Chiết xuất, tinh chế và đặc trưng hóa phenazine từ chủng Pseudomonas aeruginosa trong các nguồn nước thải: một phương thuốc cho các tác nhân gây bệnh lâm sàng

Applied Nanoscience - Tập 13 - Trang 2365-2378 - 2021
Aswin Thacharodi1, R. Priyadharshini1, G. Karthikeyan1, C. Jeganathan2, Akhila. P. Reghu1, Arivalagan Pugazhendhi3,4
1Department of Research and Development, Dr. Thacharodi’s Laboratories, Ellapillaichavadi, India
2Department of Environmental Biotechnology, Bharathidasan University, Tiruchirappalli, India
3School of Renewable Energy, Maejo University, Chiang Mai, Thailand
4College of Medical and Health Science, Asia University, Taichung, Taiwan

Tóm tắt

Ngày nay, với sự hỗ trợ của những tiến bộ trong quy trình công nghệ sinh học, các nhà nghiên cứu đang tập trung hơn về các phương pháp tiết kiệm và linh hoạt để thu hồi các sản phẩm có giá trị từ tài nguyên thiên nhiên như nước thải. Pseudomonas aeruginosa được biết đến là một trong những vi khuẩn sản sinh ra rất nhiều các loại metabolite thứ cấp trong giai đoạn tăng trưởng tích cực. Trong nghiên cứu này, P. aeruginosa đã được phân lập một cách dày đặc từ khu vực thải rác của con sông Cooum (CR) ô nhiễm nghiêm trọng ở Tamil Nadu, Ấn Độ. Chủng vi khuẩn này đã được xác định thông qua phân tích sinh hóa và phân loại phân tử bằng phương pháp giải trình tự 16S rRNA, và được đặt tên là JAAKPA. Phân tích enzyme biểu hiện của chủng đã cho thấy những hoạt động lipase và protease tiềm năng. Các hoạt động kháng khuẩn và kháng nấm của chủng này đối với mười loại tác nhân gây bệnh lâm sàng đã được thử nghiệm. Một hoạt động kháng khuẩn đáng kể đã được quan sát thấy đối với các chủng Gram dương như Staphylococcus aureus kháng methicillin (MRSA), Bacillus subtilis, và một hoạt động kháng nấm trung bình đối với Candida albicans. Dịch nuôi cấy của JAAKPA đã được tiến hành sắc ký lớp mỏng và sắc ký cột để chiết xuất và tinh chế hợp chất kháng khuẩn (Phenazine). Hợp chất tinh chế đã được tiếp tục phân tích thông qua sắc ký khí–khối phổ (GC-MS), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), và nghiên cứu cộng hưởng từ trường (NMR). Kết quả cho thấy phenazine là metabolite thứ cấp chính chịu trách nhiệm cho các hoạt động kháng khuẩn.

Từ khóa

#Pseudomonas aeruginosa #phenazine #nước thải #kháng khuẩn #kháng nấm #16S rRNA #enzyme lipase #enzyme protease #sắc ký khí khối phổ #sắc ký lớp mỏng #phân tích FTIR #phân tích NMR

