Б. А., Роговский В. С. Социальность микроорганизмов и взаимоотношения в системе микробиота‒хозяин: роль нейромедиаторов. М.: Изд-во МГУ, 2020. 286 с.
  23. Практикум по микробиологии: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Под ред. Нетрусова А. И. М.: Издательский центр “Академия”, 2005. 608 с.
  24. Соляникова И. П., Сузина Н. Е., Егозарьян Н. С., Поливцева В. Н., Мулюкин А. Л., Егорова Д. О., Эль-Регистан Г.И., Головлева Л. А. Особенности структурно-функциональных перестроек клеток актинобактерий BN52 при переходе от вегетативного роста в состояние покоя и при прорастании покоящихся форм // Микробиология. 2017. Т. 86. № 4. С. 463–475.
  25. Solyanikova I. P., Suzina N. E., Egozarjan N. S., Polivtseva V. N., Mulyukin A. L., Egorova D. O., El-Registan G.I., Golovleva L. A. Structural and functional rearrangements in the cells of actinobacteria Microbacterium foliorum BN52 during transition from vegetative growth to a dormant state and during germination of dormant forms // Microbiology (Moscow). 2017. V. 86. P. 476‒486.
  26. Эль-Регистан Г.И., Земскова О. В., Галуза О. А., Уланова Р. В., Ильичева Е. А., Ганнесен А. В., Николаев Ю. А. Влияние гормонов и биогенных аминов на рост и выживание Enterococcus durans // Микробиология. 2023. Т. 92. № 4. С. 376–395.
  27. El’-Registan G.I., Zemskova O. V., Galuza O. A., Ulanova R. V., Il’icheva E.A., Gannesen A. V., Nikolaev Yu.A. Effect of hormones and biogenic amines on growth and survival of Enterococcus durans // Microbiology (Moscow). 2023. V. 92. P. 517–533.
  28. Эль-Регистан Г.И., Мулюкин А. Л., Николаев Ю. А., Сузина Н. Е., Гальченко В. Ф., Дуда В. И. Адаптогенные функции внеклеточных ауторегуляторов микроорганизмов // Микробиология. 2006. Т. 75. С. 446‒456.
  29. El-Registan G.I., Mulyukin A. L., Nikolaev Yu.A., Suzina N. E., Gal’chenko V.F., Duda V. I. Adaptogenic functions of extracellular autoregulators of microorganisms // Microbiology (Moscow). 2006. V. 75. P. 380‒389.
  30. Azzaz H. H., Kholif A. E., Murad H. A., Vargas-Bello-Pérez E.A. Newly developed strain of Enterococcus faecium isolated from fresh dairy products to be used as a probiotic in lactating Holstein cows // Front. Vet. Sci. 2022. V. 9. https://doi.org/10.3389/fvets.2022.989606
  31. Balaban N., Merrin I., Chait R., Kowalik L., Leibler S. Bacterial persistence as a phenotypic switch // Science. 2004. V. 305. P. 1622‒1625.
  32. Balaban N. Q., Helaine S., Lewis K., Ackermann M., Aldridge B., Andersson D. I., Brynildsen M. P., Bumann D., Camilli A., Collins J. J. et al. Definitions and guidelines for research on antibiotic persistence // Nat. Rev. Microbiol. 2019. V. 17. P. 441–448.
  33. Condon S. Responses of lactic acid bacteria to oxygen // FEMS Microbiol. Lett. 1987. V. 46. P. 269–280.
  34. Fleischmann S., Robben C., Alter T., Rossmanith P., Mester P. How to evaluate non-growing cells ‒ current strategies for determining antimicrobial resistance of VBNC // Bacteria. Antibiotics. 2021. V. 10. https://doi.org/10.3390/antibiotics/10020115
  35. Gaudu P., Vido K., Cesselin B., Kulakauskas S., Tremblay J., Rezaïki L., Lamberret G., Sourice S., Duwat P., Gruss A. Respiration capacity and consequences in Lactococcus lactis // Antonie van Leeuwenhoek. 2002. V. 82. P. 263–269.
  36. Ivshina I. B., Mukhutdinova A. N., Tyumina H. A., Vikhareva H. V., Suzina N. E., El’-Registan G.I., Mulyukin A. L. Drotaverine hydrochloride degradation using cyst-like dormant cells of Rhodococcus ruber // Curr. Microbiol. 2015. V. 70. P. 307–314.
  37. Kozubek A., Zarnowski R., Stasiuk M., Gubernator J. Natural amphiphilic phenols as bioactive compounds // Cell. Mol. Biol. Lett. 2001. V. 6. P. 351–355.
  38. Lyte M. Microbial endocrinology and nutrition: a perspective on new mechanisms by which diet can influence gut-to brain-communication // PharmaNutrition. 2013. V. 1. P. 35‒39.
