Могут ли биолюминесцентные бактерии быть использованы для поиска новых антибактериальных веществ растительного происхождения?

Введение. В настоящее время поиск новых антибактериальных веществ является актуальной задачей из-за растущей устойчивости патогенов к существующим антибиотикам. Одним из ключевых направлений в этой области является расширение научных исследований лекарственного сырья растительного происхождения в качестве новых источников терапевтических средств. В данной работе изучается возможность применения для этих целей высокочувствительных бактериальных тест-обьектов, обладающих биолюминесценцией, которые позволяют быстро выявить неспецифическую антимикробную активность и могут быть адаптированы к технологиям высокопроизводительного фармацевтического скрининга.

Цель. Изучение применимости биолюминесцентных бактерий для анализа антибактериальной активности биологически активных веществ (БАВ) растительного происхождения.

Материалы и методы. В работе использовали биологически активные вещества кверцетин, 8-гидроксихинолин, галловую кислоту и тимохинон, которые часто встречаются в лекарственном растительном сырье и с которыми связывают его антибактериальные свойства. В качестве тест-обьектов использовали бактерии с конститутивной биолюминесценцией Aliivibrio fischeri F1 и Escherichia coli (pXen7), а также рекомбинантные биорепортерные штаммы с индуцибельным свечением: E. coli (pRecA-lux), E. coli (pColD-lux), реагирующие на повреждение нуклеиновых кислот; E. coli (pKatG-lux), E. coli (pSoxS-lux), чувствительные к окислительному стрессу.

Результаты и обсуждение. Установлено, что неспецифическая антимикробная активность исследуемых БАВ проявляется в ингибировании бактериальной биолюминесценции тест-штаммов с конститутивным свечением. Отмечено, что морские тест-бактерии A. fischeri F1 обладают значительно большей чувствительностью к действию БАВ растительного происхождения по сравнению с рекомбинантным штаммом E. coli (pXen7). Показано, что их ингибирующее действие начинается при концентрациях 2 мкг/мл, а бактерицидность наступает при концентрациях от 20 мкг/мл. Приводится сравнение полученных результатов с данными по МИК и МБК грамположительных и грамотрицательных патогенов. Изучение индукции биолюминесценции рекомбинантных биорепортерных штаммов показало, что антибактериальное действие исследуемых БАВ сопровождается окислительным стрессом. Также кверцетин вызывал активацию свечения E. coli (pRecA-lux) и E. coli (pColD-lux), что может свидетельствовать о его участии в повреждении нуклеиновых кислот. Анализ факторов индукции биорепортерных штаммов указывает на то, что выявленные механизмы антибактериальной активности не являются основными, а могут иметь второстепенный характер.

Заключение. Показано, что интенсивность свечения природных и рекомбинантных биолюминесцентных бактерий может быть показателем антибактериальной активности БАВ природного происхождения. Установлена высокая чувствительность бактерий A. fischeri F1 к действию таких веществ, как кверцетин, 8-гидроксихинолин, галловая кислота и тимохинон. Учитывая, что биолюминесцентный анализ является количественным инструментальным методом, он может быть легко адаптирован для проведения высокопроизводительного фармацевтического скрининга.

1. Durand G. A., Raoult D., Dubourg G. Antibiotic discovery: history, methods and perspectives. International Journal of Antimicrobial Agents. 2019;53(4):371–382. DOI: 10.1016/j.ijantimicag.2018.11.010.

2. Hemeg H. A., Moussa I. M., Ibrahim S., Dawoud T. M., Alhaji J. H., Mubarak A. S., Kabli S. A., Alsubki R. A., Tawfik A. M., Marouf S. A. Antimicrobial effect of different herbal plant extracts against different microbial population. Saudi Journal of Biological Sciences. 2020;27(12):3221–3227. DOI: 10.1016/j.sjbs.2020.08.015.

3. Porras G., Chassagne F., Lyles J. T., Marquez L., Dettweiler M., Salam A. M., Samarakoon T., Shabih S., Farrokhi D. R., Quave C. L. Ethnobotany and the Role of Plant Natural Products in Antibiotic Drug Discovery. Chemical Reviews. 2021;121(6):3495–3560. DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c00922.

4. Eloff J. N. Avoiding pitfalls in determining antimicrobial activity of plant extracts and publishing the results. BMC Complementary and Alternative Medicine. 2019;19(1):106. DOI: 10.1186/s12906-019-2519-3.

5. Bittner Fialová S., Rendeková K., Mučaji P., Nagy M., Slobodníková L. Antibacterial Activity of Medicinal Plants and Their Constituents in the Context of Skin and Wound Infections, Considering European Legislation and Folk Medicine–A Review. International Journal of Molecular Sciences. 2021;22(19):10746. DOI: 10.3390/ijms221910746.

