CC BY
111
ОГЛЯДИ Л1ТЕРАТУРИ
© Жолобак Н. М.
УДК 546.655.3-4+544.773:615.281.9 Жолобак Н. М.
К ВОПРОСУ О МЕХАНИЗМЕ АНТИБАКТЕРИАЛЬНОГО И ПРОБИОТИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ КОЛЛОИДНОГО (НАНОРАЗМЕРНОГО) ДИОКСИДА ЦЕРИЯ
Институт микробиологии и вирусологии им. Д. К. Заболотного НАН Украины (г. Киев)
Интерес к нанокристаллическому диоксиду церия (НДЦ) интенсивно возрастает: об этом свидетельствует резкий рост числа публикаций, посвященных этому материалу [7,9]. Ярко выраженная зависимость физико-химических свойств НДЦ от размера частиц обуславливает его уникальную биологическую активность. Особенно следует отметить высокую кислородную нестехиометрию, и связанную с ней возможность участия НДЦ в окислительно-восстановительных процессах в живой клетке, а также способность к ауторегенерации, что обеспечивает высокую эффективность его применения [20]. Для НДЦ показано УФ-защитное действие, различающееся по эффективности на нормальных и опухолевых тканях [42,43], защитный эффект в условиях экзогенного или эндогенного окислительного стресса [33,40], перспективность применения для терапии опухолевого процесса [31], улучшения качества жизни [32]. НДЦ обладает антифунгальным [11] и антивирусным действием [39]. В нашей предыдущей статье обобщены современные литературные данные об антибактериальных эффектах НДЦ [5].
Но, кроме информации о высокой антибактериальной эффективности НДЦ, есть данные и о том, что в некоторых случаях наночастицы никак не влияют на жизнеспособность бактерий или стимулируют их рост.
Так, в работе [1] показана биобезопасность НДЦ для представителей микрофлоры почвы: он нетоксичен даже в максимальной использованной концентрации - 10 мМ. Жизнеспособность медленно растущих почвенных симбиотических азотфиксиру-ющих грамотрицательных бактерий Бга<ЗугЬ11оЫит ¡аропюит УКМ В-6018 (входят в состав инокулян-тов для обработки семян сои - Ризобин, Эковитал) и В.¡аропюит 604Коставалась стабильной в присутствии цитрат-стабилизированных НДЦ.
На модельной грамотрицательной бактерии -Photobacteгium рИоврИогвит, используемой для тестирования токсичности ксенобиотиков, показа-
но [4], что цитрат-стабилизированные наночастицы в концентрации 0,1 нМ, а высоко кристаллические НДЦ в концентрации 0,1 нМ - 0,1 мМ уже через 30 минут после внесения в культуру вызывают существенное увеличение люминесценции, свидетельствующее об активации внутриклеточных метаболических процессов. Дальнейшая инкубация наночастиц и бактерий в течение пяти суток не угнетает рост Ph. phosphoreum.
Нечувствительна к действию НДЦ и Shewanella oneidensis - грам отрицательный металлоредуциру-ющий микроорганизм [13]. Возможно, устойчивость S. oneidensis к НДЦ связана со специфичностью бактериального метаболизма: способностью восстанавливать металлы, высокой устойчивостью к действию наночастиц оксидов металлов.
Есть данные о стимулирующем рост микроорганизмов действии НДЦ. Так, через 24 часа после внесения цитрат-стабилизированных НДЦ в диапазоне концентраций 0,1-10,0 мМ в культуру условно-патогенных грам отрицательных бактерий рода Pseudomonas - Р. Syringae pv. Syringae иСМ В-1027Т и Pseudomonas fluorescens 8573 наблюдается почти десятикратное увеличение количества жизнеспособных микроорганизмов [1]. Учитывая, что бактерии рода Pseudomonas способны активно биодегради-ровать различные ксенобиотики, например, на 40% ускоряя деградацию пластмасс [19], указанное свойство НДЦ актуально при создании различных экосов-местимых биодеградируемых материалов.
В присутствии цитрат-стабилизированных НДЦ существенно увеличиваются пробиотические свойства культуры лактобактерий Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus (грамположительные факультативно анаэробные или микроаэрофильные микробы) [34]. Совместное пероральное введение мышам L. bulgaricus и НДЦ активирует систему интерферона, повышая сопротивляемость животных к инфекции. Отдельное введение или наночастиц, или L. bulgaricus не сопровождается такими эффектами.
Показано, что пероральное введение животным ци-трат-стабилизированных наночастиц коррелирует с увеличением количества лактобактерий в желудочно-кишечном тракте. Интересно, что в присутствии лактобактерий увеличивается антибактериальное действие НДЦ против патогенной микрофлоры. Так, Babu K.S. еt al. [12] показали, что комбинирование изолятов Lactobacillus с НДЦ существенно увеличивает антибактериальную эффективность наночастиц в отношении E. coli и S. aureus.