Tài liệu tham khảo

Abken H-J, Tietze M, Brodersen J, Bäumer S, Beifuss U, Deppenmeier U (1998) Isolation and characterization of methanophenazine and function of phenazines in membrane-bound electron transport ofMethanosarcina mazei Gö1. J Bacteriol 180:2027–2032 Antoran A, Aparicio-Fernandez L, Pellon A, Buldain I, Martin-Souto L, Rementeria A, Ghannoum MA, Fuchs BB, Mylonakis E, Hernando FL (2020) The monoclonal antibody Ca37, developed against Candida albicans alcohol dehydrogenase, inhibits the yeast in vitro and in vivo. Sci Rep 10:1–12 Bean HD, Zhu J, Sengle JC, Hill JE (2014) Identifying methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) lung infections in mice via breath analysis using secondary electrospray ionization-mass spectrometry (SESI-MS). J Breath Res 8:041001 Bultel-Poncé V, Berge J-P, Debitus C, Nicolas J-L, Guyot M (1999) Metabolites from the sponge-associated bacterium Pseudomonas species. Mar Biotechnol 1:384–390 Butiuc-Keul A, Carpa R, Podar D, Szekeres E, Muntean V, Iordache D, Farkas A (2021) Antibiotic resistance in Pseudomonas spp. through the urban water cycle. Curr Microbiol 78:1–11 Chin-A-Woeng TF, Bloemberg GV, Lugtenberg BJ (2003) Phenazines and their role in biocontrol by Pseudomonas bacteria. New Phytol 157:503–523 Cui Q, Lv H, Qi Z, Jiang B, Xiao B, Liu L, Ge Y, Hu X (2016) Cross-Regulation between the phz1 and phz2 operons maintain a balanced level of phenazine biosynthesis in Pseudomonas aeruginosa PAO1. PLoS ONE 11:e0144447 Datta R, Huang SS (2008) Risk of infection and death due to methicillin-resistant Staphylococcus aureus in long-term carriers. Clin Infect Dis 47:176–181 de Meneses L, Pereira JR, Sevrin C, Grandfils C, Paiva A, Reis MA, Freitas F (2020) Pseudomonas chlororaphis as a multiproduct platform: conversion of glycerol into high-value biopolymers and phenazines. New Biotechnol 55:84–90 Dietrich LE, Price-Whelan A, Petersen A, Whiteley M, Newman DK (2006) The phenazine pyocyanin is a terminal signalling factor in the quorum sensing network of Pseudomonas aeruginosa. Mol Microbiol 61:1308–1321 El-Baky RMA, Mandour SA, Ahmed EF, Hashem ZS, Sandle T, Mohamed DS (2020) Virulence profiles of some Pseudomonas aeruginosa clinical isolates and their association with the suppression of Candida growth in polymicrobial infections. PLoS ONE 15:e0243418 Giridharan L, Venugopal T, Jayaprakash M (2008) Evaluation of the seasonal variation on the geochemical parameters and quality assessment of the groundwater in the proximity of River Cooum, Chennai, India. Environ Monit Assess 143:161–178 Guttenberger N, Blankenfeldt W, Breinbauer R (2017) Recent developments in the isolation, biological function, biosynthesis, and synthesis of phenazine natural products. Bioorg Med Chem 25:6149–6166 Hancock RE (1998) Resistance mechanisms in Pseudomonas aeruginosa and other nonfermentative gram-negative bacteria. Clin Infect Dis 27:S93–S99 Holtm JG, Sneath PH (1986) Bergey’s manual of systematic bacteriology. Williams & Wilkins Hou L, Zhang L, Li F, Huang S, Yang J, Ma C, Zhang D, Yu C-P, Hu A (2021) Urban ponds as hotspots of antibiotic resistome in the urban environment. J Hazard Mater 403:124008 Ibrahim S, El-Liethy MA, Elwakeel KZ, Hasan MAE-G, Al Zanaty AM, Kamel MM (2020) Role of identified bacterial consortium in treatment of Quhafa Wastewater Treatment Plant influent in Fayuom, Egypt. Environ Monit Assess 192:161 Janda JM, Bottone EJ (1981) Pseudomonas aeruginosa enzyme profiling: predictor of potential invasiveness and use as an epidemiological tool. J Clin Microbiol 14:55–60 Laxminarayan R, Duse A, Wattal C, Zaidi AK, Wertheim HF, Sumpradit N, Vlieghe E, Hara GL, Gould IM, Goossens H (2013) Antibiotic resistance—the need for global solutions. Lancet Infect Dis 13:1057–1098 Lee H-J, Kim JS, Park S-Y, Suh M-E, Kim HJ, Seo E-K, Lee C-O (2004) Synthesis and cytotoxicity evaluation of 6, 11-dihydro-pyridazo-and 6, 11-dihydro-pyrido [2, 3-b] phenazine-6, 11-diones. Bioorg Med Chem 12:1623–1628 Lee K, Omar D, Cheng G, Nasehi A, Wong M (2018) Characterization of phenazine and phenazine-1-carboxylic acid isolated from Pseudomonas aeruginosa UPMP3 and their antifungal activities against Ganoderma boninense. Pertanika J Trop Agric Sci 41:1795–1809 Liu P (1952) Utilization of carbohydrates by Pseudomonas aeruginosa. J