Научная статья на тему 'Изыскание антибиотиков, эффективных в отношении бактерий с лекарственной устойчивостью, на примере Bacillus pumilus продуцента антибиотика амикумацина а'

Изыскание антибиотиков, эффективных в отношении бактерий с лекарственной устойчивостью, на примере Bacillus pumilus продуцента антибиотика амикумацина а Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

CC BY
518
132
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЛЕКАРСТВЕННАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ БАКТЕРИЙ / УСТОЙЧИВОСТЬ К ГЛИКОПЕПТИДНЫМ АНТИБИОТИКАМ / АМИКУМАЦИН А / BACILLUS PUMILUS / LEUCONOSTOC MESENTEROIDES / MRSA / DRUG-RESISTANT BACTERIA / RESISTANCE TO GLYCOPEPTIDE ANTIBIOTICS / AMICOUMACIN A

Аннотация научной статьи по биологическим наукам, автор научной работы — Ефименко Татьяна Александровна, Маланичева Ирина Алексеевна, Зенкова Валентина Александровна, Королев Александр Михайлович, Остерман Илья Андреевич

Изыскание продуцентов антибиотиков, преодолевающих лекарственную устойчивость патогенных бактерий, проводили с применением на ранних этапах отбора резистентных тест-штаммов метициллинрезистентного золотистого стафилококка (MRSA) и сапрофита Leuconostoc mesenteroides с высоким уровнем устойчивости к гликопептидным антибиотикам группы ванкоми-цина. Среди отобранных природных изолятов исследован штамм, отнесенный на основании морфологических и генетических данных к виду Bacillus pumilus. Показано, что из трех образуемых им антибиотиков эффективным в отношении обоих устойчивых тест-штаммов является амикумацин А.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по биологическим наукам , автор научной работы — Ефименко Татьяна Александровна, Маланичева Ирина Алексеевна, Зенкова Валентина Александровна, Королев Александр Михайлович, Остерман Илья Андреевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

BACILLUS PUMILUS PRODUCER OF AMICOUMACIN A AS AN EXAMPLE OF SEARCHING FOR NEW ANTIBIOTICS WHICH EFFECTIVE AGAINST DRUG RESISTANT BACTERIA

Searching for producers of antibiotics, overcoming drug resistance of pathogenic bacteria was performed using as test strains methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) and Leuconostoc mesenteroides saprophyte with high resistance to glycopeptide antibiotics of the vancomycin group. Among the selected natural isolates was used the strain, which on the basis of morphological and genetic data was identified as Bacillus pumilus. An isolated strain produces three antibiotics, one of them is amicoumacin A, which is effective against both resistant test strains.

Текст научной работы на тему «Изыскание антибиотиков, эффективных в отношении бактерий с лекарственной устойчивостью, на примере Bacillus pumilus продуцента антибиотика амикумацина а»

УДК 579.66

Ефименко Т.А.1, Маланичева И.А.1, Зенкова В.А.1, Королев А.М.1, Остерман И.А.2, Сергиев П.В.2, Ефременкова О.В.1

1Научно-исследовательский институт по изысканию новых антибиотиков им. ГФ. Гаузе Российской академии медицинских наук 2Московский Государственный университет им. М.В. Ломоносова E-mail: [email protected]

ИЗЫСКАНИЕ АНТИБИОТИКОВ, ЭФФЕКТИВНЫХ В ОТНОШЕНИИ БАКТЕРИЙ С ЛЕКАРСТВЕННОЙ УСТОЙЧИВОСТЬЮ, НА ПРИМЕРЕ BACILLUS PUMILUS -ПРОДУЦЕНТА АНТИБИОТИКА АМИКУМАЦИНА А

Изыскание продуцентов антибиотиков, преодолевающих лекарственную устойчивость патогенных бактерий, проводили с применением на ранних этапах отбора резистентных тест-штаммов -метициллинрезистентного золотистого стафилококка (MRSA) и сапрофита Leuconostoc mesenteroides с высоким уровнем устойчивости к гликопептидным антибиотикам группы ванкоми-цина. Среди отобранных природных изолятов исследован штамм, отнесенный на основании морфологических и генетических данных к виду Bacillus pumilus. Показано, что из трех образуемых им антибиотиков эффективным в отношении обоих устойчивых тест-штаммов является амикумацин А.

Ключевые слова: Bacillus pumilus, Leuconostoc mesenteroides, лекарственная устойчивость бактерий, MRSA, устойчивость к гликопептидным антибиотикам, амикумацин А.

