vavilovВавиловский журнал генетики и селекцииVavilov Journal of Genetics and Breeding2500-3259Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS10.18699/VJGB-22-56vavilov-3438Research ArticleМАТЕРИАЛЫ КОНФЕРЕНЦИИ «МЕХАНИЗМЫ АДАПТАЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ», ИРКУТСКВлияние биогенных полиаминов на скольжение микобактерий в присутствии антибиотиковEffect of biogenic polyamines on sliding motility of mycobacteria in the presence of antibioticshttps://orcid.org/0000-0002-5030-7997ЦыгановИ. В.TsyganovI. V.

Пермь

Perm

zamegagurrendan@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-8631-8583ТкаченкоА. Г.TkachenkoA. G.

Пермь

Perm

Институт экологии и генетики микроорганизмов Уральского отделения Российской академии наук – филиал Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения Российской академии наук; Пермский государственный национальный исследовательский университетРоссияInstitute of Ecology and Genetics of Microorganisms of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Perm State UniversityRussian Federation202203092022265458466Copyright © Цыганов И.В., Ткаченко А.Г., 20222022Цыганов И.В., Ткаченко А.Г.Tsyganov I.V., Tkachenko A.G.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/3438

Из всех известных способов передвижения бактерий скольжение является наименее изученным. Впервые описанное для микобактерий и некоторых других бактериальных видов, скольжение представляет собой пассивный способ перемещения по поверхности полужидких питательных сред у видов, лишенных органелл движения. Несмотря на отсутствие механизмов перемещения, некоторые микобактерии способны быстро колонизировать поверхности, в том числе ткани многоклеточных организмов, за счет присутствия в составе наружного слоя их клеточной стенки гликопептидолипидов, регулирующих силу трения о поверхность при перемещении. Это представляет серьезную проблему для эффективной терапии микобактериозов, вызываемых нетуберкулезными микобактериями. Кроме того, ткани многоклеточных животных содержат биогенные полиамины, которые способны повышать устойчивость микроорганизмов к различным стрессам, в том числе к антибиотикам, и модулировать коллективное движение. Поэтому исследование совместного действия биогенных полиаминов и антибиотиков на процессы распространения микобактерий представляет большой интерес для медицины. В качестве объектов исследования использованы штаммы микобактерий, включая родительский штамм Mycolicibacterium smegmatis mc2 155, а также его производные, содержащие одинарную (ΔrelMsm) или двойную (ΔrelMsmΔrelZ) хромосомные делеции. Содержание гликопептидолипидов определяли с помощью метода тонкослойной хроматографии. Интенсивность скольжения оценивали путем измерения площади скользящей колонии. Эффективность действия антибиотиков характеризовали сравнением площадей скользящих колоний в присутствии сопоставимых концентраций антибиотиков, выраженных в значениях, кратных минимальной подавляющей концентрации. Показано, что полиамины спермидин и спермин оказывают разнонаправленные эффекты на скольжение микобактерий по поверхностям полужидких сред, соответственно повышая или снижая площади колоний. При этом использовали концентрации спермидина и спермина, которые сами по себе не оказывали бактерицидный или бактериостатический эффект. Однако их совместное применение с антибиотиками стрептомицином или изониазидом приводило к снижению антибактериального эффекта, но усиливало действие синтетического аналога природного антибиотика эрогоргиаена (DMNP). Наиболее эффективным в этих условиях был рифампицин. Более того, нами установлено, что гликопептидолипиды, по-видимому, являются не единственными регуляторами скольжения микобактерий.

Nowadays, sliding is the least investigated mode of bacterial motility. Sliding is a process of passive movement on the surface of semi-liquid mediums which was originally described for mycobacteria and other bacterial species deprived of the organelles specialized for movement. Some mycobacteria are able to colonize surfaces, including tissues of macro-organisms, using glycopeptidolipids localized in the cell envelope for this aim. This is a serious problem for effective therapy of mycobacteriosis caused by nontuberculosis mycobacteria. Furthermore, animal tissues contain biogenic polyamines, which can increase tolerance of microorganisms to stresses, including antibiotics, and modulate cell motility. Therefore, studying mutual effects of biogenic polyamines and antibiotics on the expansion of mycobacteria is important for medicine. Mycobacterial strains, including the parent Mycolicibacterium smegmatis mc2 155 and strains containing single (ΔrelMsm) or double (ΔrelMsmΔrelZ) deletions, were used as the objects of this study. The content of glycopeptidolipids was determined using thin layer chromatography. Sliding motility was assessed by measuring the area of the sliding colony. The effectiveness of antibiotics was measured by comparison of the areas of sliding colonies in the presence of comparable concentrations of antibiotics. The polyamines spermidine and spermine had different effects on the sliding of mycobacteria through an increase or decrease in the colony areas. At the same time, polyamines had neither bactericidal nor bacteriostatic effects. The polyamines contained in the medium decreased the bactericidal effects of the antibiotics streptomycin or isoniazid, but enhanced the effects of DMNP, a synthetic analogue of the natural antibiotic erogorgiaene. Rifampicin was the most effective of all antibiotics investigated here. Moreover, we found that glycopeptidolipids are, apparently, not the only regulators of mycobacterial sliding.