То есть, совместное применение НДЦ и лактобактерий стимулирует жизнеспособность последних, активирует систему интерферона, являющуюся ключевым звеном первичного иммунного ответа организма на инфекцию. Для L. bulgaricus показано, что по причине отсутствия супероксид дисмутазы, для защиты от супероксид-аниона бактерии используют ионы марганца [10], продуцируя большое количество пероксида водорода [25]. Известно, что НДЦ обладают супероксид дисмутазо-подобной активностью [7], поэтому их использование может существенно повышать пробиотические свойства таких бактерий. У животных, одновременно получавших НДЦ и лакто-бактерии, кроме активации системы интерферона, отмечено увеличение NO-продуцирующей способности клеток селезенки, снижение уровня окислительного стресса в клетках перитонеального экссудата мышей [6]. Полученные результаты интересны с точки зрения создания и применения пробиотиков на основе НДЦ и лактобактерий, способных активировать системы клеточной и гуморальной иммунной защиты организма.
В пользу перспективности такого подхода свидетельствуют также данные T. Kroth [21] о том, что скармливание экспериментальным животным смеси, в составе которой - соли редкоземельных элементов, в том числе и церия, влияет на состояние микробиома кишечника животных, улучшая усвоение питательных веществ, белка, накопление энергии.
В работе C. Garcia-Saucedo показана низкая токсичность НДЦ (50 нм, 99,95%, Sigma) для эука-риотической культуры S. cerevisiae [16]. Для оценки жизнеспособности клеток авторы использовали критерии интенсивности поглощения кислорода и целостности мембран. НДЦ, стабилизированные нетоксичным для дрожжей полиакрилатом аммония (Dispex A40, массовое соотношение CeO2/Dispex -10/1), в концентрации 1000 мг/л вызывали снижение потребление кислорода клетками почти на 50%, тогда как в присутствии НДЦ без стабилизатора интенсивность поглощения кислорода S. сerevisiae снижалась только на 10-15%. То есть, как и в случае с E. coli, присутствие стабилизатора (даже если он сам и не обладает цитотоксическим действием) в составе золя НДЦ существенно изменяет активность последнего. Метод проточной цитометрии не позволил зафиксировать какие-либо повреждения клеточных мембран. Автор считает [16], что вызванное НДЦ угнетение потребления кислорода S. сerevisiae не связано с нарушением целостности мембраны клетки, а в экологически релевантных концентрациях НДЦ вообще нетоксичны для S. сerevisiae.
Анализ современных представлений об эффективности НДЦ против патогенной и условно патогенной флоры человека изложен в нашем предыдущем обзоре [5]. Но факты стимулирования роста непатогенных микроорганизмов в присутствии НДЦ закономерно вызывают вопрос: чем же обусловлена избирательность действия наночастиц?
В 2006 году в работе Rose et al. [29] была сделана попытка определить механизмы взаимодействия между НДЦ и клетками E. coli. Результаты, полученные с использованием разнообразных микроскопических и спектроскопических техник, позволили сделать заключение, что токсические (антибактериальные) эффекты НДЦ могут быть обусловлены окислительными процессами на поверхности клетки, происходящими в присутствии наночастиц.
В 2013 году в обзорной работе Santos et. а1. сделана попытка обобщения массива современных данных о взаимодействии наночастиц и бактериальной клетки [30]. Авторами проанализированы последствия непосредственного контакта наночастиц с клеткой, который может вызывать повреждение липидного слоя, нарушать целостность бактериальной клетки, следствием чего является лизис бактериального содержимого и гибель микроорганизма. Опосредованное антибактериальное влияние НДЦ может реализоваться через генерирование продуктов взаимодействия наночастиц с окружающей средой и межклеточным пространством: ионов, активных форм кислорода.
НДЦ влияют на бактериальную клетку, используя оба механизма, но, учитывая известные редокс-свойства наночастиц, генерация активных форм кислорода играет ключевую роль в совокупном бактерицидном действии. Для микроорганизмов, покрытых оболочкой из полисахаридов, или формирующих биопленки - то есть когда прямой контакт НДЦ с клеточной мембраной невозможен, - преимущественную роль играет непрямой механизм. В работе [38] на примере E. coli и Synechocystis sp. рассмотрен вклад«прямого» и «непрямого» механизмов токсического действия НДЦ на микроорганизмы.
Для «прямого» механизма (E. coli) важен размер частиц и физико-химические характеристики золя (z-потенциал, агрегированность частиц, стериче-ские факторы и т.п.). В случае «непрямого» механизма токсичности (цианобактерия Synechocystis sp.), главную роль играют ионы церия, попадающие в среду в результате растворения наночастиц, а также активные формы кислорода, образующиеся на поверхности частиц и мигрирующие через бактериальную мембрану.
НДЦ могут влиять на транспорт электронов и работу протонного насоса клеток, изменяя заряд мембраны и баланс рН в направлении закисления цитоплазмы, искажая функционирование многоуровневых систем антиоксидантной защиты микробных клеток, действующих по механизму, одним из звеньев которого является обратное окисление сенсора [8]. В кислой среде НДЦ выступают в роли прооксиданта, вызывая образование токсических АФК, разрушающих бактериальную мембрану, ДНК и протеины, вмешиваясь в синтез белков [30].