Введение

За прошедшие годы после открытия в 1928 году пенициллина описано более 30000 природных антибиотиков [1], из которых в медицине применяется примерно 150. Однако развитие механизмов устойчивости у патогенных бактерий в настоящее время привело к критической черте - многие возбудители инфекционных заболеваний становятся невосприимчивыми к современным лекарственным средствам. Такое положение требует поиска новых антибиотиков, преодолевающих лекарственную устойчивость бактерий , а также анализа известных антибиотиков на соответствие современным вызовам и возможности их использования в медицине. В настоящей работе проводили поиск продуцентов антибиотиков, основанный на использовании при отборе тест-штаммов с определенной лекарственной устойчивостью, и описание выделенного из почвы штамма Bacillus pumilus INA 01087 - продуцента антибиотика амикумацина А.

Материалы и методы

Тест-штаммы. В качестве тест-штаммов для определения антимикробной активности использовали следующие микроорганизмы: грам-положительные бактерии - Bacillus subtilis АТСС 6633, B. pumilus NCTC 8241, B. mycoides 537, Micrococcus luteus NCTC 8340, Leuconostoc mesenteroides VKPM B-4177 (штамм, устойчивый

к гликопептидным антибиотикам группы ван-комицина, с минимальной подавляющей концентрацией (МПК) 400 мкг/мл), Staphylococcus aureus FDA 209P (штамм, чувствительный к бета-лактамным антибиотикам, - meticillin-sensitive S. aureus - MSSA), S. aureus INA 00761 (штамм, устойчивый к бета-лактамным антибиотикам, -meticillin-resistant S. aureus - MRSA, с МПК 32 мкг/мл), грамотрицательные бактерии -Escherichia coli ATCC 25922, Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853, и грибы - Aspergillus niger INA 00760, Saccharomyces cerevisiae RIA 259.

Условия культивирования. На агаровой среде штамм INA 01087 выращивали при температуре 37°С, глубинное культивирование проводили при 28°С. Для поверхностного культивирования использовали модифицированную агаровую среду №2 Гаузе следующего состава (%): глюкоза - 1, пептон - 0,5, триптон - 0,3, NaCl - 0,5, агар - 2; рН 7,2-7,4. Для глубинного культивирования использовали ту же среду без агара. Глубинное культивирование осуществляли в колбах Эрленмейе-ра объемом 750 мл, содержащих 100 мл среды, на качалке (220 об/мин). Среду засевали суспензией спор в количестве 105 мл.

Грибные тест-штаммы и L. mesenteroides выращивали при температуре 28°С, все другие штаммы - при 37°С.

Выделение штаммов бактерий из почвы. Водную суспензию почвы тщательно перемешивали на шейкере и рассевали на агаровую

среду. Отдельные колонии пересевали в пробирки на скошенный агар, инкубировали несколько суток, подтверждали гомогенность культуры с помощью микроскопирования и высевали в колбы. На 2, 4, 7 и 9 сутки культивирования культуральную жидкость исследовали на антимикробную активность методом диффузии в агар в отношении 11 тест-штаммов.

Продуцент антибиотика. Бактериальный штамм - продуцент антибиотика амикумаци-на А, был выделен из образца выщелоченного чернозема (Краснодарский край, Россия). Штамм депонирован в Коллекции культур Института по изысканию новых антибиотиков им. Г.Ф.Гаузе РАМН под номером INA 01087.

Микроскопирование. Исследование проводили с помощью светового микроскопа Olympus BX41TF (Япония). При окрашивании по Граму в качестве положительного и отрицательного контроля использовали штаммы B. subtilis АТСС 6633 и E. coli ATCC 25922, соответственно.

Определение антимикробной активности. Антимикробную активность определяли методом диффузии в агар. Об уровне антимикробной активности в культуральной жидкости судили по диаметрам зон задержки роста тест-культур вокруг лунок в агаровой среде диаметром 9 мм, в которые закапывали испытуемый раствор. По ходу выделения и очистки антибиотика испытуемые образцы наносили на бумажные диски, которые помещали на поверхность агаровой среды с высеянной тест-культурой.