микобактериискольжениеантибиотикочувствительностьполиаминыmycobacteriasliding motilityantibiotic susceptibilitybiogenic polyaminesReferencesGugliucci A. Polyamines as clinical laboratory tools. Clin. Chim. Acta. 2004;344(1-2):23-35. DOI 10.1016/j.cccn.2004.02.022.Gugliucci A. Polyamines as clinical laboratory tools. Clin. Chim. Acta. 2004;344(1-2):23-35. DOI 10.1016/j.cccn.2004.02.022.Henrichsen J. Bacterial surface translocation: a survey and a classification. Bacteriol. Rev. 1972;36(4):478-503. DOI 10.1128/br.36.4. 478-503.1972.Henrichsen J. Bacterial surface translocation: a survey and a classification. Bacteriol. Rev. 1972;36(4):478-503. DOI 10.1128/br.36.4. 478-503.1972.Hölscher T., Kovács Á.T. Sliding on the surface: bacterial spreading without an active motor. Environ. Microbiol. 2017;19(7):2537-2545. DOI 10.1111/1462-2920.13741.Hölscher T., Kovács Á.T. Sliding on the surface: bacterial spreading without an active motor. Environ. Microbiol. 2017;19(7):2537-2545. DOI 10.1111/1462-2920.13741.Kurihara S., Suzuki H., Tsuboi Y., Benno Y. Dependence of swarming in Escherichia coli K-12 on spermidine and the spermidine importer. FEMS Microbiol. Lett. 2009;294(1):97-101. DOI 10.1111/j.1574-6968.2009.01552.x.Kurihara S., Suzuki H., Tsuboi Y., Benno Y. Dependence of swarming in Escherichia coli K-12 on spermidine and the spermidine importer. FEMS Microbiol. Lett. 2009;294(1):97-101. DOI 10.1111/j.1574-6968.2009.01552.x.Martínez A., Torello S., Kolter R. Sliding motility in mycobacteria. J. Bacteriol. 1999;181(23):7331-7338. DOI 10.1128/JB.181.23.7331-7338.1999.Martínez A., Torello S., Kolter R. Sliding motility in mycobacteria. J. Bacteriol. 1999;181(23):7331-7338. DOI 10.1128/JB.181.23.7331-7338.1999.Nolan L.M., Cavaliere R., Turnbull L., Whitchurch C.B. Extracellular ATP inhibits twitching motility-mediated biofilm expansion by Pseudomonas aeruginosa. BMC Microbiol. 2015;15:55. DOI 10.1186/s12866-015-0392-x.Nolan L.M., Cavaliere R., Turnbull L., Whitchurch C.B. Extracellular ATP inhibits twitching motility-mediated biofilm expansion by Pseudomonas aeruginosa. BMC Microbiol. 2015;15:55. DOI 10.1186/s12866-015-0392-x.Recht J., Martínez A., Torello S., Kolter R. Genetic analysis of sliding motility in Mycobacterium smegmatis. J. Bacteriol. 2000;182(15):4348-4351. DOI 10.1128/JB.182.15.4348-4351.2000.Recht J., Martínez A., Torello S., Kolter R. Genetic analysis of sliding motility in Mycobacterium smegmatis. J. Bacteriol. 2000;182(15):4348-4351. DOI 10.1128/JB.182.15.4348-4351.2000.Sarkar N.K., Shankar S., Tyagi A.K. Polyamines exert regulatory control on mycobacterial transcription: a study using RNA polymerase from Mycobacterium phlei. Biochem. Mol. Biol. Int. 1995;35:1189-1198.Sarkar N.K., Shankar S., Tyagi A.K. Polyamines exert regulatory control on mycobacterial transcription: a study using RNA polymerase from Mycobacterium phlei. Biochem. Mol. Biol. Int. 1995;35:1189-1198.Strollo S.E., Adjemian J., Adjemian M.K., Prevots D.R. The burden of pulmonary nontuberculous mycobacterial disease in the United States. Ann. Am. Thorac. Soc. 2015;12(10):1458-1464. DOI 10.1513/AnnalsATS.201503-173OC.Strollo S.E., Adjemian J., Adjemian M.K., Prevots D.R. The burden of pulmonary nontuberculous mycobacterial disease in the United States. Ann. Am. Thorac. Soc. 2015;12(10):1458-1464. DOI 