Продукция полиаминов природными штаммами Escherichia coli, выделенными из разных источников

Обоснование. Полиамины путресцин и кадаверин служат сырьем для синтеза полиамидов, а их получение путем микробиологического синтеза является одним из актуальных направлений биотехнологии, для развития которого требуется поиск активных продуцентов и аминоацилдекарбоксилаз. Кроме того, полиамины рассматривают как фактор адаптации бактерий к биотопам организма-хозяина и связывают с их патогенностью.

Цель исследования. Оценка способности природных штаммов Escherichia coli, выделенных из разных источников, продуцировать полиамины.

Материалы и методы. Объектами исследования явились штаммы E. coli: выделенные из мочи пациентов с инфекцией мочевыводящих путей (UPEC); выделенные из органов цыплят-бройлеров с признаками колисептицемии (APEC); комменсальные, выделенные из фекалий здоровых сельскохозяйственных животных (FEC) и здоровых людей (HFEC). Бактерии культивировали в базовых (бульон LB, 120 об/мин, 37°С) и индуцирующих (среда М9 с добавкой 0,4 % глюкозы и 10 г/л орнитина/аргинина/лизина, 0 об./мин, 37°С) условиях. Количественный анализ полиаминов проводили методом тонкослойной хроматографии с предварительной дериватизацией дансилхлоридом.

Результаты. Исследована активность полиамин-синтезирующей системы у 121 штамма E. coli. Выделены штаммы, способные продуцировать 3,5 мМ путресцина из орнитина и 5 мМ путресцина из аргинина, а также более 5,5 мМ кадаверина из лизина, что значительно превышало продукцию полиаминов штаммом E. coli К12 (0,3, 0,03 и 3 мМ, соответственно). Среднее значение продукции путресцина из орнитина в группах штаммов APEC и UPEC было более чем в два раза выше по сравнению с HFEC и FEC. В неиндуцирующих условиях способность продуцировать кадаверин у штаммов, выделенных от человека (UPEC, HFEC), была в 2-3 раза ниже по сравнению со штаммами, выделенными от животных (APEC, FEC).

Заключение. Выявлена зависимость способности продуцировать полиамины от источника выделения микроорганизма.

1. Tabor CW, Tabor H. Polyamines in microorganisms. Microbiological Reviews. 1985; 49(1): 81-99. doi: 10.1128/mr.49.1.81-99.1985

2. Gevrekci AÖ. The roles of polyamines in microorganisms. World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2017; 33(11): 204. doi: 10.1007/s11274-017-2370-y

3. Michael AJ. Polyamines in eukaryotes, bacteria, and archaea. Journal of Biological Chemistry. 2016; 291(29): 14896-14903. doi: 10.1074/jbc.R116.734780

4. Michael AJ. Polyamine function in archaea and bacteria. Journal of Biological Chemistry. 2018; 293(48): 18693-18701. doi: 10.1074/jbc.TM118.005670

5. Morris DR, Fillingame RH. Regulation of amino acid decarboxylation. Annual Review of Biochemistry. 1974; 43(1): 303-321. doi: 10.1146/annurev.bi.43.070174.001511

6. Michael AJ. Biosynthesis of polyamines and polyamine-containing molecules. Biochemical Journal. 2016; 473(15): 2315-29. doi: 10.1042/BCJ20160185

7. Schwarz J, Schumacher K, Brameyer S, Jung K. Bacterial battle against acidity. FEMS Microbiology Reviews. 2022; 46(6): fuac037. doi: 10.1093/femsre/fuac037

8. Nair AV, Singh A, Chakravortty D. Defence Warriors: Exploring the crosstalk between polyamines and oxidative stress during microbial pathogenesis. Redox Biology. 2025; 83: 103648. doi: 10.1016/j.redox.2025.103648

9. Campilongo R, Di Martino ML, Marcocci L, Pietrangeli P, Leuzzi A, Grossi M, et al. Molecular and functional profiling of the polyamine content in enteroinvasive E. coli : looking into the gap between commensal E. coli and harmful Shigella. PLoS One. 2014; 9(9): e106589. doi: 10.1371/journal.pone.0106589

10. Bekebrede AF, Keijer J, Gerrits WJJ, Boer VCJ. The molecular and physiological effects of protein-derived polyamines in the intestine. Nutrients. 2020; 12(1): 197. doi: 10.3390/nu12010197

11. Hosseinkhani F, Heinken A, Thiele I, Lindenburg PW, Harms AC, Hankemeier T. The contribution of gut bacterial metabolites in the human immune signaling pathway of non-communicable diseases. Gut Microbes. 2021; 13(1): 1-22. doi: 10.1080/19490976.2021.1882927