Наночастицы по-разному накапливаются вблизи бактериальных клеток: у E. coli НДЦ локализуются непосредственно на мембране, при нарушении ее целостности образуются специфические выпячивания, так называемые «knob-like protrusions» [36], а C. albicans в стрессовых условиях формирует слой экзополисахаридов [23], препятствующий контакту наночастиц и клетки.
Микроокружение очень сильно влияет на свойства наночастиц. В работе Wen-Ting Sung et al. [37] показано, что микроокружение наночастиц серебра, оксидов цинка и церия в различных водных средах существенно влияет на их свойства, изменяя их. Например, при рН=10частицы максимально стабильны, а со снижением рН среды закономерно изменяются их физико-химические свойства, в том числе и стабильность. Авторами показано, что наночастицы СеО2 в присутствии ионов SO42- образовывают Се^04)2 и выделяют ионы Се4+. Общеизвестно, что в сложных биологически-совместимых средах практически всегда присутствуют сульфат-ионы. Подобные процессы вполне вероятны и в условиях взаимодействия наночастиц Ce02 с биологическими объектами.
Фосфат-ионы, присутствующие практически во всех биологических жидкостях, тоже могут влиять на каталитические свойства НДЦ. Биосовместимые НДЦ, стабилизированные декстраном или полиэ-тиленгликолем, сохраняют свои свойства в присутствии фосфат-ионов [28]. Авторы показали, что каталитическая активность НДЦ зависит от соотношения Ce3+/Се4+, и частицы с более высоким содержанием Се4+ на поверхности более устойчивы: именно они сохраняют каталитическую активность в присутствии фосфат-ионов. В работе Najam-ul-Naga et al. [26] рассматривается перспективность использования наночастиц оксидов металлов в фосфопротеомике: благодаря каталитическим свойствам церий-циркониевых нанокомпозитов можно влиять на концентрацию фосфопептидов, выполняющих биологически важные функции в клетке.
Анализ условий реализации антибактериального или пробиотического действия НДЦ позволяет вычленить определенную закономерность: большую чувствительность к действию НДЦ демонстрируют грамположительные, чем грамотрицательные микроорганизмы. И такой вывод небезоснователен, поскольку окрашивание по Граму вскрывает отчетливые различия в ультраструктуре и химическом составе двух главных видов прокариотических клеточных стенок, встречающихся в природе. Оба вида клеточных стенок отличаются друг от друга наличием или отсутствием внешней липидной мембраны, которая является надежной и фундаментальной характеристикой бактериальных клеток [17,18].
Все грамположительные бактерии окружены единственным слоем фосфолипидной мембраны и обычно имеют толстый слой (20-80 нм) пептидо-гликанов (муреин и др.), фиксирующий на себе краситель Грама. Общеизвестно также, что различие между поверхностью грамположительных и грамо-трицательных бактерий задает степень ее проницаемости: для грамотрицательных клеток предел про-
никновения - это вещества с молекулярным весом около 600 Дальтон.
У грамотрицательных бактерий внешняя стенка играет роль полупроницаемого барьера: липопо-лисахаридный слой, способный задерживать макромолекулы и гидрофильные вещества, защищает бактериальную клетку. Иными словами, грамотрицательные микроорганизмы, кроме цитоплазма-тической мембраны, окружены еще и внешней клеточной мембраной и содержат между ними тонкий слой пептидогликанов (2-3 нм). Наличие внутренней и внешней мембран порождает новый клеточный компартмент - периплазму, обеспечивающую дополнительный уровень защиты клетки от воздействия факторов окружающей среды. Весь комплекс свойств обеспечивает более высокую устойчивость грамотрицательных микроорганизмов к действию наночастиц, в том числе, и к НДЦ.
Но влиянием на поверхность бактериальных клеток действие НДЦ не ограничивается: наночастицы могут активно изменять процессы транспорта питательных веществ.
В регуляции клеточных функций процессы первично-активного транспорта занимают ведущее место. В результате работы систем первично-активного транспорта в клетке создается и поддерживается ионный состав, резко отличающийся от состава окружающей среды.
Вторично-активный транспорт обеспечивает перенос в клетку аминокислот и моносахаридов, поступающих за счет энергии, обусловленной градиентом ионов, чаще всего Ыа+. В клетках низших эукариот кроме градиента №+ для этой цели может использоваться градиент протонов, у некоторых грибов его создают высокомолекулярные полифосфаты. Перенос осуществляется с помощью белков-переносчиков, имеющих молекулярную массу 25-40 кД. Ко вторично-активному транспорту относятся и процессы переноса, связанные с деятельностью ферментов. Например, отсутствующая у эукариот фосфотранс-феразная система бактерий фосфорилирует сахара в процессе их проникновения через мембрану, тем самым вовлекая их в метаболизм углеводов. У грамотрицательных бактерий так переносятся й-глюкоза, й-фруктоза и й-глюкозамин. У грамположительных бактерий набор переносимых веществ шире: сюда относятся также пентозы, сахароза, тре-галоза, лактоза, глицерин. При этом лактоза и фруктоза фосфорилируются по С,, остальные вещества -по концевому углероду [2].
