БИОХИМИЯ, 2019, том 84, вып. 5, с. 668–681
УДК 579.22
Полисахарид галактан подавляет образование биопленок Pseudomonas aeruginosa, но защищает сформированные биопленки от действия антибиотиков*,**
1 Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России, 123098 Москва, Россия; электронная почта: grishin-a1@yandex.ru, akaryagina@gmail.com
2 Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии, 127550 Москва, Россия
3 НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119991 Москва, Россия
Поступила в редакцию 09.10.2018
После доработки 21.01.2019
Принята к публикации 28.01.2019
DOI: 10.1134/S0320972519050051
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: биопленки, галактан, Pseudomonas aeruginosa, полисахарид, антибиотики, устойчивость.
Аннотация
Существуя в форме биопленок, микроорганизмы приобретают повышенную устойчивость к антибиотикам и другим неблагоприятным воздействиям. В связи с этим формирование биопленок патогенными бактериями представляет собой актуальную проблему здравоохранения. Одним из перспективных подходов для борьбы с бактериальными биопленками является использование полисахаридов, подавляющих их образование. Ранее нами была продемонстрирована способность полисахарида картофеля галактана ингибировать образование биопленок клиническим изолятом Pseudomonas aeruginosa. В данной работе более подробно исследовано действие галактана картофеля на биопленки, образуемые P. aeruginosa. Микроскопический анализ указывает на то, что галактан не препятствует адгезии бактериальных клеток к субстрату, но предотвращает дальнейшее накопление бактериальной биомассы. Кроме того, галактан способен не только ингибировать образование биопленок, но также может частично разрушать сформированные биопленки. Предположительно, действие галактана обусловлено излишней агрегацией бактериальных клеток, препятствующей формированию и поддержанию нормальной архитектуры биопленки, либо каким-то иным механизмом ремодуляции структуры биопленок, что приводит к неожиданному эффекту: после применения к сформированным биопленкам P. aeruginosa антибиотиков совместно с галактаном количество жизнеспособных бактерий в биопленках оказывается выше по сравнению с применением только антибиотиков. Галактан является первым полисахаридом, продемонстрировавшим подобный эффект в отношении бактериальных биопленок.
Текст статьи
Сноски
* Первоначально английский вариант рукописи опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow) http://protein.bio.msu.ru/biokhimiya, в рубрике «Papers in Press», BM18-282, 25.03.2019.
** Приложение к статье на английском языке опубликовано на сайте журнала «Biochemistry» (Moscow) и на сайте издательства Springer (link.springer.com), том 84, вып. 5, 2019.
*** Адресат для корреспонденции.
Финансирование
Работа выполнена в рамках государственного задания Минздрава России (НИОКР № 115030470038).
Благодарности
Авторы выражают благодарность И.Г. Тигановой за штамм P. aeruginosa PAO1, О.Ю. Добрыниной за изолят P. aeruginosa 216, а также Ю.М. Романовой, любезно предоставившей красители LIVE/DEAD.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в финансовой или в какой-либо иной сфере.
Соблюдение этических норм
Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или использованием животных в качестве объектов исследований.
Список литературы
1. Hall-Stoodley, L., Costerton, J.W., and Stoodley, P. (2004) Bacterial biofilms: from the natural environment to infectious diseases, Nat. Rev. Microbiol., 2, 95–108, doi: 10.1038/nrmicro821.
2. Hall-Stoodley, L., and Stoodley, P. (2009) Evolving concepts in biofilm infections, Cell Microbiol., 11, 1034–1043, doi: 10.1111/j.1462-5822.2009.01323.x.
3. Hoiby, N., Bjarnsholt, T., Givskov, M., Molin, S., and Ciofu, O. (2010) Antibiotic resistance of bacterial biofilms, Int. J. Antimicrob. Agents, 35, 322–332, doi: 10.1016/j.ijantimicag.2009.12.011.
4. Jensen, P.O., Givskov, M., Bjarnsholt, T., and Moser, C. (2010) The immune system vs. Pseudomonas aeruginosa biofilms, FEMS Immunol. Med. Microbiol., 59, 292–305, doi: 10.1111/j.1574-695X.2010.00706.x.