6. Burdejova L., Tobolkova B., Polovka M., Neugebauerova J. Differentiation of Medicinal Plants According to Solvents, Processing, Origin, and Season by Means of Multivariate Analysis of Spectroscopic and Liquid Chromatography Data. Molecules. 2023;28:4075. DOI: 10.3390/molecules28104075.

7. Safronyuk S. L., Sharipov E. T., Katsev A. M. Identification of luminous bacteria isolated from the Black and th Azov seas. Aspirantskiy vestnik Povolzhiya. 2017;5-6:19–23. (In Russ.)

8. Burtseva Ye. V., Kuldyrkaeva E. V., Mekhonoshina I. S., Timasheva L. A., Pekhova O. A., Katsev A. M. Chemical composition and biological activity of Hyssopus officinalis L. hydrolates. Medical & pharmaceutical journal “Pulse”. 2023;25(3):25–34. (In Russ.) DOI: 10.26787/nydha-2686-6838-2023-25-3-25-34.

9. Antypenko O. M., Antypenko L. M., Kovalenko S. I., Katsev A. M., Achkasova O. M. Potential of N-aryl (benzyl,heteryl)-2-(tetrazolo[1,5-c]quinazolin-5-ylthio)acetamides as anticancer and antimicrobial agents. Arabian Journal of Chemistry. 2016;9(6):792–805. DOI: 10.1016/j.arabjc.2014.09.009.

10. Suppi S., Kasemets K., Ivask A., Künnis-Beres K., Sihtmäe M., Kurvet I., Aruoja V., Kahru A. A novel method for comparison of biocidal properties of nanomaterials to bacteria, yeasts and algae. Journal of Hazardous Materials. 2015;286(9):75–84. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2014.12.027.

11. Chugunova E., Boga C., Sazykin I., Cino S., Micheletti G., Mazzanti A., Sazykina M., Burilov A., Khmelevtsova L., Kostina N. Synthesis and antimicrobial activity of novel structural hybrids of benzofuroxan and benzothiazole derivatives. European Journal of Medicinal Chemistry. 2015;93:349–359. DOI: 10.1016/j.ejmech.2015.02.023.

12. Li Y., He X., Zhu W., Li H., Wang W. Bacterial bioluminescence assay for bioanalysis and bioimaging. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2022:414(1):75–83. DOI: 10.1007/s00216-021-03695-9.

13. Parvez S., Venkataraman C., Mukherji S. A review on advantages of implementing luminescence inhibition test (Vibrio fischeri) for acute toxicity prediction of chemicals. Environment International. 2006;32(2):265–268. DOI: 10.1016/j.envint.2005.08.022.

14. Kováts N., Ács A., Gölöncsér F., Barabás A. Quantifying of bactericide properties of medicinal plants. Plant Signaling & Behavior. 2011;6(6):777–779. DOI: 10.4161/psb.6.6.15356.

15. Salehi B., Machin L., Monzote L., Sharifi-Rad J., Ezzat S. M., Salem M. A., Merghany R. M., El Mahdy N. M, Kılıç C. S., Sytar O., Sharifi-Rad M., Sharopov F., Martins N., Martorell M., Cho W. C. Therapeutic Potential of Quercetin: New Insights and Perspectives for Human Health. ACS Omega. 2020;5(20):11849–11872. DOI: 10.1021/acsomega.0c01818.

16. Carrillo-Garmendia A., Madrigal-Perez L. A., Regalado-Gonzalez C. The multifaceted role of quercetin derived from its mitochondrial mechanism. Molecular and Cellular Biochemistry. 2023. DOI: 10.1007/s11010-023-04833-w.

17. Cherdtrakulkiat R., Lawung R., Nabu S., Tantimavanich S., Sinthupoom N., Prachayasittikul S., Prachayasittikul V. Nitroxoline: a potent antimicrobial agent against multidrug resistant Enterobacteriaceae. EXCLI Journal. 2019;18:445–453. DOI: 10.17179/excli2019-1378.

18. Borges A., Ferreira C., Saavedra M. J., Simões M. Antibacterial activity and mode of action of ferulic and gallic acids against pathogenic bacteria. Microbial Drug Resistance. 2013;19(4):256–265. DOI: 10.1089/mdr.2012.0244.

19. Goel S., Mishra P. Thymoquinone inhibits biofilm formation and has selective antibacterial activity due to ROS generation. Appl Microbiol Biotechnol. 2018;102(4):1955–1967. DOI: 10.1007/s00253-018-8736-8.

20. Niwa K., Kubota H., Enomoto T., Ichino Y., Ohmiya Y. Quantitative Analysis of Bioluminescence Optical Signal. Biosensors (Basel). 2023;13(2):223. DOI: 10.3390/bios13020223.