Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ФЕНОТИПИЧЕСКИЕ И ГЕНОТИПИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОБИОТИЧЕСКОГО ШТАММА E. COLI M-17

Белова И.В. 1 Точилина А.Г. 1 Соловьева И.В. 1 Горлова И.С. 2 Ефимов Е.И. 1 Жирнов В.А. 1 Иванова Т.П. 1
1 ФБУН ННИИЭМ им. академика И.Н. Блохиной Роспотребнадзора
2 ФГУП «НПО «Микроген» Минздрава России
В статье представлены данные по углубленному изучению свойств производственного пробиотического штамма Escherichia coli M-17. Работа проводилась с использованием спектра современных методов: биохимических тест-систем, MALDI TOF масс-спектрометрии и полногеномного секвенирования. Получен биохимический профиль, проведено прямое белковое профилирование штамма, установлены характерные для него масс-пики белков. С помощью полногеномного секвенирования установлены структурные особенности генома штамма, показано, что он не обладает антибиотикорезистентностью трансмиссивного типа, не содержит в геноме детерминант патогенности, вирулентности, интегрированных плазмид и мобильных элементов. С использованием данных полногеномного секвенирования подтвержден серотип штамма - О2:Н6 и впервые установлен его сиквенс-тип (ST-141). Установлены индивидуальные особенности штамма E. coli M-17, доказано, что он соответствует требованиям, предъявляемым к производственным пробиотическим штаммам.
штаммы-продуценты
иммунобиологические препараты
escherihia coli
1. Методические указания по контролю биологических и микробиологических факторов. Система предрегистрационного доклинического изучения безопасности препаратов. Отбор, проверка и хранение прозводственных штаммов, используемых при производстве пробиотиков: методические указания № 4.2.2602-10. – М.: Роспотребнадзор, 2011. – 80 с.
2. Методические указания по санитарно-эпидемиологической оценке безопасности и функционального потенциала пробиотических микроорганизмов, используемых для производства пищевых продуктов: методические указания № 2.3.2.2789-10 – М.: Роспотребнадзор, 2010. – 71 с.
3. Молекулярно-генетический мониторинг в системе эпидемиологического надзора за инфекциями, связанными с оказанием медицинской помощи. Федеральные клинические рекомендации – М., 2014. – 45 с.
4. Перетц Л.Г. Значение нормальной микрофлоры для организма человека. – М.: Медгиз, 1955. – 410 с.
5. Регламент производства колибактерина сухого N 153-80. Утв. Главным управлением по производству бактерийных и вирусных препаратов МЗ СССР. – М.: Изд-во стандартов, 1980. – 21 с.
6. Alekshun M.N., Levy S.B. The Escherichia coli mar Locus — Antibiotic Resistance and More The mar locus and related systems confer multiple antibiotic resistance and control expression of virulence factors and genes for metabolizing small molecules // ASM News Y. – 2004. – Vol. 70. – P. 451-455.
7. Baranova N., Nikaido H. The baeSR two-component regulatory system activates transcription of the yegMNOB (mdtABCD) transporter gene cluster in Escherichia coli and increases its resistance to novobiocin and deoxycholate // J Bacteriol. – 2002. – Vol. 184 (15). – P. 4168-76. PMID: 12107134.
8. Carattoli A., Zankari E., García-Fernández A. et al. In silico detection and typing of plasmids using PlasmidFinder and plasmid multilocus sequence typing // Antimicrob Agents Chemother. – 2014 – Vol. 58 (7). – P. 3895-903. PMID: 24777092.
9. Cosentino S., Voldby L. M., Møller A. F., Lund O. PathogenFinder - Distinguishing Friend from Foe Using Bacterial Whole Genome Sequence Data // PLoS ONE. – 2013. – Vol. 8 (10). PMID: 24204795.
10. Grissa I., Vergnaud G., Pourcel C. CRISPRFinder: a web tool to identify clustered regularly interspaced short palindromic repeats // Nucleic Acids Res. – 2007. – Vol. 35. – P. 52-57. PMID: 17537822.
11. Joensen K., Scheutz F., Lund O. Real-time whole-genome sequencing for routine typing, surveillance, and outbreak detection of verotoxigenic Escherichia coli // J. Clin. Microbiol. – 2014. – Vol. 52 (5). – P. 1501-10. PMID: 24574290.
12. Joensen K.G., Tetzschner A.M., Iguchi A. et al. Rapid and Easy In Silico Serotyping of Escherichia coli Isolates by Use of Whole-Genome Sequencing Data // J. Clin. Microbiol. – 2015. – Vol. 53 (8). – P. 1501-10. PMID: 25972421.
13. Larsen M.V., Cosentino S., Rasmussen S. et al. Multilocus sequence typing of total-genome-sequenced bacteria // J Clin Microbiol. – 2012. – Vol. 50 (4). – P. 1355-61. PMID: 22238442.
14. Makarova K.S., Wolf Y.I., Alkhnbashi O.S. An updated evolutionary classification of CRISPR-Cas systems // Nat Rev Microbiol. – 2015. – Vol. 13 (11). – P. 722-36. PMID: 26411297.
15. MLST databases of Warwick University [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.mlst.warwick.ac.uk (дата обращения: 26.03.17).
16. RAST – rapid annotation subsystem technology server [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://rast.nmpdr.org (дата обращения: 20.03.17).
17. Seemann T. Prokka: rapid prokaryotic genome annotation // Bioinformatics. – 2014. – Vol. 30 (14). – Р. 2068-9. PMID: 24642063.
18. Zankari E., Hasman H., Cosentino S. et al. Identification of acquired antimicrobial resistance genes // J. Antimicrob Chemother. – 2012. – Vol. 67 (11). – Р. 2640-4. PMID: 22782487.