Еще одним чувствительным к действию наночастиц звеном могут быть особенности метаболизма микроорганизмов, различающиеся по источникам углерода - авто-/гетеротрофность (усваивание органических углерод содержащих соединений, аминокислот, органических кислот и др.), по источникам энергии и электронов - фото-/хемотрофность.
Известно, что микроорганизмы, получающие энергию за счет окислительно-восстановительных реакций, использующие органические соединения как доноры электронов и источник углерода, играют ведущую роль в патологии человека [3]. Патоген-ность и условная патогенность микроорганизмов
для человека сопряжена с ауксотрофностью - неспособностью самостоятельно синтезировать углеводы, аминокислоты и другие факторы роста (пурины, пи-римидины, липиды, витамины, железопорфирины и др.), эволюционной приспособленностью получать их в готовом виде из окружающей среды или организма хозяина.
Часть питательных веществ (вода, кислород, оксид углерода, азот) транспортируется в клетку без энергетических затрат путем пассивной диффузии по градиенту концентрации или путем облегченной диффузии при участии мембранных белков-транслоказ. Активный (энергозатратный) транспорт обеспечивает поступление веществ внутрь клетки против градиента концентрации при участии специализированных белков-пермеаз или мембранных белков-транслоказ и фосфорилировании переносимой молекулы. Один из наиболее распространенных механизмов транспорта компонентов питательной среды в клетку осуществляет бактериальная фосфоенолпируват- фосфотранспортная система (ФТС). В результате ее функционирования осуществляется селективный транспорт глюкозы, фруктозы и других углеводов в фосфорилированной форме и накопление в цитоплазме высоких концентраций сахарофосфатов. Кроме того, она осуществляет многочисленные регулирующие функции, связанные с обменом углерода, азота и фосфатов, влияет на хемотаксис, транспорт калия и вирулентность некоторых патогенных микроорганизмов [15]. Для этих различных регуляторных процессов передача сигнала зависит от фосфорилирования компонентов ФТС, которая изменяется в зависимости от наличия субстратов ФТС и метаболического состояния клетки. ФТС-опосредованные механизмы регулирования основаны либо на прямом фосфорилировании белка-мишени или на зависящих от фосфорилирования белок-белковых взаимодействиях.
Известно, что церий обладает химическими свойствами, близкими к кальцию, в частности по способности образовывать фосфат-содержащие соединения [7]. Этим можно объяснить, что НДЦ при связывании с фосфат анионами изменяют каталитические свойства [35]. Ы et а1. показал, что динамика адсорбции фосфата на оксиде церия отвечает классической модели и может быть описана кинетическим уравнением второго порядка [24]. Недавно показано, что НДЦ может участвовать в фосфат-связанных процессах и проявлять фосфатазную активность [22]. Именно фосфатазо-подобные свойства НДЦ позволяют по-новому оценивать и прогнозировать биологическую активность наночастиц [7,14].
Учитывая ключевую роль фосфата в транспорте питательных веществ, а также в регуляции метаболизма бактериальной клетки, можно утверждать, что НДЦ участвуют в фосфат-зависимых клеточных метаболических процессах [41]. То есть, антибактериальные эффекты НДЦ связаны c угнетением ими активности ФТС бактерий. Такое утверждение находит подтверждение в выявленной корреляции между антибактериальной активностью НДЦ и вкладом ФТС в транспорт сахаров у различных групп микроорганизмов. Ранее мы писали, что НДЦ высокоэффективны против S. aureus, тогда как их антибактериальное действие против E. coli не столь однозначно [5]. С другой стороны, ФТС у S. aureus обеспечивает транспорт всех сахаров, тогда как у E. coli - лишь некоторых, таких, как глюкоза [27]. То есть, максимальный антибактериальный эффект НДЦ наблюдается для бактерий, в которых механизм транспорта сахаров при участии ФТС играет ключевую роль.
Вероятно, что и пробиотические свойства НДЦ можно интерпретировать исходя из активности ФТС у различных групп микроорганизмов: эти системы характерны для облигатных и факультативных анаэробов и отсутствуют у аэробных бактерий [27].
Для одних бактерий - преимущественно патогенных, использующих органические соединения как доноры электронов и источник углерода, неспособных самостоятельно синтезировать углеводы, аминокислоты и другие факторы роста, - НДЦ оказывается токсичным, поскольку влияет на системы транспорта (в частности, ФТС) питательных веществ. Для других - самостоятельно синтезирующих углеводы, живущих преимущественно в аэробных условиях, наночастицы, снижающие токсические эффекты образующихся в таких условиях роста АФК, оказывает пробиотическое действие. Такой подход, исходящий из понимания механизмов действия НДЦ на бактериальную клетку, позволяет предвидеть их эффекты: на какие физиологические группы микроорганизмов наночастицы могут оказывать пробиотическое действие, а на какие - антибактериальное.
