Влияние индола на содержание клеточных полиаминов и антибиотикочувствительность Escherichia coli

Малые регуляторные молекулы, такие как индол и полиамины, вовлечены в регуляцию разнообразных процессов у бактерий, в том числе в защитный ответ на действие антибиотиков. Известно, что малые регуляторные молекулы могут оказывать влияние друг на друга, но информации о взаимовлиянии индола и полиаминов в литературе нет. В данной работе мы показали, что присутствие в среде культивирования микромолярных концентраций индола приводило к снижению чувствительности Escherichia coli к фторхинолоновым, бета-лактамным и аминогликозидным антибиотикам. Снижение чувствительности к антибактериальным препаратам штамма E. coli, способного к синтезу биогенных полиаминов, было более заметным, чем у дефицитного по путресцину и спермидину штамма. Экзогенный индол увеличивал внутриклеточное содержание путресцина и спремидина в 2 и 2,5 раза соответственно и не оказывал влияния на содержание кадаверина. Присутствие в среде полиаминов путресцина, кадаверина и спермидина, синтезируемых бактериями, не влияло на количество индола, продуцируемого E. coli. Добавка спермина, который синтезируется преимущественно эукариотами, увеличивала содержание индола в среде (не более чем на 20%). Полученные данные свидетельствуют о том, что индол снижает чувствительность E. coli к антибиотикам разных групп, обладающим различны- ми механизмами действия. Одним из механизмов влияния индола на чувствительность бактерий к антимикробным препаратам является стимуляции накопления в клетках биогенных полиаминов путресцина и спермидина.

1. Tomberlin J.K., Crippen T.L., Wu G., Griffin A.S., Wood T.K., Kilner R.M. Indole: an evolutionarily conserved influencer of behavior across kingdoms // Bioessays. 2017. Vol. 54. N 2. doi: 10.1002/bies.201600203.

2. El-Halfawy O.M., Valvano M.A. Non-genetic mechanisms communicating antibiotic resistance: rethinking strategies for antimicrobial drug design // Expert Opin. Drug. Discov. 2012. Vol. 7. N 10. P. 923–933.

3. Hu M., Zhang C., Mu Y., Shen Q., Feng Y. Indole affects biofilm formation in bacteria Indian // J. Microbiol. 2010. Vol. 50. N 4. P. 362–368.

4. Kim J., Park W. Indole: a signaling molecule or a mere metabolic byproduct that alters bacterial physiology at a high concentration? // J. Microbiol. 2015. Vol. 53. N 7. P. 421–428.

5. Lee J.H., Wood T.K., Lee J. Roles of indole as an interspecies and interkingdom signaling molecule // Trends Microbiol. 2015. Vol. 23 N. 11. P. 707–718.

6. Han T.H., Lee J.H., Cho M.H., Wood T.K., Lee J. Environmental factors affecting indole production in Escherichia coli // Res. Microbiol. 2011. Vol. 162. N 2. P. 108–116.

7. Lee H.H., Molla M.N, Cantor C.R., Collins J.J. Bacterial charity work leads to population-wide resistance // Nature. 2010. Vol. 467. N 7311. P. 82–85.

8. Zhang S., Shao Y., Zhao X., Li C., Guo M., Lv Z., Zhang W. Indole contributes to tetracycline resistance via the outer membrane protein OmpN in Vibrio splendidus // World J. Microbiol. Biotechnol. 2020. Vol. 36. N 3: 36.

9. Vega N.M., Allison K.R., Samuels A.N., Klempner M.S., Collins J.J. Salmonella typhimurium intercepts Escherichia coli signaling to enhance antibiotic tolerance // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2013. Vol. 110. N 35. P. 14420–14425.

10. Kojo H., Asano J., Murakawa T., Nishida M. Antibiotic resistance of indole-positive Klebsiella pneumonia // Chemotherapy. 1980. Vol. 26. N 6. P. 431–435.

11. Wang Y., Tian T., Zhang J., Jin X., Yue H., Zhang X-H., Du L., Bai F. Indole reverses intrinsic antibiotic resistance by activating a novel dual-function importer // mBio. 2019. Vol. 10. N 3: e00676-19.

12. Zhang W., Yamasaki R., Song S., Wood T.K. Interkingdom signal indole inhibits Pseudomonas aeruginosa persister cell waking // J. Appl. Microbiol. 2019. Vol. 127. N 6. P. 1768–1775.

13. Lee J.H., Kim Y.G., Gwon G., Wood T.K., Lee J. Halogenated indoles eradicate bacterial persister cells and biofilms // AMB Express. 2016. Vol. 6. N 1: 123.

14. Vega N.M., Allison K.R., Khalil A.S., Collins J.J. Signaling-mediated bacterial persister formation // Nat. Chem. Biol. 2012. Vol. 8. N 5. P. 431–433.

15. Michael A.J. Polyamines in Eukaryotes, Bacteria, and Archaea // J. Biol. Chem. 2016. Vol. 291. N 29. P. 14896–14903.

16. Gevrekci A.Ö. The roles of polyamines in microorganisms // World J. Microbiol. Biotechnol. 2017. Vol. 33. N 11: 204.

17. Igarashi K., Kashiwagi K. Polyamine modulon in Escherichia coli: genes involved in the stimulation of cell growth by polyamines // J. Biochem. 2006. Vol. 139. N 1. P. 11–16.

18. Tkachenko A.G., Akhova A.V., Shumkov M.S., Nesterova L.Yu. Polyamines reduce oxidative stress in Escherichia coli cells exposed to bactericidal antibiotics // Res. Microbiol. 2012. Vol. 163. N 2. P. 83–91.

19. Нестерова Л.Ю., Негорелова Е.В., Ткаченко А.Г. Биогенные полиамины как модуляторы активности Quorum sensing системы и биопленкообразования Vibrio harveyi // Вестн. Перм. ун-та. 2019. № 3. С. 300–308.

20. Чудинов А.А., Чудинова Л.А., Коробов В.П. Метод определения низкомолекулярных олигоаминов в различном биологическом материале // Вопр. мед. хим. 1984. № 4. С. 127–132.

21. Kim D., Sitepu I.R., Hashidokoa Y. Induction of biofilm formation in the betaproteobacterium Burkholderia unamae CK43B exposed to exogenous indole and gallic acid // Appl. Environ. Microbiol. 2013. Vol. 79. N. 16. P. 4845–4852.

22. Hirakawa H., Inazumi Y., Masaki T., Hirata T., Yamaguchi A. Indole induces the expression of multidrug exporter genes in Escherichia coli // Mol. Microbiol. 2005. Vol. 55. N 4. P. 1113–1126.

23. Delcour A.H. Outer membrane permeability and antibiotic resistance // Biochim. Biophys. Acta. 2009. Vol. 1794. N 5. P. 808–816.

24. Michael A.J. Polyamine function in archaea and bacteria // J. Biol. Chem. 2018 Vol. 293. N 48. P. 18693–18701.

25. Tkachenko A.G., Kashevarova N.M., Karavaeva E.A., Shumkov M.S. Putrescine controls the formation of Escherichia coli persister cells tolerant to aminoglycoside netilmicin // FEMS Microbiol. Lett. 2014. Vol. 361. N 1. P. 25–33.