E. coli M-17 имеет долгую историю использования в качестве продуцента пробиотического препарата «Колибактерин сухой», на протяжении которой штамм неоднократно подвергался многочисленным исследованиям с целью определения способности к продукции колицинов и уровня антагонистической активности, антибиотикорезистентности, биохимической активности и т.д. Безвредность штамма была подтверждена эмпирическим путем. В начале использования данного штамма в качестве продуцента пробиотика важное диагностическое значение имел его серотип (О2:Н6), так как штамм периодически проводили через организм здоровых добровольцев для сохранения его антагонистических свойств [4].

Согласно требованиям современных нормативных документов производственные пробиотические штаммы должны быть изучены по множеству признаков, в том числе подтверждающих их безвредность, апатогенность и авирулентность [1; 2]. Существующие в настоящее время наукоемкие технологии позволяют провести анализ полного генома штаммов микроорганизмов и подтвердить их безвредность на генетическом уровне.

Целью нашей работы было углубленное исследование биологических свойств штамма E. coli М-17, использующегося для производства пробиотика «Колибактерин сухой» с использованием наукоемких методов – современных биохимических тест-систем, MALDI TOF масс-спектрометрии, полногеномного секвенирования и биоинформатического анализа данных.

Материалы и методы исследования. Восстановление лиофильно высушенного штамма проводили с использованием мясо-пептонного бульона (Nutrient Broth, HiMedia), подращённую культуру титровали в диапазоне разведений 10-1 – 10-7 и проводили высевы по 0,05 мл на среду Эндо (Питательная среда для выделения энтеробактерий – агар Эндо ГРМ, Оболенск), далее инкубировали при 37 °С 24 часа. Выросшие колонии микроорганизмов оценивали по морфологии, по 10 колоний каждого морфологического вида отбирали для следующего этапа исследования – масс-спектрометрии.

Масс-спектрометрический анализ осуществляли с помощью времяпролетного MALDI масс-спектрометра Autoflex (Bruker Daltonics, Германия), пробоподготовка суточных культур исследуемых микроорганизмов проводилась методом прямого нанесения по стандартному протоколу, представленному в руководстве пользователя. Идентификация, запись, обработка и анализ масс-спектров проводилась с помощью программы BioTyper RTC.

Остаток колонии засевали на мясо-пептонный бульон для наращивания биомассы и последующей биохимической идентификации. Для биохимической идентификации отбирали культуры, по результатам масс-спектрометрии имевшие значения Score 2,100 и более.

Для расширенного изучения биохимических свойств штаммов использовали пластины биохимические, дифференцирующие энтеробактерии (ПБДЭ) («Диагностические системы», Россия), системы индикаторные бумажные для идентификации микроорганизмов - набор № 2 для межродовой и видовой дифференциации энтеробактерий (ФГУП НПО «Микроген» Минздрава России) и среды HiMedia (HiMedia Laboratories Pvt. Limited (Индия)). Пробоподготовку, культивирование, идентификацию микроорганизмов и интерпретацию полученных результатов проводили согласно инструкциям производителей.