Обобщая, следует отметить, что результат взаимодействия НДЦ с микроорганизмами зависит от физико-химических свойств собственно частиц и реализуется через ответ бактериальной клетки, обусловленный целым комплексом каскадных реакций, зависящих от наличия или отсутствия внешней мембраны (гра м по л ожител ьн ые/гра м отр и цател ьн ы е бактерии), особенностей транспорта питательных веществ внутрь клетки (роль фосфотрансферазной системы), особенностей внутриклеточного метаболизма (гиперпродукция перекисей) и генной активности.
Литература
1. Бабенко Л.П. Вплив наночастинок дюксиду цер^ на рiзнi фiзiологiчнi групи мiкроорганiзмiв / Л.П. Бабенко, Л.А. Данкевич,
Н.М. Жолобак [та ш.] // Наук. записки Терноп. нац. пед. ун-ту. Сер. Бюл. - 2014. - № 3. - С. 45-51.
2. Болдырев А.А. Биохимия мембран / Под ред. А.А. Болдырева. Кн. 1. Введение в биохимию мембран. - М.: Высш. школа. -
1986. - 112 с.
3. Борисов Л.Б. Медицинская микробиология, вирусология, иммунология. Гл. 4. Физиология и биохимия микроорганизмов
(бактерий) / Л.Б. Борисов. - М.: ООО «МИА» - 2005. - С. 46-67.
4. Грецкий И.А. Photobacterium phosphoreum - объект для изучения биологических эффектов наночастиц диоксида церия /
И.А. Грецкий, Н.М. Жолобак, А.Б. Щербаков [и др.] // Живые и биокосные системы. - 2016. - 15 (электронный ресурс -в печати).
5. Жолобак Н.М. Антибактерiальнi ефекти колоУдного (нанорозмiрного) дюксиду цер^ / Н.М. Жолобак // Вюник проблем
бюлогп i медицини. - 2015. - Вип. 3, Том 2 (123). - С. 23-28.
6. Жолобак Н.М. Ефективнють застосування наночастинок колощного цер^ та L. bulgaricus у мишей / Н.М. Жолобак, Т.К. Жу-
равська, 1.1. Качмарська [та ш.] // Матерiали конф. «Довкшля та здоров'я», 14-16 кв^ня 2009, ТернопУль. - С. 32.
7. Иванов В.К. Нанокристаллический диоксид церия: свойства, получение, применение / В.К. Иванов, А.Б. Щербаков, А.Е. Ба-
ранчиков, В.В. Козик. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2013. - 287 с.
8. Лущак В.1. Оксидативний стрес у мiкроорганiзмiв / В.1.Лущак // XII з'Узд товариства мiкробiологiв УкраУни iм. С.М. Вино-
градського, 25-30 травня 2009 р., Ужгород. Тези доп. - Ужгород : Патент, 2009. - С. 17.
9. Щербаков А.Б. Нанокристаллический диоксид церия: перспективный материал для биомедицинского применения / А.Б. Щербаков, В.К. Иванов, Н.М. Жолобак [и др.] // Биофизика. - 2011. - Т. 56 (6). Р. 995-1015.
10. Archibald F.S. Manganese, superoxide dismutase, and oxygen tolerance in some lactic acid bacteria / F.S. Archibald, I. Fridovich // J. Bacteriol. - 1981. - Vol. 146, № 3. - P. 928-936.
11. Babenko L.P. Antibacterial activity of cerium colloids against opportunistic microorganisms in vitro / L.P. Babenko, N.M. Zholobak, A.B. Shcherbakov [et al.] // Мкробюл. журн. - 2012. - 74 (3). - Р. 54-62.
12. Babu K.S. Cytotoxicity and antibacterial activity of gold-supported cerium oxide nanoparticles / K.S. Babu, M. Anandkumar, T.Y Tsai [et al.] // Int. J. Nanomedicine. - 2014. - Vol. 9. - P. 5515-5531.
13. Beliaev A.S. Global transcriptome analysis of Shewanella oneidensis MR-1 exposed to different terminal electron acceptors / A.S. Beliaev, D.M. Klingeman, J.A. Klappenbach [et al.] // J. Bacteriol. - 2005. - Vol. 187. - P. 7138-7145.
14. Celardo I. Pharmacological potential of cerium oxide nanoparticles / I. Celardo, J.Z. Pedersen, E. Traversa [et al.] // Nanoscale. -2011. - Vol. 3 (4). - P. 1411-1420.
15. Deutscher J. The bacterial phosphoenolpyruvate: carbohydrate phosphotransferase system: regulation by protein phosphorylation and phosphorylation-dependent protein-protein interactions / J. Deutscher, F.M.D. Ak^ M. Derkaoui [et al.] // MMBR. - 2014. -Vol. 78 (2). - P. 231-256.
