ТОРМОЖЕНИЕ РОСТА БАКТЕРИЙ В КУЛЬТУРАХ STAPHYLOCOCCUS AUREUS И PSEUDOMONAS AERUGINOSA КАТИОНАМИ МЕДИ И ЦИНКА, ПРИМЕНЕННЫМИ В ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ КОНЦЕНТРАЦИЯХ

Статья в Elpub

Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2016; : 9-18

ТОРМОЖЕНИЕ РОСТА БАКТЕРИЙ В КУЛЬТУРАХ STAPHYLOCOCCUS AUREUS И PSEUDOMONAS AERUGINOSA КАТИОНАМИ МЕДИ И ЦИНКА, ПРИМЕНЕННЫМИ В ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ КОНЦЕНТРАЦИЯХ

Чекнёв С. Б., Вострова Е. И., Сарычева М. А., Востров А. В.

Аннотация

Цель. Оценка антибактериального действия связанных белками у-глобулиновой фракции и свободных катионов меди и цинка, примененных в культурах S.aureus и Р. aeruginosa в физиологических (микромолярных) концентрациях. Материалы и методы. Суточную культуру бактерий S.aureus или P.aeruginosa переводили с агара в физиологический раствор и готовили суспензию клеток, содержавшую ориентировочно 10<sup>3</sup> - 10<sup>4 </sup>КОЕ/мл. В суспензию вносили образцы металлокомплексов у-глобулина с катионами меди или цинка (белка 30 или 45 мкг/мл), контрольные у-глобулины (30 или 45 мкг/мл) и солевые растворы меди или цинка, содержание катионов в которых соответствовало количеству металла, связавшегося с белком на этапе получения металлокомплексов (75 нг/мл). Суспензии инкубировали при 37°С в течение 6 час, через каждые 2 час производя отбор проб и подсчет КОЕ в соответствии с принятым микрометодом. По окончании инкубации (6 ч наблюдения) суспензии переводили в питательный бульон, термостати-ровали в течение суток при 37°С, после чего оценивали прозрачность питательного бульона в сравнении с контрольным (стерильным). Результаты. Начиная с 3 часа наблюдения в культуре S.aureus обнаруживается токсическое действие катионов цинка и меди. Жизнеспособные бактерии отсутствуют в культуре с цинком спустя 6 час, с медью - спустя 4 час инкубации. Связавший катионы меди у-глобулин на сроках 4 и 6 час инкубации на 11,9 - 33,0% (р<0,05 - 0,1) снижает количество жизнеспособных клеток в сравнении с контрольным белком. В культуре P.aeruginosa токсическое действие катионов меди проявляется сразу же после инициации культуры и приводит к реализации полного бактерицидного эффекта спустя 4 час наблюдения. Катионы цинка подобными свойствами не обладают. Связавший катионы меди у-глобулин на сроках 4 и 6 час инкубации на 19,3 - 25,8% (р<0,001) снижает количество жизнеспособных клеток в сравнении с контрольным белком. Заключение. Поддерживаемые в физиологическом растворе бактерии S.aureus подвержены токсическому действию физиологических (микромолярных) концентраций свободных катионов меди и цинка, а также катионов меди, связанных человеческим сывороточным у-глобулином. В тех же условиях бактерии P.aeruginosa испытывают токсическое воздействие катионов меди (но не цинка) как свободных, так и связанных человеческим сывороточным у-глобулином. При этом в присутствии свободных катионов меди в культурах S.aureus и P.aeruginosa реализуется полный бактерицидный эффект.

Список литературы

1. Медицинская микробиология. В.И.Покровский, О.К.Поздеев (ред.). М., ГЭОТАР Медицина, 1998.

2. Тотолян А.А., Бурова Л.А. Fc-рецепторные белки Streptococcus pyogenes и патогенез постинфекционных осложнений. Журн. микробиол. 2014, 3: 78-90.

3. Чекнёв С.Б., Бабаева Е.Е., Голуб А.Е., Денисова Е.А., Воробьёва У.А. Эффекты меди и цинка при связывании с человеческим сывороточным у-глобулином. Мед. иммунология. 2006, 8 (5-6): 615-622.

4. Чекнёв С.Б., Вострова Е.И., Писковская Л.С., Востров А.В. Эффекты катионов меди и цинка, связанных белками у-глобулиновой фракции, в культуре Staphylococcus aureus. Журн. микробиол. 2014, 3: 4-9.

5. Чекнёв С.Б., Вострова Е.И., Апресова М.А., Писковская Л.С., Востров А.В. Торможение роста бактерий в культурах Staphylococcus aureus и Pseudomonas aeruginosa в присутствии катионов меди и цинка. Журн. микробиол. 2015, 2: 9-17.