Анализ нуклеотидных последовательностей части гена 16S рРНК бактериальных штаммов. ДНК выделяли методом [2]. Для амплификации ДНК гена 16S рРНК методом по-лимеразной цепной реакции (ПЦР) использовали универсальные консервативные прайме-ры прокариот 27f и 1492г. Были выбраны режимы проведения ПЦР: (1) 94°С - 5 мин, (2) 30 циклов с чередованием температурных интервалов 94°С - 1мин, 51°С - 1 мин, 72°С -2мин, (3) 72°С - 7мин. Анализ продуктов ПЦР проводили методом электрофореза в 1% ага-розном геле при напряженности электрического поля 5 В/см. Выделение и очистку продуктов ПЦР осуществляли методом спиртового переосаждения ДНК в мягких условиях (0,125М ацетата аммония в 70% этиловом спирте). Секвенирование ДНК очищенных фрагментов проводили на автоматическом секве-

наторе Genetic Analyzer 3500 (Applied biosystems, США). Для анализа последовательностей и построения дерева родства использовали базы данных GenBank (www.ncbi.nlm.nih.gov) [3] и Ribosomal Database Project (http://www.cme.msu.edu) [4].

Выделение и очистка амикумацина А. Фильтрат культуральной жидкости, содержащей антибиотики амикумацины А и В, наносили на сорбент Amberlyte XAD-2 и элюиро-вали смесью н-бутанол-ацетон-вода (1:1:1). Полученные элюаты упаривали в вакууме досуха при 37°С, сухой остаток растворяли в 60%-м водном этаноле. Дальнейшую очистку амикумацина А проводили на колонке размером 14x180 мм, заполненной силикагелем Kieselgel 60 (Merck, США). Антибиотики последовательно элюировали системами растворителей - этилацетат-этанол (4:1) и хлороформ-метанол (7:3). Полученные фракции анализировали методом UV-VIS-спектрофо-тометрии на приборе Thermo Scientific™ NanoDrop 2000 (США) и методом диффузии в агар для выявления антимикробного действия в отношении тест-бактерии S. aureus INA 00761 (MRSA). Окончательную очистку проводили с помощью препаративной ВЭЖХ, используя хроматограф Agilent1200 (США) на колонке Luna 5u C18(2) 100A размером 250x4,60 мм (Phenomenex, США). Объем петли инжектора - 20 мкл. Детектирование проводили при длине волны 240 нм (^max выделяемых антибиотиков). Элюирование проводили системой 0,2 М ацетат аммония рН 7,5 - ацетонитрил в градиентном режиме, повышая содержание ацетонитрила от 0 до 80% при скорости потока - 1мл/мин-1. Раствор амикумацина А лиофилизировали и хранили в сухом виде в темноте при -70°С. Структуру амикумацина А подтвердили методом MALDI-TOF-TOF масс-спектрометрии на приборе Ultraflextreme (Германия).

Результаты и обсуждение

Одними из самых распространенных опасных патогенов, устойчивых к антибиотикам, в настоящее время являются метициллинрезис-тентный золотистый стафилококк (MRSA). Последнее десятилетие для лечения заболеваний, вызванных MRSA, применяют гликопеп-тидные антибиотики группы ванкомицина, од-

Ефименко Т.А. и др.

Изыскание антибиотиков, эффективных в отношении...

нако стали все чаще фиксироваться патогенные бактерии, устойчивые также и к этой группе антибиотиков. Учитывая это, мы на раннем этапе поиска проводили отбор продуцентов антибиотиков для химического изучения на основании эффективности их культуральной жидкости в отношении тест-штаммов S. aureus INA 00761 и L. mesenteroides VKPM B-4177.

Среди выделенных штаммов нами был отобран для дальнейшего исследования штамм INA 01087, культуральная жидкость которого проявляет на высоком уровне антимикробную активность в отношении S. aureus INA 00761 и L. mesenteroides VKPM B-4177 начиная со вторых суток роста. Выделение и очистку проводили при анализе антибиотической активности в отношении тест-штамма S. aureus INA 00761. Показано, что штамм INA 01087 образует не менее трех антибиотиков, из которых один представляет наибольший интерес, проявляя активность в отношении как S. aureus INA 00761, так и L. mesenteroides VKPM B-4177, но не в отношении грамотрицательных бактерий и грибов (табл. 1).

Морфологическое исследование показало, что клетки штамма INA 01087 грамположитель-

ны, палочковидны, размером 1х(3-4) мкм, на вторые сутки культивирования на агаровой среде формируют характерные для бацилл эндоспоры, содержание которых на 11 сутки близко к 100%. Штамм формирует круглые бежевые блестящие колонии с ровным краем, экзопигмент отсутствует.

Таблица 1. Спектр антибиотической активности культуральной жидкости штамма INA 01087.

