ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2023-23-4-676-684ntv-193Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGСпектроскопия комбинационного рассеяния света в исследованиях процессов инактивации бактериальных микроорганизмовApplication of Raman spectroscopy to study the inactivation process of bacterial microorganismshttps://orcid.org/0000-0003-2585-163XМатвееваК. И.MatveevaK. I.

Матвеева Карина Игоревна — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник

sc 57200305996

Калининград, 236041

Karina I. Matveeva — PhD (Physics & Mathematics), Researcher

sc 57200305996

Kaliningrad, 236041

matveeva.k.i@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7428-6441КундалевичА. А.KundalevichA. A.

Кундалевич Анна Анатольевна — инженер-исследователь

sc 57219604837

Калининград, 236041

Anna A. Kundalevich — Research Edgineer

sc 57219604837

Kaliningrad, 236041

Kundalevich3@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0958-6338КапитуноваА. И.KapitunovaA. I.

Капитунова Анастасия Ивановна — инженер-исследователь

sc 57219899495

Калининград, 236041

Anastasia I. Kapitunova — Research Engineer

sc 57219899495

Kaliningrad, 236041

AIKapitunova@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5717-8625ЗозуляА. С.ZozulyaA. S.

Зозуля Александр Сергеевич — техник

sc 57952671000

Калининград, 236041

Aleksandr S. Zozulya — Technician

sc 57952671000

Kaliningrad, 236041

zozul97@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7910-8388СухихС. А.SukhikhS. A.

Сухих Станислав Алексеевич — доктор технических наук, доцент, заведующий лабораторией

sc 57200609482

Калининград, 236041

Stanislav A. Sukhikh — D.Sc., Associate Professor, Head of Laboratory

sc 57200609482

Kaliningrad, 236041

SSukhikh@kantiana.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8578-0701ЦибульниковаА. В.TsibulnikovaA. V.

Цибульникова Анна Владимировна — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

sc 57193169565

Калининград, 236041

Anna V. Tsibulnikova — PhD (Physics & Mathematics), Senior Researcher

sc 57193169565

Kaliningrad, 236041

memorgold@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9766-1408ЗюбинА. Ю.ZyubinA. Yu.

Зюбин Андрей Юрьевич — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

sc 57193159520

Калининград, 236041

Andrey Yu. Zyubin — PhD (Physics & Mathematics), Senior Researcher

sc 57193159520

Kaliningrad, 236041

azubin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5026-7510СамусевИ. Г.SamusevI. G.

Самусев Илья Геннадьевич — кандидат физико-математических наук, директор Научно-образовательного центра «Фундаментальная и прикладная фотоника. Нанофотоника»

sc 12779220200

Калининград, 236041

Ilia G. Samusev — PhD (Physics & Mathematics), Head of the Research & Educationl Center “Fundamental and Applied Photonics & Nanophotonics”

sc 12779220200

Kaliningrad, 236041

ISamusev@kantiana.ruБалтийский федеральный университет имени Иммануила КантаРоссияImmanuel Kant Baltic Federal UniversityRussian Federation202314122024234676684Copyright © Матвеева К.И., Кундалевич А.А., Капитунова А.И., Зозуля А.С., Сухих С.А., Цибульникова А.В., Зюбин А.Ю., Самусев И.Г., 20242024Матвеева К.И., Кундалевич А.А., Капитунова А.И., Зозуля А.С., Сухих С.А., Цибульникова А.В., Зюбин А.Ю., Самусев И.Г.Matveeva K.I., Kundalevich A.A., Kapitunova A.I., Zozulya A.S., Sukhikh S.A., Tsibulnikova A.V., Zyubin A.Y., Samusev I.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/193