5. Mah, T-F. (2010) Biofilm-specific antibiotic resistance, Future Microbiol., 7, 1061–1072, doi: 10.2217/fmb.12.76.
6. Costerton, J.W. (1999) Bacterial biofilms: a common cause of persistent infections, Science, 284, 1318–1322, doi: 10.1126/science.284.5418.1318.
7. Valle, J., Da Re, S., Henry, N., Fontaine, T., Balestrino, D., Latour-Lambert, P., and Ghigo, J-M. (2006) Broad-spectrum biofilm inhibition by a secreted bacterial polysaccharide, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 103, 12558–12563, doi: 10.1073/pnas.0605399103.
8. Jiang, P., Li, J., Han, F., Duan, G., Lu, X., Gu, Y., and Yu, W. (2011) Antibiofilm activity of an exopolysaccharide from marine bacterium Vibrio sp. QY101, PLoS One, 6, e18514, doi: 10.1371/journal.pone.0018514.
9. Kanmani, P., Satish Kumar, R., Yuvaraj, N., Paari, K.A., Pattukumar, V., and Arul, V. (2011) Production and purification of a novel exopolysaccharide from lactic acid bacterium Streptococcus phocae PI80 and its functional characteristics activity in vitro, Bioresour. Technol., 102, 4827–4833, doi: 10.1016/j.biortech.2010.12.118.
10. Sayem, S.M.A., Manzo, E., Ciavatta, L., Tramice, A., Cordone, A., Zanfardino, A., De Felice, M., and Varcamonti, M. (2011) Anti-biofilm activity of an exopolysaccharide from a sponge-associated strain of Bacillus licheniformis, Microb. Cell. Fact., 10, 74, doi: 10.1186/1475-2859-10-74.
11. Spano, A., Lagana, P., Visalli, G., Maugeri, T.L., and Gugliandolo, C. (2016) In vitro antibiofilm activity of an exopolysaccharide from the marine thermophilic Bacillus licheniformis T14, Curr. Microbiol., 72, 518–528, doi: 10.1007/s00284-015-0981-9.
12. Wu, S., Liu, G., Jin, W., Xiu, P., and Sun, C. (2016) Antibiofilm and anti-infection of a marine bacterial exopolysaccharide against Pseudomonas aeruginosa, Front. Microbiol., 7, 102, doi: 10.3389/fmicb.2016.00102.
13. Brian-Jaisson, F., Molmeret, M., Fahs, A., Guentas-Dombrowsky, L., Culioli, G., Blache, Y., Cerantola, S., and Ortalo-Magne, A. (2016) Characterization and antibiofilm activity of extracellular polymeric substances produced by the marine biofilm-forming bacterium Pseudoalteromonas ulvae strain TC14, Biofouling, 32, 547–560, doi: 10.1080/08927014.2016.1164845.
14. Papa, R., Parrilli, E., Sannino, F., Barbato, G., Tutino, M.L., Artini, M., and Selan, L. (2013) Anti-biofilm activity of the Antarctic marine bacterium Pseudoalteromonas haloplanktis TAC125, Res. Microbiol., 164, 450–456, doi: 10.1016/j.resmic.2013.01.010.
15. Kanmani, P., Suganya, K., Satish Kumar, R., Yuvaraj, N., Pattukumar, V., Paari, K.A., and Arul, V. (2013) Synthesis and functional characterization of antibiofilm exopolysaccharide produced by enterococcus faecium MC13 isolated from the gut of fish, Appl. Biochem. Biotechnol., 169, 1001–1015, doi: 10.1007/s12010-012-0074-1.
16. Kavita, K., Singh, V.K., Mishra, A., and Jha, B. (2014) Characterisation and anti-biofilm activity of extracellular polymeric substances from Oceanobacillus iheyensis, Carbohydr. Polym., 101, 29–35, doi: 10.1016/j.carbpol.2013.08.099.