16. Garcia-Saucedo C. Low toxicity of CeO2 NP to the yeast Saccharomices cerevisiae / C. Garcia-Saucedo // J. of Hazardous Materials. - 2011. - Vol. 192. - P. 1572-1579.
17. Gupta R.S. What are archaebacteria: life's third domain or monoderm prokaryotes related to Gram-positive bacteria? A new proposal for the classification of prokaryotic organisms / R.S. Gupta // Molecular Microbiology. - 1998. - Vol. 29 (3). - P. 695-707.
18. Gupta R.S. Protein phylogenies and signature sequences: A reappraisal of evolutionary relationships among archaebacteria, eu-bacteria and eukaryotes / R.S. Gupta // Microbiol. Mol. Biol. Rev. - 1998. - Vol. 62. - P. 1435-1491.
19. http://en.wikipedia.org/wiki/Pseudomonas#Use_as_bioremediation_agents
20. Ivanov V.K. Synthesis and thermal stability of nanocrystalline ceria sols stabilized by citric and polyacrylic acids / V.K. Ivanov, J.S. Polezhaeva, A.S. Shaporev [et al.] // Rus. J. Inorg. Chem. - 2010. - 55. Р. 328.
21. Kroth Т. Einfluss von Seltenen Erden auf die scheinbare Verdaulichkeit der Rohnдhrstoffe bei wachsenden Ratten / Т. Kroth. -Inaugural-Dissertation zur Erlangung der tiermedizinischen Doktorwt.rde der Tierarztlichen Fakultät der Ludwig-Maximilians-Uni-versitat Mhnchen, 2011. - 97 р.
22. Kuchma M.H. Phosphate ester hydrolysis of biologically relevant molecules by cerium oxide nanoparticles / M.H. Kuchma, C.B. Ko-manski, J. Colon [et al.] // Nanomedicine: Nanotech. Biol. Med. - 2010. - Vol. 6. - P. 738-744.
23. Lal P. Exopolysaccharide analysis of biofilm-forming Candida albicans / P. Lal, D. Sharma, P. Pruthi [et al.] // Journal of applied microbiology. - 2010. - Vol. 109 (1). - P. 128-136.
24. Li B. Adsorption kinetics of phosphate on ceria-based adsorbent / B. Li, H.B. Wang, Y Yuan // Advanced Materials Research. -2013. - Vols. 726-731. - P. 1668-1672.
25. Marty-Teysset C. Increased production of hydrogen peroxide by Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus upon aeration: Involvement of an NADH oxidase in oxidative stress / C. Marty-Teysset, F. de la Torre, J.R. Garel // Appl. Environ. Microbiol. - 2000. -Vol. 66, № 1. - P. 262-267.
26. Najam-ul-Haqa M. Versatile nanocomposites in phosphoproteomics: A review / M. Najam-ul-Haqa, F. Jabeena, D. Hussaina [et al.] // Analytica Chimica Acta. - 2012. - Vol. 747. - P. 7-18.
27. Nicholls D.G. Bioenergetics: An Introduction to the Chemiosmotic Theory / D.G. Nicholls. - Acad. Press: London, New York, Paris, 1982. - 190 р.
28. Rameech N.McC. Inhibition of Nanoceria's Catalytic Activity due to Ce3+ Site-Specific Interaction with Phosphate Ions / N.McC. Rameech, P. Mendez, S. Barkam [et al.] // J. Phys. Chem. C. - 2014. - Vol. 118 (33). - P. 18992-19006.
29. Rose J. Interactions between manufactured nanoparticles and individual cells / J. Rose, M. Auffan, O. Zeyons [et al.] // Geochimica et Cosmochimica Acta Suppl. Goldschmidt Conference Abstracts. - 2006. - V. 70. - Р. 539.
30. Santos C.L. Nanomaterials with Antimicrobial Properties: Applications in Health Sciences / C.L. Santos, A.J.R. Albuquerque, F.C. Sampaio [et al.] // In: Microbial pathogens and strategies for combating them: science, technology and education. Publisher: Formatex Research Center. Editor: A. Mendez-Vilas. - 2013. - Vol. 1. - P. 143-154.
31. Shcherbakov A.B. Advances and prospects of using nanocrystalline ceria in cancer theranostics / A.B. Shcherbakov, N.M. Zholobak, N.Ya. Spivak & V.K. Ivanov // Russian Journal of Inorganic Chemistry. - 12/2014, 59 (13). - Р. 1556-1575.
32. Shcherbakov A.B. Advances and prospects of using nanocrystalline ceria in prolongation of lifespan and healthy aging / A.B. Shcherbakov, N.M. Zholobak, N.Ya. Spivak & V.K. Ivanov // Russian Journal of Inorganic Chemistry. - 12/2015, 60 (13). -Р. 1595-1625.