Введение. Спектроскопия комбинационного рассеяния света является одним из перспективных подходов для структурно-функциональных исследований биологических объектов, в том числе бактериальных микроорганизмов. Для бактериального анализа применяются традиционные биохимические тесты и генетические методы. Генетические методы требуют дорогостоящих реагентов, расходных материалов и являются времязатратными. Спектроскопические методы исследования позиционируются как неинвазивные, высокочувствительные и требующие минимальной пробоподготовки образцов. В представленной работе исследована возможность применения метода комбинационного рассеяния света, использующего оптические сенсоры на основе золотых анизотропных наночастиц. Применимость метода продемонстрирована на изучении влияния антибиотика цефалоспоринового ряда широкого спектра действия и экстракта калины (Viburnum opulus L) на колонии кишечной палочки (Escherichia coli). Метод. Применен метод спектроскопии комбинационного рассеяния света с использованием спектрометра Virsa (Renishaw). Усиление сигнала комбинационного рассеяния света проводилось с использованием предложенных авторами двух оригинальных оптических сенсоров. Для создания сенсоров выбраны химический метод осаждения нанозвезд золота на APTES-модифицированные кварцевые стекла и физический метод создания сенсоров, основанный на анодировании титановых поверхностей. Основные результаты. Полученные результаты показали высокую чувствительность и информативность предложенного метода. Подтверждена возможность использования метода комбинационного рассеяния света для исследования инактивации бактериальных микроорганизмов. Определены и идентифицированы спектральные полосы комбинационного рассеяния света Escherichia coli до и после воздействия экстракта калины и антибиотика в качестве контроля. Установлено уменьшение интенсивности спектральных мод, соответствующих аминокислотам и пуриновым метаболитам, в усредненном спектре комбинационного рассеяния света Escherichia coli после воздействия экстракта калины. Обсуждение. Впервые проведено исследование антимикробного эффекта водного экстракта плодов калины методом комбинационного рассеяния света. Показано, что применение растительных экстрактов, в том числе экстрактов плодов калины, для инактивации жизнедеятельности колоний бактерий является перспективным подходом по поиску новых альтернативных антибактериальных средств. Полученные результаты хорошо согласуются с уже известными научными исследованиями и подтверждают эффективность предложенного метода.

Raman spectroscopy (RS) is one of the promising approaches for structural and functional studies of various biological objects, including bacterial microorganisms. Both traditional biochemical tests and genetic methods which require expensive reagents, consumables and are time-consuming are used for bacterial analysis. Spectroscopic methods are positioned as noninvasive, highly sensitive, and requiring minimal sample preparation. In this work we investigated the possibility of using the RS method using optical sensors based on gold anisotropic nanoparticles. The applicability of the method was demonstrated by studying the effect of a broad-spectrum cephalosporin antibiotic and an extract of Viburnum opulus L (VO) on Escherichia coli (E. Coli) colonies. The studies were performed by Raman spectroscopy using a Virsa spectrometer (Renishaw). Raman signal amplifcation was carried out using two original optical sensors proposed by the authors. To create sensors, we used a chemical method of depositing gold nanostars on APTES-modifed quartz glasses and a physical method for creating sensors based on anodizing titanium surfaces. The results of the study showed the high sensitivity and information content of the proposed method. The possibility of using the RS method for studying the inactivation of bacterial microorganisms is shown. Spectral Raman bands of E. Coli were determined and identifed before and after exposure to VO extract and antibiotic as a control. A decrease in the intensity of spectral modes corresponding to amino acids and purine metabolites was found in the average Raman spectrum of E. Coli after exposure to VO extract. For the frst time, a study of the antimicrobial effect of an aqueous extract of VO fruits was carried out by the method of Raman scattering. It has been shown that the use of plant extracts, including VO fruit extracts, to inactivate the vital activity of bacterial colonies is a promising approach to the search for new alternative antibacterial agents. The results obtained are in good agreement with the already known scientifc studies and confrm the effectiveness of the proposed method.