17. Li, Y., Li, Q., Hao, D., Jiang, D., Luo, Y., Liu, Y., and Zhao, Z. (2015) Production, purification, and antibiofilm activity of a novel exopolysaccharide from Arthrobacter sp. B4, Prep. Biochem. Biotechnol., 45, 192–204, doi: 10.1080/10826068.2014.907180.
18. Pradeepa, Shetty, A.D., Matthews, K., Hegde, A.R., Akshatha, B., Mathias, A.B., Mutalik, S., and Vidya, S.M. (2016) Multidrug resistant pathogenic bacterial biofilm inhibition by Lactobacillus plantarum exopolysaccharide, Bioact. Carbohydrates. Diet. Fibre, 8, 7–14, doi: 10.1016/j.bcdf.2016.06.002.
19. Rendueles, O., Travier, L., and Latour-Lambert, P. (2011) Screening of Escherichia coli species biodiversity reveals new biofilm-associated antiadhesion polysaccharide, MBio, 2, e00043-11, doi: 10.1128/mBio.00043-11.
20. Bendaoud, M., Vinogradov, E., Balashova, N.V., Kadouri, D.E., Kachlany, S.C., and Kaplan, J.B. (2011) Broad-spectrum biofilm inhibition by Kingella kingae exopolysaccharide, J. Bacteriol., 193, 3879–3886, doi: 10.1128/JB.00311-11.
21. Dos Santos Goncalves, M., Delattre, C., Balestrino, D., Charbonnel, N., Elboutachfaiti, R., Wadouachi, A., Badel, S., Bernardi, T., Michaud, P., and Forestier, C. (2014) Anti-biofilm activity: a function of Klebsiella pneumoniae capsular polysaccharide, PLoS One, 9, e99995, doi: 10.1371/journal.pone.0099995.
22. Grishin, A., Karyagina, A.S., Tiganova, I.G., Dobrynina, O.Y., Bolshakova, T.N., Boksha, I.S., Alexeyeva, N.V., Stepanova, T.V., Lunin, V.G., Chuchalin, A.G., and Ginzburg, A.L. (2013) Inhibition of Pseudomonas aeruginosa biofilm formation by LecA-binding polysaccharides, Int. J. Antimicrob. Agents, 42, 471–472, doi: 10.1016/j.ijantimicag.2013.07.003.
23. Vazquez-Rodriguez, A., Vasto-Anzaldo, X.G., Barboza Perez, D., Vazquez-Garza, E., Chapoy-Villanueva, H., Garcia-Rivas, G., Garza-Cervantes, J., Gomez-Lugo, J.J., Gomez-Loredo, A.E., Gonzalez, M.T.G., Zarate, X., and Morones-Ramirez, J.R. (2018) Microbial competition of Rhodotorula mucilaginosa UANL-001L and E. coli increase biosynthesis of non-toxic exopolysaccharide with applications as a wide-spectrum antimicrobial, Sci. Rep., 8, 798, doi: 10.1038/s41598-017-17908-8.
24. Doghri, I., Lavaud, J., Dufour, A., Bazire, A., Lanneluc, I., and Sable, S. (2017) Cell-bound exopolysaccharides from an axenic culture of the intertidal mudflat Navicula phyllepta diatom affect biofilm formation by benthic bacteria, J. Appl. Phycol., 29, 165–177, doi: 10.1007/s10811-016-0943-z.
25. Bernal, P., and Llamas, M.A. (2012) Promising biotechnological applications of antibiofilm exopolysaccharides, Microb. Biotechnol., 5, 670–673, doi: 10.1111/j.1751-7915.2012.00359.x.
26. Rendueles, O., Kaplan, J.B., and Ghigo, J.-M. (2013) Antibiofilm polysaccharides, Environ. Microbiol., 15, 334–346, doi: 10.1111/j.1462-2920.2012.02810.x.
27. Kim, Y., Oh, S., and Kim, S.H. (2009) Released exopolysaccharide (r-EPS) produced from probiotic bacteria reduce biofilm formation of enterohemorrhagic Escherichia coli O157:H7, Biochem. Biophys. Res. Commun., 379, 324–329, doi: 10.1016/j.bbrc.2008.12.053.