  39. Maresca D., Zotta T., Mauriello G. Adaptation to aerobic environment of Lactobacillus johnsonii/gasseri strains // Front. Microbiol. 2018. V. 9. Art. 157. https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.00157
  40. Mgomi F. C., Yang Y. R., Cheng G., Yang Z. Q. Lactic acid bacteria biofilms and their antimicrobial potential against pathogenic microorganisms // Biofilm. 2023. V. 5. https://doi.org/10.1016/j.bioflm.2023.100118
  41. Nikolaev Y., Borzenkov I., Demkina E., Loiko N., Kanapatsky T., Perminova I., Volikov A., Khreptugova A., Bliznetc I., Grigoreva N., El-Registan G. Immobilization of cells of hydrocarbon-oxidizing bacteria for petroleum bioremediation using new materials // Int. J. Environ. Res. 2021. V. 15. P. 971–984.
  42. Nikolaev Y. A., Demkina E. V., Borzenkov I. A., Ivanova A. E., Kanapatsky T. A., Konstantinov A. I., Volikov A. B., Perminova I. V., El-Registan G.I. Role of the structure of humic substances in increasing bacterial survival // J. Microbiol. Biotechnol. 2020. V. 5. № 4. https://doi.org/10.23880/OAJMB-16000174
  43. Oleskin A. V., Shenderov B. A. Microbial communication and microbiota-host interactivity. neurophysiological, biotechnological, and biopolitical implications // Nova Science Publishers. 2020. https://doi.org/10.52305/EGCB8622
  44. Oleskin A. V., Zhilenkova O. G., Shenderov B. A., Amerhanova A. M., Kudrin V. S., Klodt P. M. Lactic-acid bacteria supplement fermented dairy products with human behavior-modifying neuroactive compounds // J. Pharm. Nutr. Sci. 2014. V. 4. P. 199–206.
  45. Pious T., Aparna S., Reshmi U., Mubashar M., Sadiq P. Optimization of single plate-serial dilution spotting (SP-SDS) with sample anchoring as an assured method for bacterial and yeast CFU enumeration and single colony isolation from diverse samples // Biotechnol. Rep. (Amst.). 2015. V. 8. P. 45–55.
  46. Radosavljević M., Lević S., Pejin J., Mojović L., Nedović V. Encapsulation technology of lactic acid bacteria in food fermentation // Lactic acid bacteria in food biotechnology: innovations and functional aspects / Eds. Ray R. C., Paramithiotis S., de Carvalho Azevedo V. A., Montet D. Amsterdam: Elsevier, 2022. V. 17. P. 319–347.
  47. Salminen S., Wright V., Ouwehand A. Lactic acid bacteria: microbiological and functional aspects // Brazil. J. Pharm. Sci. 2004. V. 42. P. 473–474.
  48. Sampietro D., Belizán M. E. M., Apud G. R., Juarez J. H., Vattuone M., Catalan C. Alkylresorcinols: chemical properties, methods of analysis and potential uses in food, industry and plant protection // Natural antioxidants and biocides from wild medicinal plants / Eds. Cespedes C. L. CAB International, 2013. P. 148–166.
  49. Spores VII: Papers Presented at the Seventh International Spore Conference Madison, Wisconsin, 5‒8 October 1977 / Eds. Chambliss G., Vary J. C. Washington: Amer. Soc. Microbiol., 1978. 354 p.
  50. Volikov A., Ponomarenko S., Gutsche A., Nirschl H., Hatfield K., Perminova I. Targeted design of waterbased humic substances-silsesquioxane soft materials for nature-inspired remedial // RSC Adv. 2016. V. 6. P. 48222–48230.
  51. Wainwright J., Hobbs G., Nakouti I. Persister cells: formation, resuscitation and combative therapies // Arch. Microbiol. 2021. V. 203. P. 5899–5906.
  52. Zur J., Wojcieszynska D., Guzik U. Metabolic responses of bacterial cells to immobilization // Molecules. 2016. V. 21. P. 958–973.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Динамика изменения численности жизнеспособных клеток E. faecium в популяции, выращенной в обезжиренном молоке, при хранении в статических условиях с доступом кислорода воздуха в течение 1 мес. Цифрами отмечены фазы отмирания: 1 – стационарная, 2 – быстрого отмирания, 3 – плато.