плазмонный резонанснанозвездыКРСViburnum opulus Lкишечная палочкаантибиотикиplasmon resonancenanostarsSERSViburnum opulus LEscherichia coliantibioticsРабота выполнена при поддержке проекта государственного задания Минобрнауки Российской Федерации № FZWM-2020-0003 «Исследование новых материалов и методов плазмо- и фототерапии онкологических заболеваний, дерматитов и септических осложнений» 2020–2023 гг.The work was supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation State Assignment no. FZWM-2020-0003 “Research of new materials and methods of plasma and phototherapy of cancer, dermatitis, and septic complications” 2020-2023.ReferencesCoates A.R.M., Halls G., Hu Y. Novel classes of antibiotics or more of the same? // British Journal of Pharmacology. 2011. V. 163. N 1. P. 184–194. https://doi.org/10.1111/j.1476-5381.2011.01250.xCoates A.R.M., Halls G., Hu Y. Novel classes of antibiotics or more of the same? // British Journal of Pharmacology. 2011. V. 163. N 1. P. 184–194. https://doi.org/10.1111/j.1476-5381.2011.01250.xCheesman M.J., Ilanko A., Blonk B. Developing new antimicrobial therapies: are synergistic combinations of plant extracts/compounds with conventional antibiotics the solution? // Pharmacognosy Reviews. 2017. V. 11. N 22. P. 57. https://doi.org/10.4103/phrev.phrev_21_17Cheesman M.J., Ilanko A., Blonk B. Developing new antimicrobial therapies: are synergistic combinations of plant extracts/compounds with conventional antibiotics the solution? // Pharmacognosy Reviews. 2017. V. 11. N 22. P. 57. https://doi.org/10.4103/phrev.phrev_21_17Aminov R.I. The role of antibiotics and antibiotic resistance in nature // Environmental Microbiology. 2009. V. 11. N 12. P. 2970–2988. https://doi.org/10.1111/j.1462-2920.2009.01972.xAminov R.I. The role of antibiotics and antibiotic resistance in nature // Environmental Microbiology. 2009. V. 11. N 12. P. 2970–2988. https://doi.org/10.1111/j.1462-2920.2009.01972.xNjimoh D.L., Assob J.C.N., Mokake S.E., Nyhalah D.J., Yinda C.K., Sandjon B. Antimicrobial activities of a plethora of medicinal plant extracts and hydrolates against human pathogens and their potential to reverse antibiotic resistance // International Journal of M i c r o b i o l o g y. 2 0 1 5 . V. 2015. P. 1–5. https://doi.org/10.1155/2015/547156Njimoh D.L., Assob J.C.N., Mokake S.E., Nyhalah D.J., Yinda C.K., Sandjon B. Antimicrobial activities of a plethora of medicinal plant extracts and hydrolates against human pathogens and their potential to reverse antibiotic resistance // International Journal of M i c r o b i o l o g y. 2 0 1 5 . V. 2015. P. 1–5. https://doi.org/10.1155/2015/547156Kothari V., Gupta A., Naraniwal M. Comparative study of various methods for extraction of antioxidant and antibacterial compounds from plant seeds // Journal of Natural Remedies. 2012. V. 12. N 2. P. 162–173. https://doi.org/10.18311/jnr/2012/271Kothari V., Gupta A., Naraniwal M. Comparative study of various methods for extraction of antioxidant and antibacterial compounds from plant seeds // Journal of Natural Remedies. 2012. V. 12. N 2. P. 162–173. https://doi.org/10.18311/jnr/2012/271Chiode M.M.M., Colonello G.P., Kabadayan F., de Souza Silva J., Suffredini I.B., Saraceni C.H.C. Plant extract incorporated into glass ionomer cement as a photosensitizing agent for antimicrobial photodynamic therapy on Streptococcus mutans // Photodiagnosis and Photodynamic Therapy. 