33. Shcherbakov A.B. Cerium fluoride nanoparticles protect cells against oxidative stress / A.B. Shcherbakov, N.M. Zholobak, A.E. Ba-ranchikov [et al.] // Materials Science and Engineering C. - 2015. - Vol. 50. - P. 151-159.
34. Shcherbakov A.B. Nanocrystalline ceria based materials - Perspectives for biomedical application / A.B. Shcherbakov, V.K. Ivanov, N.M. Zholobak [et al.] // Biophysics. - 2011. - Vol. 56, Iss. 6. - P. 987-1004.
35. Singh S. A phosphate-dependent shift in redox state of cerium oxide nanoparticles and its effects on catalytic properties / S. Singh, T. Dosani, A.S. Karakoti [et al.] // Biomaterials. - 2011. - Vol. 32 (28). - P. 6745-6753.
36. Sobek J.M. Effects of the rare earth cerium on Escherichia coli / J.M. Sobek, D.E. Talburt // J. Bacteriol. - 1968. - 95 (1). - Р. 47-51.
37. Sung W.-T. Transformation and fate of nanoscale ZnO, Ag, and CeO2 in different aquatic environments / W.-T. Sung. - Dept. Environmental Engineering, 2012 - 115 p.
38. Zeyons O. Direct and indirect CeO2 nanoparticles toxicity for Escherichia coli and Synechocystis / O. Zeyons, A. Thill, F. Chauvat F. [et al.] // Nanotoxicology. - 2009. - Vol. 3 (4). - P. 284-295.
39. Zholobak N.M. Antiviral effectivity of ceria colloid solutions / N.M. Zholobak, A.B. Shcherbakov, V.K. Ivanov [et al.] // Antiviral Research, Twenty-Fourth International Conference on Antiviral Research, Sofia, Bulgaria, May 2011. - V. 90, Iss. 2. - P. A67.
40. Zholobak N.M. Direct monitoring of the interaction between ROS and cerium dioxide nanoparticles in living cells / N.M. Zholobak, A.B. Shcherbakov, E.O. Vitukova [et al.] // Royal Society of Chemistry Adv. - 2014. - № 4. - P. 51703-51710.
41. Zholobak N.M. Interaction of nanoceria with microorganisms / N. Zholobak, V. Ivanov, A. Scherbakov // In book: Nanobiomaterials in Antimicrobial Therapy, Chapter: 12, Publisher: Elsevier. - P. 419-450.
42. Zholobak N.M. Panthenol-stabilized cerium dioxide nanoparticles for cosmeceutic formulations against ROS-induced and UV-induced damage / N.M. Zholobak, A.B. Sherbakov, O.S. Bogorad-Kobelska [et al.] // Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. - 2014. - V. 130. - P. 102-108.
43. Zholobak N.M. UV-shielding property, photocatalytic activity and photocytotoxicity of ceria colloid solutions / N.M. Zholobak, V.K. Ivanov, A.B. Shcherbakov [et al.] // J. Photochem. Photobiol. B. - 2011. - V. 102. - P. 32-38.
УДК 546.655.3-4+544.773:615.281.9
ДО ПИТАННЯ ПРО МЕХАН1ЗМ АНТИБАКТЕР1АЛЬНО'|' I ПРОБЮТИЧНОТ ДМ КОЛОТДНОГО (НАНОРОЗ-М1РНОГО) Д1ОКСИДУ ЦЕР1Ю
Жолобак Н. М.
Резюме. В статт розглянуто сучасн дан щодо пробютично! дм нанокристалiчного дюксиду церю Проана-лiзовано мехаызми взаемоди наночастинок з бактерiальною кттиною, як зумовлюють реалiзацiю пробютично! чи антибактерiальноI дм. Зроблено висновок, що результат взаемоди НДЦ з мiкроорганiзмами залежить вщ фiзико-хiмiчних властивостей власне частинок i реалiзуеться через вщповщь бактерiальноI кгмтини, зумовлену комплексом каскадних реакцм, пов'язаних iз наявнютю чи вщсутнютю зовншньо! мембрани (грампозитивы/ грамнегативн бактерп), особливостями транспорту поживних речовин всередину клмтини (роль фосфотранс-феразно! системи), особливостями внутршньоклггинного метаболiзму (гiперпродукцiя перекисiв) i генно! ак-тивностi. Аналiз комплексу вказаних властивостей дозволяе передбачати результат взаемоди наночастинок i мiкроорганiзму.
Ключовi слова: наночастинки дiоксиду церiю, пробiотична дiя, антибактерiальна дiя, фосфотрансфераз-на система, мехаызм дi!.
УДК 546.655.3-4+544.773:615.281.9
К ВОПРОСУ О МЕХАНИЗМЕ АНТИБАКТЕРИАЛЬНОГО И ПРОБИОТИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ КОЛЛОИДНОГО (НАНОРАЗМЕРНОГО) ДИОКСИДА ЦЕРИЯ
Жолобак Н. М.
