Генетический потенциал к образованию биопленок клинических штаммов Pseudomonas aeruginosa

. Бактерии вида Pseudomonas aeruginosa являются одной из ведущих причин нозокомиальных инфекций дыхательного тракта и играют важную роль в инфицировании нижних дыхательных путей у 6ольных муковисцидозом (MB). Биопленки, представляя со6ой организованные скопления клеток, о6еспечивают выживаемость микроорганизмов в не6лагоприятных условиях окружающей среды и спосо6ствуют хронизации инфекции и формированию персистирующих форм. Целью ра6оты стало определение фенотипической спосо6ности и генетического потенциала к 6иопленкоо6разованию у клинических штаммов P. aeruginosa, персистирующих у пациентов с MB на фоне постоянного приема антимикро6ных препаратов. Для характеристики пяти штаммов P. aeruginosa, полученных от пациентов с MB, в ра6оте применены 6актериологические, молекулярногенетические и 6иоинформатические методы. Фенотипически все штаммы отнесены к умеренно-о6разующим 6иопленку, при этом коэффициент 6иопленкоо6разования варьировал от 2.10 до 3.15. Анализ драфт-геномов выявил различия в представленности некоторых генов или отдельных локусов трех из четырех известных сигнальных путей, цАMФ/Vfr, Gac/Rsm и c-di-GMP, которые описаны в геномах P. aeruginosa и имеют отношение к регуляции о6разования 6иопленок. Дополнительно показаны отличия в представленности таких генов, как frzE, tcpE и rcsC. Несомненно интересен анализ генов pppA, icmF, clpV1, trpE, trpG и stp1, которые используются для расширенного мультилокусного типирования PubMLST и различаются по структуре локусов у всех проанализированных штаммов. Эти гены потенциально могут 6ыть применены для типирования клинических штаммов Р. aeruginosa с целью характеристики их 6иопленкоо6разующих свойств. Таким о6разом, в геномах клинических штаммов P. aeruginosa, длительно персистирующих у пациентов на фоне постоянного получения анти6иотикотерапии, охарактеризованы гены, которые потенциально могут участвовать как в процессе 6иопленкоо6разования, так и в его регуляции. Характеристика генетического потенциала к о6разованию 6иопленок дает возможность поиска надежных генетических маркеров этого процесса для мониторинга эволюции воз6удителя в результате длительной персистенции в организме хозяина.

1. Bankevich A., Nurk S., Antipov D., Gurevich A.A., Dvorkin M., Kulikov A.S., Lesin V.M., … Sirotkin A.V., Vyahhi N., Tesler G., Alekseyev M.A., Pevzner P.A. SPAdes: a new genome assembly algorithm and its applications to single-cell sequencing. J Comput Biol. 2012;19(5):455-477. doi 10.1089/cmb.2012.0021

2. Bjarnsholt T., Jensen P.Ø., Fiandaca M.J., Pedersen J., Hansen C.R., Andersen C.B., Pressler T., Givskov M., Høiby N. Pseudomonas aeruginosa biofilms in the respiratory tract of cystic fibrosis patients. Pediatr Pulmonol. 2009;44(6):547-558. doi 10.1002/ppul.21011

3. Brencic A., Lory S. Determination of the regulon and identification of novel mRNA targets of Pseudomonas aeruginosa RsmA. Mol Mi crobiol. 2009;72(3):612-632. doi 10.1111/j.1365-2958.2009.06670.x

4. Cao P., Fleming D., Moustafa D.A., Dolan S.K., Szymanik K.H., Redman W.K., Ramos A., Diggle F.L., Sullivan C.S., Goldberg J.B., Rumbaugh K.P., Whiteley M. A Pseudomonas aeruginosa small RNA regulates chronic and acute infection. Nature. 2023;618(7964): 358-364. doi 10.1038/s41586-023-06111-7

5. Coggan K.A., Wolfgang M.C. Global regulatory pathways and crosstalk control Pseudomonas aeruginosa environmental lifestyle and virulence phenotype. Curr Issues Mol Biol. 2012;14(2):47-70. doi 10.21775/cimb.014.047

6. Deretic V., Schurr M.J., Yu H. Pseudomonas aeruginosa, mucoidy and the chronic infection phenotype in cystic fibrosis. Trends Microbiol. 1995;3(9):351-356. doi 10.1016/s0966-842x(00)88974-x

7. Elfadadny A., Ragab R.F., AlHarbi M., Badshah F., Ibáñez-Arancibia E., Farag A., Hendawy A.O., De Los Ríos-Escalante P.R., Aboubakr M., Zakai S.A., Nageeb W.M. Antimicrobial resistance of Pseudomonas aeruginosa: navigating clinical impacts, current resistance trends, and innovations in breaking therapies. Front Microbiol. 2024;15:1374466. doi 10.3389/fmicb.2024.1374466

8. Fernández-Billón M., Llambías-Cabot A.E., Jordana-Lluch E., Oliver A., Macià M.D. Mechanisms of antibiotic resistance in Pseudomonas aeruginosa biofilms. Biofilm. 2023;5:100129. doi 10.1016/j.bioflm.2023.100129

9. Grigorova E.V., Nemchenko U.M., Voropaeva N.M., Belkova N.L., Noskova O.A., Savilov E.D. Effect of disinfectants with different active ingredients on biofilm formation in Pseudomonas aeruginosa. Bull Exp Biol Med. 2021;171(6):745-749. doi 10.1007/s10517-021-05308-y