2022. V. 38. P. 102788. https://doi.org/10.1016/j.pdpdt.2022.102788Chiode M.M.M., Colonello G.P., Kabadayan F., de Souza Silva J., Suffredini I.B., Saraceni C.H.C. Plant extract incorporated into glass ionomer cement as a photosensitizing agent for antimicrobial photodynamic therapy on Streptococcus mutans // Photodiagnosis and Photodynamic Therapy. 2022. V. 38. P. 102788. https://doi.org/10.1016/j.pdpdt.2022.102788Sarker M.A.R., Ahn Y.H. Green phytoextracts as natural photosensitizers in LED-based photodynamic disinfection of multidrug-resistant bacteria in wastewater effuent // Chemosphere. 2 0 2 2 . V. 297. P. 134157. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.134157Sarker M.A.R., Ahn Y.H. Green phytoextracts as natural photosensitizers in LED-based photodynamic disinfection of multidrug-resistant bacteria in wastewater effuent // Chemosphere. 2 0 2 2 . V. 297. P. 134157. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.134157Ozkan G., Kostka T., Dräger G., Capanoglu E., Esatbeyoglu T. Bioaccessibility and transepithelial transportation of cranberrybush (Viburnum opulus) phenolics: Effects of non-thermal processing and food matrix // Food Chemistry. 2022. V. 380. P. 132036. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.132036Ozkan G., Kostka T., Dräger G., Capanoglu E., Esatbeyoglu T. Bioaccessibility and transepithelial transportation of cranberrybush (Viburnum opulus) phenolics: Effects of non-thermal processing and food matrix // Food Chemistry. 2022. V. 380. P. 132036. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.132036Kajszczak D., Zakłos-Szyda M., Podsędek A. Viburnum opulus L. A review of phytochemistry and biological effects // Nutrients. 2020. V. 12. N 11. P. 3398. https://doi.org/10.3390/nu12113398Kajszczak D., Zakłos-Szyda M., Podsędek A. Viburnum opulus L. A review of phytochemistry and biological effects // Nutrients. 2020. V. 12. N 11. P. 3398. https://doi.org/10.3390/nu12113398Perova I.B., Zhogova A.A., Cherkashin A.V., Éller K.I., Ramenskaya G.V., Samylina I.A. Biologically active substances from European guelder berry fruits // Pharmaceutical Chemistry Journal. 2014. V. 48. N 5. P. 332–339. https://doi.org/10.1007/s11094-014-1105-8Perova I.B., Zhogova A.A., Cherkashin A.V., Éller K.I., Ramenskaya G.V., Samylina I.A. Biologically active substances from European guelder berry fruits // Pharmaceutical Chemistry Journal. 2014. V. 48. N 5. P. 332–339. https://doi.org/10.1007/s11094-014-1105-8Balouiri M., Sadiki M., Ibnsouda S.K. Methods for in vitro evaluating antimicrobial activity: A review // Journal of Pharmaceutical Analysis. 2016. V. 6. N 2. P. 71–79. https://doi.org/10.1016/j.jpha.2015.11.005Balouiri M., Sadiki M., Ibnsouda S.K. Methods for in vitro evaluating antimicrobial activity: A review // Journal of Pharmaceutical Analysis. 2016. V. 6. N 2. P. 71–79. https://doi.org/10.1016/j.jpha.2015.11.005Jung G.B., Nam S.W., Choi S., Lee G.-J., Park H.-K. Evaluation of antibiotic effects on Pseudomonas aeruginosa bioflm using Raman spectroscopy and multivariate analysis // Biomedical Optics Express. 2014. V. 5. N 9. P. 3238–3251. https://doi.org/10.1364/boe.5.003238Jung G.B., Nam S.W., Choi S., Lee G.-J., Park H.-K. Evaluation of antibiotic effects on Pseudomonas aeruginosa bioflm using Raman spectroscopy and multivariate analysis // Biomedical Optics Express. 