Bacteriol 64:773 Liu T, Ye F, Pang C, Yong T, Tang W, Xiao J, Shang C, Lu Z (2020) Isolation and identification of bioactive substance 1-hydroxyphenazine from Pseudomonas aeruginosa and its antimicrobial activity. Lett Appl Microbiol 71:303–310 Mavrodi DV, Bonsall RF, Delaney SM, Soule MJ, Phillips G, Thomashow LS (2001) Functional analysis of genes for biosynthesis of pyocyanin and phenazine-1-carboxamide from Pseudomonas aeruginosa PAO1. J Bacteriol 183:6454–6465 Mavrodi DV, Blankenfeldt W, Thomashow LS (2006) Phenazine compounds in fluorescent Pseudomonas spp. biosynthesis and regulation. Annu Rev Phytopathol 44:417–445 Mazzola M, Cook R, Thomashow L, Weller D, Pierson L (1992) Contribution of phenazine antibiotic biosynthesis to the ecological competence of fluorescent pseudomonads in soil habitats. Appl Environ Microbiol 58:2616–2624 Morales DK, Grahl N, Okegbe C, Dietrich LE, Jacobs NJ, Hogan DA (2013) Control of Candida albicans metabolism and biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa phenazines. Mbio 4:e00526 Oggioni MR, Pozzi G, Valensin PE, Galieni P, Bigazzi C (1998) Recurrent septicemia in an immunocompromised patient due to probiotic strains of Bacillus subtilis. J Clin Microbiol 36:325–326 Peng J-M, Du B, Qin H-Y, Wang Q, Shi Y (2021) Metagenomic next-generation sequencing for the diagnosis of suspected pneumonia in immunocompromised patients. J Infect 82:22–27 Price-Whelan A, Dietrich LE, Newman DK (2006) Rethinking ‘secondary’ metabolism: physiological roles for phenazine antibiotics. Nat Chem Biol 2:71–78 Puyol D, Batstone DJ, Hülsen T, Astals S, Peces M, Krömer JO (2017) Resource recovery from wastewater by biological technologies: opportunities, challenges, and prospects. Front Microbiol 7:2106 Rajan S, Geethu V, Sampath S, Chakraborty P (2019) Occurrences of polycyclic aromatic hydrocarbon from Adayar and Cooum Riverine Sediment in Chennai city, India. Int J Environ Sci Technol 16:7695–7704 Römer A (1983) 13C NMR spectra of substituted phenazines: substituent effects on carbon-13 chemical shifts and the use of 13C–15N coupling constants for the assignment of the aromatic carbons. Org Magn Reson 21:130–136 Sarker SD, Nahar L, Kumarasamy Y (2007) Microtitre plate-based antibacterial assay incorporating resazurin as an indicator of cell growth, and its application in the in vitro antibacterial screening of phytochemicals. Methods 42:321–324 Shahid I, Han J, Hardie D, Baig DN, Malik KA, Borchers CH, Mehnaz S (2021) Profiling of antimicrobial metabolites of plant growth promoting Pseudomonas spp. isolated from different plant hosts. 3 Biotech 11:1–14 Tanguturu K, Mondal M, Banik A, Raman G, Sakthivel N (2020) Metabolites of fluorescent Pseudomonads and their antimicrobial and anticancer potentials. Bioactive natural products in drug discovery. Springer, pp 355–377 Valgas C, de Souza SM, Smânia EF, Smânia A Jr (2007) Screening methods to determine antibacterial activity of natural products. Braz J Microbiol 38:369–380 Vilaplana L, Marco M-P (2020) Phenazines as potential biomarkers of Pseudomonas aeruginosa infections: synthesis regulation, pathogenesis and analytical methods for their detection. Anal Bioanal Chem 412:5897–5912 Wang K, Kai L, Zhang K, Hao M, Yu Y, Xu X, Yu Z, Chen L, Chi X, Ge Y (2020) Overexpression of phzM contributes to much more production of pyocyanin converted from phenazine-1-carboxylic acid in the absence of RpoS in Pseudomonas aeruginosa. Arch Microbiol 202:1507–1515 Wang S-Y, Shi X-C, Chen X, Laborda P, Zhao Y-Y, Liu F-Q, Laborda P (2021) Biocontrol ability of phenazine-producing strains for the management of fungal plant pathogens: a review. Biol Control 155:104548 Weisburg WG, Barns SM, Pelletier DA, Lane DJ (1991) 16S ribosomal DNA amplification for phylogenetic study. J Bacteriol 173:697–703 Westerhoff P, Lee S, Yang Y, Gordon GW, Hristovski K, Halden RU, Herckes P (2015) Characterization, recovery opportunities, and valuation of metals in municipal sludges from US wastewater treatment plants nationwide. Environ Sci Technol 49:9479–9488 Yang H, Abouelhassan Y, Burch GM, Kallifidas D, Huang G, Yousaf H, Jin S, Luesch H, Huigens RW (2017) A highly potent class of halogenated phenazine antibacterial and biofilm-eradicating agents accessed through a modular Wohl-Aue synthesis. Sci Rep 7:1–16