6. Ammendola S., Pasquali Р., Pistoia C. et al. High-affinity Zn2+ uptake system ZnuABC is required for bacterial zinc homeostasis in intracellular environments and contributes to the virulence of Salmonella enterica. Infect. Immunity. 2007, 75 (12): 5867-5876.

7. Borza D.-B., Morgan W.T. Histidine-proline-rich glycoprotein as a plasma pH sensor. Modulation of its interaction with glycosaminoglycans by pH and metals. J. Biol. Chemistry. 1998,273 (10): 5493-5499.

8. Botella H., Stadthagen G., Lugo-Villarino G. et al. Metallobiology of host-pathogen interactions: an intoxicating new insight. Trends Microbiol. 2012, 20(3): 106-112.

9. Conrady D.G., Brescia C.C., Horii K. et al. A zinc-dependent adhesion molecule is responsible for intercellular adhesion in staphylococcal biofilms. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008, 105 (49): 19456-19461.

10. Corbin B.D., Seeley E.H., Raah A. et al. Metal chelation and inhibition of bacterial growth in tissue abscesses. Science. 2008, 319 (15): 962-965.

11. Crane J.K., Naeher T.M., Shulgina I. et al. Effect of zinc in enteropathogenic Escherichia coli infection. Infect. Immunity. 2007, 75 (12): 5974-5984.

12. Espirito Santo C., Lam E.W., Elowsky C.G. et al. Bacterial killing by dry metallic copper surfaces. Appl. Environm. Microbiol. 2011, 77 (3): 794-802.

13. Golub E.E., Cheruka J., Boosz B. et al. A comparison of bacterial aggregation induced by saliva, lysozyme, and zinc. Infect. Immunity. 1985, 48 (1): 204-210.

14. Gorgani N.N., Parish C.R., Altin J.G. Differential binding of histidine-rich glycoprotein (HRG) to human IgG subclasses and IgG molecules containing к and A. light chains. J. Biol. Chemistry. 1999, 274 (42): 29633-29640.

15. GrassG., RensingC., SoliozM. Metallic copperas an antimicrobial surface. Appl. Environm. Microbiol. 2011. 77 (5): 1541-1547.

16. Hodgkinson V, Petris M.J. Copper homeostasis at the host-pathogen interface. J. Biol. Chemistry. 2012, 287 (17): 13549-13555.

17. Hood M.I., SkaarE.P. Nutritional immunity: transition metals at the pathogen-host interface. Nature Rev. Microbiol. 2012, 10: 525-537.

18. Lu Y. Metal ions as matchmakers for proteins. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010, 107 (5): 1811-1812.

19. Remy L., Carriere M., Derre-Bobillot M. et al. The Staphylococcus aureus Oppl ABC transporter imports nickel and cobalt in zinc-depleted conditions and contributes to virulence. Molec. Microbiol. 2013, 87 (4): 730-743.

20. Rink L., Kirchner H. Zinc-altered immune function and cytokine production. J. Nutrition. 2000, 130(5, Suppl.): 1407-1411.

21. Salgado E.N., Ambroggio X.I., Brodin J.D. et al. Metal templated design of protein interfaces. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010, 107 (5): 1827-1832.

22. Samanovic M.I., Ding C., Thiele D.J., Darwin K.H. Copper in microbial pathogenesis: med-ding with the metal. Cell Host Microbe. 2012, 11: 106-115.

23. Shafeeq S., Kuipers O.P., Kloosterman T.G. The role of zinc in the interplay between pathogenic streptococci and their hosts. Molec. Microbiol. 2013, 88 (6): 1047-1057.

24. Stafford S.L., Bokil N.J., Achard M.E.S. et al. Metal ions in macrophage antimicrobial pathways: emerging roles for zinc and copper. Bioscience Reports. 2013, 33 (4): 541-554.

25. Waldron K. J., Robinson N. J. How do bacterial cells ensure that metalloproteins get the correct metal? Nature Rev. Microbiol. 2009, 7: 25-35.

26. Yamamoto K., Ishihama A. Transcriptional response of Escherichia coli to external zinc. J. Bacteriol. 2005, 187 (18): 6333-6340.

Journal of microbiology, epidemiology and immunobiology. 2016; : 9-18

INHIBITION OF GROWTH OF BACTERIA IN STAPHYLOCOCCUS AUREUS AND PSEUDOMONAS AERUGINOSA CULTURES BY COPPER AND ZINC CATIONS, APPLIED AT PHYSIOLOGICAL CONCENTRATIONS

Cheknev S. B., Vostrova E. I., Sarycheva M. A., Vostrov A. V.