Тест-штаммы Зоны задержки роста (мм)

Bacillus subtilis АТСС 6633 (=RIA 445) 11

Bacillus mycoides 537 11

Bacillus pumilus NCTC 8241 0

Leuconostoc mesenteroides VKPM B-4177 25

Micrococcus luteus NCTC 8340 30

Staphylococcus aureus FDA 209P (MSSA) 28

Staphylococcus aureus INA 00761 (MRSA) 28

Escherichia coli ATCC 25922 21

Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853 0

Aspergillus niger INA 00760 12

Saccharomyces cerevisiae RIA 259 14

98

Ё1 34

45

ЭЭ

100

47j— AJ276351.1 _ 51 [L HQ223107.1 -AF074970.1. — АВ021191.1 -АВ021198.1. -GQ281299.1 АВ255669.1 EU194897.1. АВ021181.1 СР000002.3

5о|__| бсП—

92

90|KF717600.1

AY876289.1. — AF234854.2_ AJ831844.2. AJ831842.1_ AJ831841.2. AY904033.1

ЭЭ

Bacillus_subtilis_(T)_DSM10 _Bacillus_tequilensis_(T)_10b _Bacillus_subtilis_(T)_NRRL_B-23049 _Bacillus_niojavensis_(T)_IF015718 _Bacillus_vallisniortis_(T)_DSM11031 _Bacillus_siamensis_(T)_PD-A10 _Bacillus_arriyloliquefaciens_(T)_NBRC_15535 .Bacillus jriethylotrophicus_(T)_CBMB205 _Bacillus_atrophaeus_(T)_JCM9070 _Bacillus_licheniforrni s_(T)_ATC C_14580_D S M_13

_B а с 111 u s_p u mi I u s_(T)_ATC C_7061 _Bacillus_safensis_(T)_FO-036b Bacillus_aerophilus_(T)_1y pe_strain:2BK Bacillus_altitudims_(T)_type_stram:41 KF2b Bacillus_stratosphericus_(T)_type_strair:41 KF2a _Bacillus_idriensis_(T)_SMC_4352-2

4

0.020

0.015

0.010

0.005

0.000

Рисунок 1. Филогенетическое положение штамма Bacillus pumilus INA 01087 на основе последовательности гена 16SpPHK (последовательность гена депонирована в Genbank под номером KF17600.1). Масштаб - 5 нуклеотидных замен на 1000 нуклеотидов. Цифры - достоверность ветвления по «bootstrap^-анализу 100 альтернативных деревьев

Для дальнейшего изучения штамма ампли-фицировали ДНК гена 16S рРНК с помощью ПЦР и провели ее секвенирование. Была проанализирована последовательность гена длиной 1503 н.о., депонированная в GenBank под номером KF717600. Первичный скрининг по базе данных GenBank показал, что анализируемая последовательность ДНК на 100% идентична с последовательностями штаммов B. pumilus. Последовательность была выровнена с соответствующими последовательностями типовых штаммов ближайших видов бактерий из базы данных RPD. С помощью программы Mega 5.2.2 на основе типовых штаммов было построено дерево филогенетического родства (рис. 1).

На основании морфологических и генетических данных штамм был отнесен к виду Bacillus pumilus и депонирован в Коллекции культур микроорганизмов Научно-исследовательского института по изысканию новых антибиотиков им. Г.Ф. Гаузе РАМН под номером INA 01087.

Выделение и очистка антибиотика с последующим анализом методом MALDI-TOF-TOF масс-спектрометрии показали наличие двух ранее описанных антибиотиков - амикумаци-нов А и В (рис. 2), из которых указанной биологической активностью обладает амикумацин А.

Структура амикумацина А и его антибиотическое действие в отношении грамположи-тельных бактерий впервые были описаны в 1981 году, при этом авторы особое внимание отдавали не антибактериальным свойствам вещества, а его способности купировать отеки конечностей и язву желудка у мышей [5]. В настоящее время известно 11 антибиотиков

OR, О

R, = н. R;=NH; -423 (амикуиацин А) R, = Н, - ОН -424 (амикуиацин В)

ОН О .¿(об (иетабошгг-

пре щнес твенник или продукт расще пленил амикумацина В)

Рисунок 2. ВЭЖХ н структуры антибиотиков амикумацинов А и В, выделенных из культуральной жидкости штамма Bacillus pumilus INA 01087

