Real-time мониторинг физиологических параметров для изучения раннего ответа бактерий Escherichia coli на пероксидный стресс
Автор: Тюленев А.В., Смирнова Г.В., Габова А.О., Триандафилова Г.А., Октябрьский О.Н.
Журнал: Вестник Пермского университета. Серия: Биология @vestnik-psu-bio
Рубрика: Микробиология
Статья в выпуске: 1, 2022 года.
Бесплатный доступ
Исследовался ответ аэробно растущих культур Escherichia coli на пероксидный стресс с применением синхронного мониторинга в реальном времени таких параметров, как pO2 (парциальное давление кислорода), рН, Eh (редокс-потенциал культуры), экстраклеточные уровни ионов K+ и S2-, в комбинации с традиционными физиолого-биохимическими и генетическими методами. Установлено, что при раннем ответе на пероксидный стресс наблюдается резкое повышение pO2 в среде, вызванное деструкцией H2O2 эндогенными каталазами. При действии 100 μM H2O2 обратимое падение скорости роста сопровождалось возрастанием экстра- и внутриклеточного глутатиона и кратковременным увеличением продукции сульфида. Обработка высокой дозой H2O2 (10 mM) приводила к ингибированию роста и снижению колониеобразующей способности (CFU), наиболее выраженных у мутантов по синтезу глутатиона. Одновременно у 8% клеток снижался мембранный потенциал, наблюдался выход части калия в среду, и возрастала экспрессия гена sulA, входящего в состав SOS-регулона. В совокупности, применение комплексного подхода позволило выявить тесную связь между ростовыми параметрами (удельная скорость роста и выживаемость), дыхательной активностью, продукцией сульфида, а также способностью бактерий к поддержанию мембранного потенциала и градиента ионов калия.
Физиологические (интегральные) параметры культуры, электрохимические сенсоры, мониторинг в реальном времени, бактерии escherichia coli, пероксидный стресс
Короткий адрес: https://sciup.org/147237566
IDR: 147237566 | УДК: 579.22
Real-time monitoring of physiological parameters in the study of Escherichia coli early response to peroxide stress
The response of aerobically growing Escherichia coli cultures to peroxide stress was studied using synchronous real-time monitoring of parameters pO2 (oxygen partial pressure), pH, Eh (redox potential of the culture), extracellular levels of K+ and S2-, in combination with traditional physiological, biochemical and genetic methods. A sharp increase in pO2 level in the medium caused by the destruction of H2O2 by endogenous catalases was observed in the early response to peroxide stress. The addition of 100 μM H2O2 provoked a reversible decrease in the specific growth rate, accompanied by an increase of extra- and intracellular glutathione and a short-term increase in sulfide production. Treatment with a high dose of H2O2 (10 mM) led to growth inhibition and a CFU loss, most pronounced in glutathione synthesis mutants. Simultaneously, in 8% of cells, the membrane potential decreased, a part of potassium was released into the medium, and the expression of the sulA gene, which is part of the SOS-regulon, increased. Application of an integrated approach to the study of stress revealed a close relationship between growth parameters (specific growth rate and survival), respiratory activity, sulfide production, and the ability of E. coli cells to maintain the membrane potential and K+ gradient.
Список литературы Real-time мониторинг физиологических параметров для изучения раннего ответа бактерий Escherichia coli на пероксидный стресс
- Baba T. et al. Construction of Escherichia coli K-12 in-frame, single-gene knockout mutants: the Keio collection // Mol. Syst. Biol. 2006. Vol. 2. P. 1-11. DOI:10.1038/msb4100050
- Miller J.H. Experiments in molecular genetics // Cold Spring Harbor: Cold Spring Harbor Laboratory Press. 1972. 466 p.
- Oktyabrskii O.N., Smirnova G.V. Redox potential changes in bacterial cultures under stress conditions // Microbiology (Moscow). 2012. Vol. 81, № 2. P. 131-142. DOI:10.1134/s0026261712020099
- Owens R.A., Hartman P.E. Export of glutathione by some widely used Salmonella typhimurium and Escherichia coli strains // J. Bacteriol. 1986. Vol. 168. P. 109-114. DOI:10.1128/jb.168.1.109-114.1986
- Smirnova G.V. et al. Transmembrane glutathione cycling in growing Escherichia coli cells // Microbiol. Res. 2012. Vol. 167. P. 166-172. DOI:10.1016/j.micres.2011.05.005
- Smirnova G.V. et al. Ciprofloxacin provokes SOS-dependent changes in respiration and membrane potential and causes alterations in redox status of Escherichia coli. // Res. Microbiol. 2017. Vol. 168. P. 64-73. DOI:10.1016/j.resmic.2016.07.008.
- Smirnova G.V. et al. The sharp phase of respiratory inhibition during amino acid starvation in Escherichia coli is RelA -dependent and associated with the regulation of ATP synthase activity. // Res. Microbiol. 2018. Vol. 169. P. 157-165. DOI:10.1016/j.resmic.2018.02.003
- Smirnova G.V. et al. Cysteine homeostasis under inhibition of protein synthesis in Escherichia coli cells. // Amino Acids. 2019. Vol. 51. P. 1577-1592. DOI:10.1007/s00726-019-02795-2
- Tietze F. Enzymic method for quantitative determination of nanogram amounts of total and oxidized glutathione: applications to mammalian blood and other tissues // Anal. Biochem. 1969. Vol. 27. P. 502-522. DOI: 10.1016/0003-2697(69)90064-5
- Tyulenev A.V. et al. The role of sulfides in stress-induced changes of Eh in Escherichia coli cultures. // Bioelectrochemistry. 2018. Vol. 121. P. 11-17. DOI: 10.1016/j.bioelechem.2017.12.012
- Zhao X. et al. Moving forward with reactive oxygen species involvement in antimicrobial lethality. // J. Antimicrob. Chemother. 2015. Vol. 70. P. 639-642. DOI:10.1093/jac/dku463