10.1513/AnnalsATS.201503-173OC.Tkachenko A.G., Kashevarova N.M., Sidorov R.Y., Nesterova L.Y., Akhova A.V., Tsyganov I.V., Vaganov V.Y., Shipilovskikh S.A., Rubtsov A.E., Malkov A.V. A synthetic diterpene analogue inhibits mycobacterial persistence and biofilm formation by targeting (p) ppGpp synthetases. Cell Chem. Biol. 2021;28(10):1420-1432.e9. DOI 10.1016/j.chembiol.2021.01.018.Tkachenko A.G., Kashevarova N.M., Sidorov R.Y., Nesterova L.Y., Akhova A.V., Tsyganov I.V., Vaganov V.Y., Shipilovskikh S.A., Rubtsov A.E., Malkov A.V. A synthetic diterpene analogue inhibits mycobacterial persistence and biofilm formation by targeting (p) ppGpp synthetases. Cell Chem. Biol. 2021;28(10):1420-1432.e9. DOI 10.1016/j.chembiol.2021.01.018.Tran T., Bonham A.J., Chan E.D., Honda J.R. A paucity of knowledge regarding nontuberculous mycobacterial lipids compared to the tubercle bacillus. Tuberculosis (Edinb). 2019;115:96-107. DOI 10.1016/j.tube.2019.02.008.Tran T., Bonham A.J., Chan E.D., Honda J.R. A paucity of knowledge regarding nontuberculous mycobacterial lipids compared to the tubercle bacillus. Tuberculosis (Edinb). 2019;115:96-107. DOI 10.1016/j.tube.2019.02.008.Tsyganov I.V., Nesterova L.Yu., Tkachenko A.G. Involvement of polyamines in the regulation of “behavioral” reactions of microorganisms. In: History and Methodology of Physiological, Biochemical and Soil Research: Proceedings of the Conference dedicated to the 100th anniversary of the Department of Plant Physiology and Microorganisms, Perm State National Research University, Perm, October 18–19, 2017. Perm: Perm State University, 2017;111-112. (in Russian)Tsyganov I.V., Nesterova L.Yu., Tkachenko A.G. Involvement of polyamines in the regulation of “behavioral” reactions of microorganisms. In: History and Methodology of Physiological, Biochemical and Soil Research: Proceedings of the Conference dedicated to the 100th anniversary of the Department of Plant Physiology and Microorganisms, Perm State National Research University, Perm, October 18–19, 2017. Perm: Perm State University, 2017;111-112. (in Russian)Zamakhayev M.V., Grigorov A.S., Kaprel’yants A.S., Shumkov M.S. Mycobacterium smegmatis posesses active genes of polyamine metabolism. Vestnik Permskogo Universiteta. Biologiya = Bulletin of the Perm University. Series: Biology. 2018;3:284-291. DOI 10.17072/1994-9952-2018-3-284-291. (in Russian)Zamakhayev M.V., Grigorov A.S., Kaprel’yants A.S., Shumkov M.S. Mycobacterium smegmatis posesses active genes of polyamine metabolism. Vestnik Permskogo Universiteta. Biologiya = Bulletin of the Perm University. Series: Biology. 2018;3:284-291. DOI 10.17072/1994-9952-2018-3-284-291. (in Russian)Zamakhaev M., Tsyganov I., Nesterova L., Akhova A., Grigorov A., Bespyatykh J., Azhikina T., Tkachenko A., Shumkov M. Mycolicibacterium smegmatis possesses operational agmatinase but contains no detectable polyamines. Int. J. Mycobacteriol. 2020;9(2):138-143. DOI 10.4103/ijmy.ijmy_48_20.Zamakhaev M., Tsyganov I., Nesterova L., Akhova A., Grigorov A., Bespyatykh J., Azhikina T., Tkachenko A., Shumkov M. Mycolicibacterium smegmatis possesses operational agmatinase but contains no detectable polyamines. Int. J. Mycobacteriol. 2020;9(2):138-143. DOI 10.4103/ijmy.ijmy_48_20.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.