10. Jolley K.A., Bray J.E., Maiden M.C.J. Open-access bacterial population genomics: BIGSdb software, the PubMLST.org website and their applications. Wellcome Open Res. 2018;3:124. doi 10.12688/wellcomeopenres.14826.1

11. Jurado-Martín I., Sainz-Mejías M., McClean S. Pseudomonas aeruginosa: an audacious pathogen with an adaptable arsenal of virulence factors. Int J Mol Sci. 2021;22(6):3128. doi 10.3390/ijms22063128

12. Kanehisa M., Sato Y., Kawashima M. KEGG mapping tools for uncovering hidden features in biological data. Protein Sci. 2022;31(1): 47-53. doi 10.1002/pro.4172

13. Kearns D.B., Shimkets L.J. Chemotaxis in a gliding bacterium. Proc Natl Acad Sci USA. 1998;95(20):11957-11962. doi 10.1073/pnas.95.20.11957

14. Nemchenko U.M., Kungurtsevа E.A., Grigorova E.V., Belkova N.L., Markova Yu.A., Noskova O.A., Chemezova N.N., Savi lov E.D. Simulation of bacterial biofilms and estimation of the sensitivity of healthcare-associated infection pathogens to bactericide Sekusept active. Klinicheskaya Laboratornaya Diagnostika = Russian Clini cal Laboratory Diagnostics. 2020;65(10):652-658. doi 10.18821/0869-2084-2020-65-10-652-658 (in Russian)

15. Nemchenko U.M., Sitnikova K.O., Belkova N.L., Grigorova E.V., Voropaeva N.M., Sukhоreva M.V., Sukhareva E.S., Savilov E.D. Effects of antimicrobials on Pseudomonas aeruginosa biofilm formation. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov J. Genet. Breed. 2022;26(5):495-501. doi 10.18699/VJGB-22-60

16. Nemchenko U.M., Belkova N.L., Klimenko E.S., Smurova N.E., Savilov E.D. Phenotypic and genetic variability of clinical isolates of Pseudomonas aeruginosa persisting in patients with cystic fibrosis. Kliniceskaa Mikrobiologia i Antimikrobnaa Himioterapia = Clinical Microbiology and Antimicrobial Chemotherapy. 2024;26(S1):42 (in Russian)

17. O’Toole G.A. Microtiter dish biofilm formation assay. J Vis Exp. 2011; 30(47):2437. doi 10.3791/2437

18. Parkins M.D., Somayaji R., Waters V.J. Epidemiology, biology, and impact of clonal Pseudomonas aeruginosa infections in cystic fibrosis. Clin Microbiol Rev. 2018;31(4):e00019-18. doi 10.1128/cmr.00019-18

19. Penesyan A., Paulsen I.T., Kjelleberg S. Three faces of biofilms: a microbial lifestyle, a nascent multicellular organism, and an incubator for diversity. NPJ Biofilms Microbiomes. 2021;7(1):80. doi 10.1038/s41522-021-00251-2

20. Rissman A.I., Mau B., Biehl B.S., Darling A.E., Glasner J.D., Perna N.T. Reordering contigs of draft genomes using the Mauve Aligner. Bioinformatics. 2009;25(16):2071-2073. doi 10.1093/bioinformatics/btp356

21. Seemann T. Prokka: rapid prokaryotic genome annotation. Bioinformatics. 2014;30(14):2068-2069. doi 10.1093/bioinformatics/btu153

22. Shaginyan I.A., Avetisyan L.R., Chernukha M.Yu., Siyanova E.A., Burmistrov E.M., Voronkova A.Yu., Kondratieva E.I., Chuchalin A.G., Gintzburg A.L. Epidemiological significance of genome variations in Pseudomonas aeruginosa causing chronic lung infection in patients with cystic fibrosis. Kliniceskaya Mikrobiologiya i Antimikrobnaya Himioterapiya = Clinical Microbiology and Antimicrobial Chemotherapy. 2019;21(4):340-351. doi 10.36488/cmac.2019.4.340-351 (in Russian)

23. Sitnikova K.O., Nemchenko U.M., Voropaeva N.M., Grigorova E.V., Savilov E.D., Markova Yu.A., Belkova N.L. The effectiveness of biofilm formation of daily cultures of clinically significant strains of opportunistic bacteria. Acta Biomedica Scientifica. 2022;7(5-1): 119-128. doi 10.29413/ABS.2022-7.5-1.13 (in Russian)

24. Thelin K.H., Taylor R.K. Toxin-coregulated pilus, but not mannosesensitive hemagglutinin, is required for colonization by Vibrio cho lerae O1 El Tor biotype and O139 strains. Infect Immun. 1996; 64(7):2853-2856. doi 10.1128/iai.64.7.2853-2856.1996

25. Thöming J.G., Tomasch J., Preusse M., Koska M., Grahl N., Pohl S., Willger S.D., Kaever V., Müsken M., Häussler S. Parallel evolutionary paths to produce more than one Pseudomonas aeruginosa biofilm phenotype. NPJ Biofilms Microbiomes. 2020;6:2. doi 10.1038/s41522-019-0113-6

26. Wall E., Majdalani N., Gottesman S. The complex Rcs regulatory cascade. Annu Rev Microbiol. 2018;72:111-139. doi 10.1146/annurevmicro-090817-062640

27. Winstanley C., O’Brien S., Brockhurst M.A. Pseudomonas aeruginosa evolutionary adaptation and diversification in cystic fibrosis chronic lung infections. Trends Microbiol. 2016;24:327-337. doi 10.1016/j.tim.2016.01.008