В работу по полногеномному секвенированию была отобрана культура E. coli M-17 с изученным профилем рибосомальных белков с максимально высоким Score, известной биохимической активностью. Геномную ДНК выделяли с использованием коммерческого набора QIAamp DNA Mini Kit (QIAGEN, Германия), подготовку библиотек производили с помощью набора TrueSeq (Illumina Inc, США), секвенирование выполняли на платформе MiSeq (Illumina). Аннотация генома производилась с помощью утилиты Prokka v. 1.11 [17] и геномного сервера RAST [16]. Для подробного изучения генома использовали специализированные программные продукты, доступные на сайте Центра геномной эпидемиологии: изучение CRISPR-региона проводили с использованием программы CrisprFinder [10], поиск детерминант антибиотикорезистентности и патогенности с использованием ResFinder 2.1 и PathogenFinder [9; 18]. Для поиска детерминант вирулентности применяли программу VirulenceFinder [11], для обнаружения интегрированных плазмид – PlasmidFinder 1.3. [8]. MLST типирование проводили с использованием программы MLST-1.8 Server [13], для установления серотипа использовали программу SerotypeFinder 1.1 [12].

Результаты исследования и их обсуждение. Для идентификации методом масс-спектрометрии были выбраны характерные крупные малиновые колонии с металлическим блеском в S-форме. В результате идентификации микроорганизмов в автоматическом режиме получен ряд масс-спектров со Score от 2,05 до 2,56. Характерный масс-спектр представлен на рис. 1.

Рис. 1. MALDI масс-спектр штамма E. coli M-17 при использовании α-CHCA матрицы

Установлено, что масс-спектр штамма E. coli М-17 составляют 85 пиков, 62 из которых воспроизводимы. При анализе ряда полученных масс-спектров обнаружено, что для изучаемого штамма характерно наличие следующих масс ионизированных белков (m/z): 2329, 2569, 2940, 3168, 3638, 5340, 6243, 6255, 6276, 8875, 9713.

В результате исследования биохимических с помощью стандартных тест-систем ПБДЭ и СИБ, а также дополнительных тестов (ксилоза, рамноза, дульцит и тест на желатиназную активность) с использованием сред HiMedia выявлено, что данный штамм обладает способностью ферментировать сахарозу, мальтозу, сорбит, глюкозу, лактозу, арабинозу, маннит, ксилозу, рамнозу, образует индол, обладает β-галактозидазной активностью, утилизирует цитрат натрия с глюкозой, образует лизин- и орнитиндекарбоксилазу. Штамм неспособен разжижать желатин, утилизировать цитрат и малонат натрия, не обладает аргининдегидролазой, фенилаланиндезаминазой, не образует ацетилметилкарбинол, не ферментирует инозит, дульцит, не гидролизует мочевину, не образует сероводород. Именно такой биохимический профиль характерен для классического штамма E. coli M-17, предложенного Л.Г. Перетцем в 1930 году [4].

Далее было проведено полногеномное секвенирование генома штамма и установлены его основные характеристики (табл. 1).

Таблица 1

Основные характеристики генома E. coli M-17

Характеристики

E. coli M-17

Размер генома, п.н.

4.483.110

GC, %

50.7

Количество генов

5.107

Количество псевдогенов

80

CDS (последовательности, кодирующие белки)

4.930

Количество представленных подсистем согласно RAST

595

CRISPR-регион

1

Опероны синтеза бактериоцинов:

V

M

B

1 (KLD50841.1, KLD50842.1)

1 (KLD42107.1)

1 (KLD42108.1)

rRNA

13

tRNA

77

 

Очевидно, что данный штамм имеет «кишечное» происхождение, так как в его геноме присутствует большое количество псевдогенов и компонент системы устойчивости к солям желчи - мембранный протеин DamX (KLD50520.1).

В геноме обнаружены опероны синтеза колицина V, М и В – бактериоцинов, характерных для E. coli, которые обуславливают высокий уровень антагонистической активности данного штамма.

С использованием программы CrisprFinder проанализирован CRISPR-регион изучаемого штамма, расположенный в пределах 57 контига (LBDD01000002). Установлено, что по структурной организации CRISPR-регион исследуемого штамма отнесится к I-E типу, что типично для представителей рода Escherihia [14]. Уникальные последовательности спейсеров и повторов данного региона можно рассматривать как «метку штамма» и впоследствии использовать для его индикации (рис. 2).

Рис. 2. Организация CRISPR-кассеты E. coli М-17. Стрелками обозначены соответствующие Cas-белки, ромбы обозначают повторы, прямоугольники – уникальные спейсеры

Присутствие в составе генома CRISPR-региона говорит о внедрении фагов в прошлом. О том, что изучаемый микроорганизм подвергался атакам фагов, свидетельствует и тот факт, что в его геноме обнаружены профаги - гены, кодирующие фаговые белки, элементы капсида, ферменты репликации, гены-активаторы белков фага - всего 96 детерминант.

Метаболизм штамма изучен с использованием RAST. Установлено, что в геноме детерминировано несколько путей центрального метаболизма углеводов: гликолиз, путь Энтнера-Дудорова и пентозофосфатный путь; выявлено, что данные метаболические пути штамма не имеют особенностей. В целом E.coli M-17 обладает выраженным метаболическим потенциалом и способен утилизировать широкий спектр субстратов.