2014. V. 5. N 9. P. 3238–3251. https://doi.org/10.1364/boe.5.003238Macias G., Alba M., Marsal L.F., Mihi A. Surface roughness boosts the SERS performance of imprinted plasmonic architectures // Journal of Materials Chemistry C. 2016. V. 4. N 18. P. 3970–3975. https://doi.org/10.1039/c5tc02779aMacias G., Alba M., Marsal L.F., Mihi A. Surface roughness boosts the SERS performance of imprinted plasmonic architectures // Journal of Materials Chemistry C. 2016. V. 4. N 18. P. 3970–3975. https://doi.org/10.1039/c5tc02779aBarbillon G. Latest novelties on plasmonic and non-plasmonic nanomaterials for SERS sensing // Nanomaterials. 2020. V. 10. N 6. P. 1200. https://doi.org/10.3390/nano10061200Barbillon G. Latest novelties on plasmonic and non-plasmonic nanomaterials for SERS sensing // Nanomaterials. 2020. V. 10. N 6. P. 1200. https://doi.org/10.3390/nano10061200Khoury C.G., Vo-Dinh T. Gold nanostars for surface-enhanced Raman scattering: synthesis, characterization and optimization // The Journal of Physical Chemistry C. 2008. V. 112. N 48. P. 18849–18859. https://doi.org/10.1021/jp8054747Khoury C.G., Vo-Dinh T. Gold nanostars for surface-enhanced Raman scattering: synthesis, characterization and optimization // The Journal of Physical Chemistry C. 2008. V. 112. N 48. P. 18849–18859. https://doi.org/10.1021/jp8054747Tcibulnikova A.V., Khankaev A.A., Samusev I.G., Slezhkin V.A., Bryukhanov V.V., Demin M.V., Myslitskaya N.A., Lyatun I.I., Medvedskaya P.N. Polarized plasmon resonance spectra of electrochemically modifed titanium surfaces with gold nanoparticles // Materials Research Express. 2020. V. 7. N 12. P. 125802. https://doi.org/10.1088/2053-1591/abce9eTcibulnikova A.V., Khankaev A.A., Samusev I.G., Slezhkin V.A., Bryukhanov V.V., Demin M.V., Myslitskaya N.A., Lyatun I.I., Medvedskaya P.N. Polarized plasmon resonance spectra of electrochemically modifed titanium surfaces with gold nanoparticles // Materials Research Express. 2020. V. 7. N 12. P. 125802. https://doi.org/10.1088/2053-1591/abce9eZyubin A., Rafalskiy V., Tcibulnikova A., Moiseeva E., Matveeva K., Tsapkova A., Lyatun I., Medvedskaya P., Samusev I., Demin M. Surface-enhanced Raman spectroscopy for antiplatelet therapy effectiveness assessment // Laser Physics Letters. 2020. V. 17. N 4. P. 045601. https://doi.org/10.1088/1612-202x/ab7be5Zyubin A., Rafalskiy V., Tcibulnikova A., Moiseeva E., Matveeva K., Tsapkova A., Lyatun I., Medvedskaya P., Samusev I., Demin M. Surface-enhanced Raman spectroscopy for antiplatelet therapy effectiveness assessment // Laser Physics Letters. 2020. V. 17. N 4. P. 045601. https://doi.org/10.1088/1612-202x/ab7be5Зюбин А.Ю., Кон И.И., Кундалевич А.А., Демишкевич Е.А., Матвеева К.И., Зозуля А.С., Евтифеев Д.О., Полторабатько Д.А., Самусев И.Г. Оптические свойства планарных плазмон-активных поверхностей, модифицированных золотыми нанозвездами // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22. № 5. С. 824–831. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-5-824-831Zyubin A.Yu., Kon I.I., Kundalevich A.A., Demishkevich E.A., Matveeva K.I., Zozulya A.S., Evtifeev D.O., Poltorabatko D.A., Samusev I.G. Optical properties of planar plasmon active surfaces modifed with gold nanostars. Scientifc and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2022, vol. 22, no. 5, pp. 824–831. (in Russian). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-5-824-831Durovich E., Evtushenko E., Senko O., Stepanov N., Efremenko E., Eremenko A., Kurochkin I. Molecular origin of surface-enhanced Raman spectra of E. coli suspensions excited at 532 and 785 nm using silver nanoparticle sols as sers substrates // Bulletin of Russian State Medical University. 