Резюме. В статье рассмотрены современные данные о пробиотическом действии нанокристаллического диоксида церия. Проанализированы механизмы взаимодействия наночастиц с бактериальной клеткой, обуславливающие реализацию их пробиотического или антибактериального действия. Сделаны выводы, что результат взаимодействия НДЦ с микроорганизмами зависит от физико-химических свойств собственно частиц и реализуется через ответ бактериальной клетки, обусловленный целым комплексом каскадных реакций, зависящих от наличия или отсутствия внешней мембраны (грамположительные/грамотрицательные бактерии), особенностей транспорта питательных веществ внутрь клетки (роль фосфотрансферазной системы), особенностей внутриклеточного метаболизма (гиперпродукция перекисей) и генной активности. Исходя из анализа комплекса указанных свойств можно предвидеть результат взаимодействия наночастиц и микроорганизма.
Ключевые слова: наночастицы диоксида церия, пробиотическое действие, антибактериальное действие, фосфотрансферазная система, механизм действия.
UDC 546.655.3-4+544.773:615.281.9
ON THE MECHANISMS OF ANTIBACTERIAL AND PROBIOTIC EFFECT OF COLLOIDAL (NANO-SIZED) CERIUM DIOXIDE
Zholobak N. М.
Abstract. In this paper, we summarize the current data on biosecurity of nanocrystalline cerium dioxide (CeO2 NP) for environmental microorganisms, and on the probiotic effect of CeO2 NP We analyze the possible ways of the interaction of nanoparticles with the bacterial cell, which provide the means of their probiotic and antibacterial action.
The analysis of the probiotic and antibacterial action of CeO2 NP shows that gram-positive microorganisms are more susceptible to nanoparticles than gram-negative. It is related to different permeability and other functions of the bacterial wall of these two groups of microorganisms.
The phosphoenolpyruvate: carbohydrate phosphotransferase system (PTS) plays a major role in the transportation of nutrients through the membrane. It provides selective transportation for glucose, fructose, and other carbohydrates in phosphorized form. PTS is one of the first systems of the cell that react on the contact with CeO2 NP I. e., CeO2 NP can actively change the processes of the nutrients transportation.
We concluded that the way CeO2 NP influence the metabolism of microorganisms depends on the ways they receive carbon and energy: auto/heterotrophs, photo/chemotrophs. These properties are mostly defined by the PTS of the bacteria, which serves as a regulator of the processes of consumption of carbon, nitrogen, and phosphates, influences chemotaxis, potassium transportation, and virulence of some pathogenic microorganisms.
Signal transmission in the described regulatory processes depends on the phosphorylation of PTS components. It depends, in turn, on the substrates availability. Consequently, the selectivity of CeO2 NP's action on pathogenic and semi-pathogenic microorganisms can be easily explained. The microorganism's quality of being pathogenic or semi-pathogenic to human is linked to auxotrophy - inability to synthesize carbohydrates, amino acids, and other grow factors (purines, pyrimidines, lipids, vitamins, ferroporphyrins, etc.), evolutional adaptation to receiving it from the environment or the host organism.
Cerium has chemical values that resemble calcium. E.g., the ability to make phosphate-containing compounds. Thus, CeO2 NP can change the catalytic properties of phosphate anions when binding with them. Moreover, the dynamic of adsorption of phosphate on cerium oxide accorded with the classical model and can be described by the second-order kinetic equation. It means that CeO2 NP can affect the phosphate-mediated and phosphate-related metabolic intracellular processes, and can demonstrate the phosphatase activity.
We found a correlation between the antibacterial action of CeO2 NP and the role of PTS in the sugars transportation for different groups of microorganisms. This correlation supports the idea that antibacterial effects of CeO2 NP depend on inhibition of bacteria's PTS. Indeed, the maximal antibacterial effect of CeO2 NP is found for bacterias, for which PTS plays the key role in the sugars transportation.
On the other hand, the probiotic effect of CeO2 NP can also be predicted basing on the activity of PTS in different groups of microorganisms. This system is typical for obligate and facultative anaerobes and is absent for aerobic bacteria. For bacteria that can synthesize sugars, and which live in aerobic condition, the nanoparticles have probiotic action by reducing the toxic effect of ROS that are actively produced in these conditions.
Summarizing, we found out that the result of the interaction between CeO2 NP and microorganisms depends on physicochemical properties of the nanoparticles, and it is realized through the response of the bacterial cell. This response is influenced by the complex of cascade reactions that depends on the presence or absence of the outer membrane (gram-positive/negative bacteria), the features of the nutrients transportation system (the role of phosphotransferase system), the characteristics of the intracellular metabolism (hyperproduction of peroxides), and genetic activity. Basing on the mentioned properties, it is possible to predict the result of the interaction between the CeO2 NP and a microorganism.
Keywords: cerium dioxide nanoparticles (CeO2 NP), probiotic effect, antibacterial effect, phosphotransferase system, the mechanism of the action.
Рецензент - проф. Лобань Г. А.
Стаття надшшла 23.02.2016 року