28. Karwacki, M.T., Kadouri, D.E., Bendaoud, M., Izano, E.A., Sampathkumar, V., Inzana, T.J., and Kaplan, J.B. (2013) Antibiofilm activity of Actinobacillus pleuropneumoniae serotype 5 capsular polysaccharide, PLoS One, 8, e63844, doi: 10.1371/journal.pone.0063844.
29. O’Toole, G.A. (2011) Microtiter dish biofilm formation assay, J. Vis. Exp., 47, 2437, doi: 10.3791/2437.
30. Mah, T.-F. (2014) Establishing the minimal bactericidal concentration of an antimicrobial agent for planktonic cells (MBC-P) and biofilm cells (MBC-B), J. Vis. Exp., 83, e50854, doi: 10.3791/50854.
31. Schindelin, J., Arganda-Carreras, I., Frise, E., Kaynig, V., Longair, M., Pietzsch, T., Preibisch, S., Rueden, C., Saalfeld, S., Schmid, B., Tinevez, J-Y., White, D.J., Hartenstein, V., Eliceiri, K., Tomancak, P., and Cardona, A. (2012) Fiji: an open-source platform for biological-image analysis, Nat. Meth., 9, 676–682, doi: 10.1038/nmeth.2019.
32. Hiramatsu, Y., Saito, M., Otsuka, N., Suzuki, E., Watanabe, M., Shibayama, K., and Kamachi, K. (2016) BipA is associated with preventing autoagglutination and promoting biofilm formation in Bordetella holmesii, PLoS One, 11, e0159999, doi: 10.1371/journal.pone.0159999.
33. Imberty, A., Wimmerova, M., Mitchell, E.P., and Gilboa- Garber, N. (2004) Structures of the lectins from Pseudomonas aeruginosa: insights into the molecular basis for host glycan recognition, Microbes. Infect., 6, 221–228, doi: 10.1016/j.micinf.2003.10.016.
34. Grishin, A.V., Krivozubov, M.S., Karyagina, A.S., and Gintsburg, A.L. (2015) Pseudomonas aeruginosa lectins as targets for novel antibacterials, Acta Naturae, 7, 29–41.
35. Titz, A. (2014) Carbohydrate-based anti-virulence compounds against chronic Pseudomonas aeruginosa infections with a focus on small molecules, in Carbohydrates as drugs. Topics in medicinal chemistry, vol. 12 (Seeberger, P., and Rademacher, C., eds), Springer, Chambridge, pp. 169–186, doi: 10.1007/7355_2014_44.
36. Boukerb, A.M., Rousset, A., Galanos, N., Mear, J-B., Thepaut, M., Grandjean, T., Gillon, E., Cecioni, S., Abderrahmen, C., Faure, K., Redelberger, D., Kipnis, E., Dessein, R., Havet, S., Darblade, B., Matthews, S.E., de Bentzmann, S., Guery, B., Cournoyer, B., Imberty, A., and Vidal, S. (2014) Antiadhesive properties of glycoclusters against Pseudomonas aeruginosa lung infection, J. Med. Chem., 57, 10275–10289, doi: 10.1021/jm500038p.
37. Beaudoin, T., Yau, Y.C.W., Stapleton, P.J., Gong, Y., Wang, P.W., Guttman, D.S., and Water, V. (2017) Staphylococcus aureus interaction with Pseudomonas aeruginosa biofilm enhances tobramycin resistance, NPJ Biofilms Microbiomes, 3, 25, doi: 10.1038/s41522-017-0035-0.
38. Armbruster, C.R., Wolter, D.J., Mishra, M., Hayden, H.S., Radey, M.C., Merrihew, G., Maccoss, M.J., Burns, J., Wozniak, D.J., Parsek, M.R., and Hoffman, L.R. (2016) Staphylococcus aureus protein A mediates interspecies interactions at the cell surface of Pseudomonas aeruginosa, MBio, 7, e00538-16, doi: 10.1128/mBio.00538-16.