амикумацинов - аналогов амикумацина А, которые наряду с антибактериальной активностью обладают разнообразным спектром биологической активности, включая противоопухолевую, антивирусную, антигельминтную, ре-тардантную. В соответствии с потребностью времени в 2012 году опубликована информация об эффективности этого антибиотика в отношении штаммов MRSA и VISA (vancomycin intermediate Staphylococcus aureus Staphylococcus aureus с умеренным уровнем устойчивости в ванкомицину) [6], [7]. Нами установлено, что амикумацин А эффективен как в отношении MRSA, так и штамма L. mesenteroides VKPM B-4177 с высоким природным уровнем устойчивости к гликопептид-ным антибиотикам группы ванкомицина. Таким образом, амикумацин А является примером «старых новых антибиотиков», интерес к которым возник на современном этапе.

14.10.2014

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №13-04-01658 А) и Российского Научного Фонда (грант номер 14-24-00061)

Список литературы:

1. Berdy J. Bioactive microbial metabolites // J. Antibiot. - 2005. - V. 58. - №1. - Р. 1 - 26.

2. PCR protocols: a guide to methods and applications / Eds. M.A. Innis, D.H. Gelfand, J.J. Sninsky, T.J. White; New York: Academic Press. 1990. - 26 с.

3. The National Center for Biotechnology Information (NCBI) [Электронный ресурс] // Maryland, USA. GenBank. URL: (www.ncbi.nlm.nih.gov) (дата обращения 18.09.2014).

4. The Center for Microbial Ecology (CME) [Электронный ресурс] // Michigan State University. RDP (Ribosomal Database Project). URL: (http://www.cme.msu.edu). (дата обращения 18.09.2014).

5. Itoh J., Omoto S., Shomura T., Nishizawa N., Miyado S., Yuda Y., Shibata U., Inouye S. Amicoumacin-A, a new antibiotic with strong antiinflammatory and antiulcer activity // J. Antibiot. - 1981. - V. 34. - №5. - Р. 611-613.

6. Lama A., Jan Pane-Farre J., Chon T., Weirsma AM, Sit C.S., Vederas J.C., Hecker M, Nakano M.M. Response of Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus to Amicoumacin A // PLoS One. - 2012. - V. 7. - №3. - Р. 1-13.

7. Li Y., Xu Y., Liu L., Han Z., Lai P.Y., Guo X, Zhang X, Lin W, Qian P. Five new amicumacins isolated from marine-derived bacterium Bacillus subtilis // Mar. Drugs. - 2012. - V. 10. - №2. - Р. 319-328.

Ефименко Т.А. и др.

Изыскание антибиотиков, эффективных в отношении..

Сведения об авторах:

Ефименко Татьяна Александровна, младший научный сотрудник, аспирант Сектора поиска природных соединений, преодолевающих устойчивость бактерий отдела Микробиологии Научно-исследовательского института по изысканию новых антибиотиков им. Г.Ф. Гаузе Российской академии медицинских наук, е-mail: [email protected]

Маланичева Ирина Алексеевна, старший научный сотрудник Сектора поиска природных

соединений, преодолевающих устойчивость бактерий отдела Микробиологии Научно-исследовательского института по изысканию новых антибиотиков им. Г.Ф. Гаузе Российской академии медицинских наук, е-mail: [email protected]

Зенкова Валентина Александровна, старший научный сотрудник лаборатории химического изучения биологически активных соединений микробного происхождения Научно-исследовательского института по изысканию новых антибиотиков им. Г.Ф. Гаузе Российской академии медицинских наук, е-mail: [email protected]

Королев Александр Михайлович, ведущий научный сотрудник лаборатории химической трансформации антибиотиков Научно-исследовательского института по изысканию новых антибиотиков им. Г.Ф. Гаузе Российской академии медицинских наук, е-mail: [email protected]

Ефременкова Ольга Владимировна, руководитель сектора поиска природных соединений, преодолевающих устойчивость бактерий отдела Микробиологии Научно-исследовательского института по изысканию новых антибиотиков им. Г.Ф. Гаузе Российской академии медицинских наук, кандидат биологических наук, е-mail: [email protected]

119021, г. Москва, Б. Пироговская, 11, стр. 1

Остерман Илья Андреевич, старший научный сотрудник факультета биоинформатики и биоинженерии Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, кандидат биологических наук, е-mail: [email protected]

Сергиев Петр Владимирович, профессор факультета биоинформатики и биоинженерии Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова, доктор химических наук,

е-mail: [email protected]

119991, г. Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, стр. 73

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.