Abstract

Aim. Evaluation of antibacterial effect of y-globulin fraction bound and free copper and zinc cations, applied in cultures of S. aureus and P. aeruginosa at physiological (micromolar) concentrations. Materials and methods. Day cultures of S. aureus or P. aeruginosa were transferred from agar to physiological solution, and cell suspension was prepared, containing approximately 10³- 10⁴ CFU/ml. Samples of metal-complexes of y-globulin with copper and zinc cations (30 and 45 pg/ml), control y-globulins (30 and 45 pg/ml) and salt solutions of copper and zinc, cation content in those corresponded to the quantity of the metal, that had bound with the protein at the stage of metal-complex obtaining (75 ng/ml), were introduced into the suspension. The suspensions were incubated at 37°C for 6 hours, sampling and CFU count according to the accepted micromethod was carried out every 2 hours. By the end of incubation (6 hours of observation) the suspensions were transferred into nutrient broth, thermostated for 1 day at 37°C, transparency of the nutrient broth compared with control (sterile) was evaluated afterwards. Results. Toxic effect of copper and zinc cations is detected starting from the 3rd hour of observation in S. aureus culture. Viable bacteria are absent in the culture with zinc after 6 hours, with copper - after 4 hours of incubation, y-globulin, that had bound copper cations, reduces the quantity of viable cells compared with control protein by 11.9 - 33.0% (p<0.05 - 0.1) at 4 and 6 hours of incubation. In P. aeruginosa culture, toxic effect of copper cations manifests immediately after initiation of the culture and results in realization of complete bactericidal effect after 4 hours of observation. Zinc cations do not have such properties, y-globulin, that had bound copper cations, reduces the quantity of viable cells compared with control protein at 4 and 6 hours of incubation by 19.3 - 25.8 % (p<0.001). Conclusion. S. aureus bacteria, supported in physiological solution are subject to toxic effect of physiological (micromolar) concentrations of free copper and zinc cations, and also copper cations, bound by human serum y-globulin. P. aeruginosa bacteria under the same conditions experience toxic effect of copper cations (but not zinc), free as well as bound by human serum y-globulin. Whereas a full bactericidal effect is realized in S. aureus and P. aeruginosa cultures in the presence of free cations of copper.

References

1. Meditsinskaya mikrobiologiya. V.I.Pokrovskii, O.K.Pozdeev (red.). M., GEOTAR Meditsina, 1998.

2. Totolyan A.A., Burova L.A. Fc-retseptornye belki Streptococcus pyogenes i patogenez postinfektsionnykh oslozhnenii. Zhurn. mikrobiol. 2014, 3: 78-90.

3. Cheknev S.B., Babaeva E.E., Golub A.E., Denisova E.A., Vorob'eva U.A. Effekty medi i tsinka pri svyazyvanii s chelovecheskim syvorotochnym u-globulinom. Med. immunologiya. 2006, 8 (5-6): 615-622.

4. Cheknev S.B., Vostrova E.I., Piskovskaya L.S., Vostrov A.V. Effekty kationov medi i tsinka, svyazannykh belkami u-globulinovoi fraktsii, v kul'ture Staphylococcus aureus. Zhurn. mikrobiol. 2014, 3: 4-9.

5. Cheknev S.B., Vostrova E.I., Apresova M.A., Piskovskaya L.S., Vostrov A.V. Tormozhenie rosta bakterii v kul'turakh Staphylococcus aureus i Pseudomonas aeruginosa v prisutstvii kationov medi i tsinka. Zhurn. mikrobiol. 2015, 2: 9-17.

6. Ammendola S., Pasquali R., Pistoia C. et al. High-affinity Zn2+ uptake system ZnuABC is required for bacterial zinc homeostasis in intracellular environments and contributes to the virulence of Salmonella enterica. Infect. Immunity. 2007, 75 (12): 5867-5876.

8. Botella H., Stadthagen G., Lugo-Villarino G. et al. Metallobiology of host-pathogen interactions: an intoxicating new insight. Trends Microbiol. 2012, 20(3): 106-112.

10. Corbin B.D., Seeley E.H., Raah A. et al. Metal chelation and inhibition of bacterial growth in tissue abscesses. Science. 2008, 319 (15): 962-965.

11. Crane J.K., Naeher T.M., Shulgina I. et al. Effect of zinc in enteropathogenic Escherichia coli infection. Infect. Immunity. 2007, 75 (12): 5974-5984.

12. Espirito Santo C., Lam E.W., Elowsky C.G. et al. Bacterial killing by dry metallic copper surfaces. Appl. Environm. Microbiol. 2011, 77 (3): 794-802.

13. Golub E.E., Cheruka J., Boosz B. et al. A comparison of bacterial aggregation induced by saliva, lysozyme, and zinc. Infect. Immunity. 1985, 48 (1): 204-210.

14. Gorgani N.N., Parish C.R., Altin J.G. Differential binding of histidine-rich glycoprotein (HRG) to human IgG subclasses and IgG molecules containing k and A. light chains. J. Biol. Chemistry. 1999, 274 (42): 29633-29640.