С использованием RAST и программы ResFinder полногеномная последовательность штамма была проанализирована на наличие генов антибиотикорезистентности. Установлено, что в состав генома изучаемого штамма входит кластер транспортных генов (mdtABCD), наличие которого обуславливает устойчивость к новобиоцину и доксихолату [7]. Также в геноме представлены гены оперона, регулирующего экспрессию генов, отвечающих за систему эффлюкса лекарственных, в том числе и антибактериальных препаратов (MAR локус), а также другие виды молекулярных эффлюксных помп - CmeA, CmeB, TolC, AcrR MacA, MacB, а также эффлюксные помпы семейств MATE и MFS. Все перечисленные детерминанты имеют хромосомную локализацию, типичны для представителей рода и не представляют угрозы в плане трансмиссивного распространения [6].

Далее геном был проанализирован с использованием программ PlasmidFinder-1.3, VirulenceFinder-1.5 и PathogenFinder. В результате установлено, что исследуемый штамм не содержит интегрированных плазмид, детерминант вирулентности и патогенности.

На современном этапе существует ряд методов, позволяющих типировать штаммы с использованием их полногеномных последовательностей. Наиболее распространенным является метод мультилокусного сиквенс типирования (MLST), предполагающий установление аллельных профилей отдельных «генов домашнего хозяйства» штамма [13]. Для проведения MLST штамма использовали программу MLST-1.8. В данной схеме анализируются фрагменты семи «генов домашнего хозяйства» – аденилаткиназы (adk), фумарат гидратазы (fumC), ДНК гиразы (gyrB), изоцитрат дегидрогеназы (icd), малат дегидрогеназы (mdh), аденилосукцинат дегидрогеназы (purA) и рекомбиназы А (recA). Обнаружено, что исследуемый штамм E. coli M-17 принадлежит к 141 сиквенс-типу (ST-141) (табл. 2).

Таблица 2

Аллельные профили «генов домашнего хозяйства» исследуемого штамма

Штамм

Аллели

ST

adk

fumC

gyrB

icd

mdh

purA

recA

E. coli M-17

13

52

10

14

17

25

17

141

 

Согласно данным научной литературы микроорганизмы с таким сиквенс-типом ранее не вызывали эпидемических вспышек заболеваний [3]. Данные, представленные в международной базе данных [15], указывают на то, что сиквенс-тип характерен для непатогенных эшерихий человеческого происхождения.

С использованием программного продукта SerotypeFinder-1.1. определен серотип штамма. Эта программа использует полногеномные последовательности и позволяет анализировать детерминанты антигенов микроорганизма. Для E. coli это ген, кодирующий структурный белок флагеллин fliC (KLD44527.1) и белки O-антигена - Wzx (KLD49178.1) и Wzy (KLD49266.1). Установлено, что штамм E. coli M-17 имеет серотип О2:Н6, который соответствует серотипу E. coli M-17 согласно «Регламенту производства колибактерина сухого» [5].

Заключение. В результате проведенной работы установлено, что штамм E. coli M-17 (ФГУП «НПО «Микроген») обладает типичными биохимическими свойствами, заявленными в ОФС на колисодержащие пробиотики. Для штамма характерны следующие массы ионизированных белков: 2329, 2569, 2940, 3168, 3638, 5340, 6243, 6255, 6276, 8875, 9713. При анализе полногеномной последовательности у штамма не обнаружены трансмиссивные гены антибиотикорезистентности, гены патогенности, вирулентности и интегрированные плазмиды. В геноме детерминирован ряд фаговых генов - гены, кодирующие фаговые белки, элементы капсида, ферменты репликации, гены-активаторы белков фага - всего 96 детерминант. Определен серотип штамма – О2:Н6, который соответствует серотипу E. coli M-17 согласно Регламенту производства колибактерина сухого (1980). Впервые с использованием метода мультилокусного сиквенс-типирования был установлен сиквенс-тип штамма - ST141. Полногеномная последовательность генома штамма E. coli M-17 (ФГУП «НПО «Микроген») задепонирована в международной базе данных GenBank под соответствующим номером проекта - LBDD00000000.1.


Библиографическая ссылка

Белова И.В., Точилина А.Г., Соловьева И.В., Горлова И.С., Ефимов Е.И., Жирнов В.А., Иванова Т.П. ФЕНОТИПИЧЕСКИЕ И ГЕНОТИПИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОБИОТИЧЕСКОГО ШТАММА E. COLI M-17 // Современные проблемы науки и образования. – 2017. – № 3. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=26533 (дата обращения: 21.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074