12. Denamur E, Clermont O, Bonacorsi S, Gordon D. The population genetics of pathogenic Escherichia coli. Nature Reviews Microbiology. 2021; 19(1): 37-54. doi: 10.1038/s41579-020-0416-x

13. Mueller M, Tainter CR. Escherichia coli infection. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2023.

14. Ma W, Chen K, Li Y, Hao N, Wang X, Ouyang P. Advances in cadaverine bacterial production and its applications. Engineering. 2017; 3(3): 308-317. doi: 10.1016/J. ENG.2017.03.012

15. Huang Y, Ji X, Ma Z, tşzyk M, Xue Y, Zhao H. Green chemical and biological synthesis of cadaverine: recent development and challenges. RSC Advances. 2021; 11(39): 23922-23942. doi: 10.1039/d1ra02764f

16. Skoczinski P, Carus M, Tweddle G, Ruiz P, Hark N, Zhang A, et al. Bio-based building blocks and polymers - global capacities, production and trends 2023-2028. In-dustrial biotechnology. 2024; 20(2): 52-59. doi: 10.52548/VXTH2416

17. Wang J, Du M, Wang X, He J, Zhang A, Chen K. Highly efficient bio-production of putrescine from L-arginine with arginase and L-ornithine decarboxylase in engineered Escherichia coli. Bioresource Technology. 2024; 413: 131471. doi: 10.1016/j.biortech.2024.131471

18. Кузнецова М.В., Проворова С.В., Кубарев О.Г., Юдин Д.С., Каримова Н.В., Баяндина Н.В., и др. Сравнительная характеристика штаммов уропатогенной Escherichia coli, выделенных в условиях поликлиники и стационара. Урология. 2018; 6: 37-44. doi: 10.18565/urology.2018.6.37-44

19. Kuznetsova MV, Gizatullina JS, Nesterova LY, StarciC EM. Escherichia coli isolated from cases of colibacillosis in Russian poultry farms (Perm Krai): Sensitivity to antibiotics and bacteriocins. Microorganisms. 2020; 8(5): 741. doi: 10.3390/microorganisms8050741

20. Kuznetsova MV, Mihailovskaya VS, Remezovskaya NB, Starčič EM. Bacteriocin-producing Escherichia coli isolated from the gastrointestinal tract of farm animals: prevalence, molecular characterization and potential for application. Microorganisms. 2022; 10(8): 1558. doi: 10.3390/microorganisms10081558

21. Akhova AV, Tkachenko AG. Cadaverine biosynthesis in Escherichia coli adaptation to hydrogen peroxide. Applied Biochemistry and Microbiology. 2022; 58: 582-589. doi: 10.1134/S0003683822050039

22. Guerra PR, Herrero-Fresno A, Pors SE, Ahmed S, Wang D, Th0fner I, et al. The membrane transporter PotE is required for virulence in avian pathogenic Escherichia coli (APEC). Veterinary Microbiolology. 2018; 216: 38-44. doi: 10.1016/j.vetmic.2018.01.011

23. Nair AV, Singh A, Rajmani RS, Chakravortty D. Salmonella Typhimurium employs spermidine to exert protection against ROS-mediated cytotoxicity and rewires host polyamine metabolism to ameliorate its survival in macrophages. Redox Biology. 2024; 72: 103151. doi: 10.1016/j.redox.2024.103151

24. Guerra PR, Liu G, Lemire S, Nawrocki A, Kudirkiene E, Møller-Jensen J, et al. Polyamine depletion has global effects on stress and virulence gene expression and affects HilA translation in Salmonella enterica serovar typhimurium. Research in Microbiology. 2020; 171(3-4): 143-152. doi: 10.1016/j.resmic.2019.12.001

25. Szabó C, Southan GJ, Thiemermann C, Vane JR. The mechanism of the inhibitory effect of polyamines on the induction of nitric oxide synthase: role of aldehyde metabolites. British journal of pharmacology. 1994; 113(3): 757-766. doi: 10.1111/j.1476-5381.1994.tb17058.x

26. Bower JM, Gordon-Raagas HB, Mulvey MA. Conditioning of uropathogenic Escherichia coli for enhanced colonization of host. Infection and immunity. 2009; 77(5): 2104-2112. doi: 10.1128/iai.01200-08

27. Vasquez-Juarez RC, Kuriakose JA, Rasko DA, Ritchie JM, Kendall MM, Slater TM, et al. CadA negatively regulates Escherichia coli O157:H7 adherence and intestinal colonization. Infection and immunity. 2008; 76(11): 5072-5081. doi: 10.1128/iai.00677-08

28. Du C, Huo X, Gu H, Wu D, Hu Y. Acid resistance system CadBA is implicated in acid tolerance and biofilm formation and is identified as a new virulence factor of Edwardsiella tarda. Veterinary Research. 2021; 52(1): 117. doi: 10.1186/s13567-021-00987-x