Скачать (14KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Доля (% от контроля) выживших клеток E. faecium, хранившихся в течение 1 мес. в контрольном (без добавления ГВ) и опытных вариантах с внесением ГВ в концентрации 0.5 г/л (столбец отмечен цифрой 1) и 0.15 г/л (столбец отмечен цифрой 2).

Скачать (41KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Доля (% от контроля) выживших клеток E. faecium, хранившихся в течение 1 мес. в контрольном (без добавления ГВ) и опытных вариантах с внесением ГВ в концентрации 0.15 г/л и при хранении с ограничением доступа (столбец отмечен цифрой 1) и без ограничения доступа кислорода воздуха (столбец отмечен цифрой 2).

Скачать (45KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Клетки E. faecium, сорбированные на поверхностях гелевых частиц или в геле: а – препарат Энтеросгель; б – препарат Полисорб; в – СГГ на основе гумата Паохумус. 1 – Частицы полиметилсилоксана полигидрата; 2 – частицы мелкодисперсного кремнезема (Полисорб); 3 – сорбированные клетки E. faecium. Люминесцентная микроскопия.

Скачать (36KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Доля (% от контроля) выживших клеток популяции E. faecium, выращенных в молоке, при хранении в течение месяца в контрольном (без добавления стабилизаторов) и опытных вариантах с внесением стабилизаторов.

Скачать (27KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Доля (% от контроля) выживших клеток E. faecium, выращенных в молоке, при хранении в течение 1 мес. в контрольном (планктонная культура) и опытных вариантах в СГГ.

Скачать (25KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Доля (% от контроля) выживших клеток популяции E. faecium, выросшей при гетерофазном культивировании с внесением сорбентов и последующем хранении в течение 1 мес. в разных условиях доступа кислорода: с ограничением доступа кислорода (столбцы со сплошной заливкой) и с доступом кислорода (столбцы со штриховкой).

Скачать (36KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Электронно-микроскопические снимки тонких срезов клеток E. faecium, выращенных на молоке до стационарной фазы роста (а, б) и хранившихся 6 мес. в статическом режиме (в‒ж). Обозначения: ВК – ультраструктура вегетативных клеток (а, б); ЦПК I типа с утолщенной клеточной стенкой (КС); ЦПК II типа с толстой многослойной КС и плотной цитоплазмой, компактизованным нуклеоидом (КН); L-ф – L-форма клеток без КС (в); ЦПМ – цитоплазматическая мембрана (б , г, ж).

Скачать (69KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Колонии диссоциантов E. faecium в популяции, полученной из клеток, выращенных в обезжиренном молоке в течение 24 ч (а) и хранившихся в течение 6 месяцев (б). 1 – Колонии доминантного S-морфотипа с размерами до 2 мм; 2 – колонии Sb-морфотипа с размерами 2‒3 мм; 3 – колонии Sm-морфотипа с размерами менее 1 мм, полупрозрачные. Световая микроскопия.

Скачать (15KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024