2018. N 6. P. 25–32. https://doi.org/10.24075/brsmu.2018.088Durovich E., Evtushenko E., Senko O., Stepanov N., Efremenko E., Eremenko A., Kurochkin I. Molecular origin of surface-enhanced Raman spectra of E. coli suspensions excited at 532 and 785 nm using silver nanoparticle sols as sers substrates // Bulletin of Russian State Medical University. 2018. N 6. P. 25–32. https://doi.org/10.24075/brsmu.2018.088Noothalapati Venkata H.N. Raman Micro-spectroscopic and Imaging Studies of Escherichia coli Bioflm in situ and Intracellular Dynamics of Fission Yeasts in vivo Using Stable Isotope Labelling: PhD Thesis / National Chiao Tung University, Department of Applied Chemistry, 2013. 68 p.Noothalapati Venkata H.N. Raman Micro-spectroscopic and Imaging Studies of Escherichia coli Bioflm in situ and Intracellular Dynamics of Fission Yeasts in vivo Using Stable Isotope Labelling: PhD Thesis / National Chiao Tung University, Department of Applied Chemistry, 2013. 68 p.Teng L., Wang X., Wang X., Gou H., Ren L., Wang T., Wang Y., Ji Y., Huang W.E., Xu J. Label-free, rapid and quantitative phenotyping of stress response in E. coli via ramanome // Scientifc Reports. 2016. V. 6. N 1. P. 34359. https://doi.org/10.1038/srep34359Teng L., Wang X., Wang X., Gou H., Ren L., Wang T., Wang Y., Ji Y., Huang W.E., Xu J. Label-free, rapid and quantitative phenotyping of stress response in E. coli via ramanome // Scientifc Reports. 2016. V. 6. N 1. P. 34359. https://doi.org/10.1038/srep34359Moritz T.J., Polage C.R., Taylor D.S., Krol D.M., Lane S.M., Chan J.W. Evaluation of Escherichia coli cell response to antibiotic treatment by use of Raman spectroscopy with laser tweezers // Journal of Clinical Microbiology. 2010. V. 48. N 11. P. 4287–4290. https://doi.org/10.1128/jcm.01565-10Moritz T.J., Polage C.R., Taylor D.S., Krol D.M., Lane S.M., Chan J.W. Evaluation of Escherichia coli cell response to antibiotic treatment by use of Raman spectroscopy with laser tweezers // Journal of Clinical Microbiology. 2010. V. 48. N 11. P. 4287–4290. https://doi.org/10.1128/jcm.01565-10Li R., Dhankhar D., Chen J., Krishnamoorthi A., Cesario Th.C., Rentzepis P.M. Identifcation of live and dead bacteria: A Raman spectroscopic study // IEEE Access. 2019. V. 7. P. 23549–23559. https://doi.org/10.1109/access.2019.2899006Li R., Dhankhar D., Chen J., Krishnamoorthi A., Cesario Th.C., Rentzepis P.M. Identifcation of live and dead bacteria: A Raman spectroscopic study // IEEE Access. 2019. V. 7. P. 23549–23559. https://doi.org/10.1109/access.2019.2899006Gu P., Yang F., Kang J., Wang Q., Qi Q. One-step of tryptophan attenuator inactivation and promoter swapping to improve the production of L-tryptophan in Escherichia coli // Microbial Cell Factories. 2012. V. 11. N 1. P. 1–9. https://doi.org/10.1186/1475-2859-11-30Gu P., Yang F., Kang J., Wang Q., Qi Q. One-step of tryptophan attenuator inactivation and promoter swapping to improve the production of L-tryptophan in Escherichia coli // Microbial Cell Factories. 2012. V. 11. N 1. P. 1–9. https://doi.org/10.1186/1475-2859-11-30Gu P., Su T., Wang Q., Liang Q., Qi Q. Tunable switch mediated shikimate biosynthesis in an engineered non-auxotrophic Escherichia coli // Scientifc Reports. 2016. V. 6. N 1. P. 29745. https://doi.org/10.1038/srep29745Gu P., Su T., Wang Q., Liang Q., Qi Q. Tunable switch mediated shikimate biosynthesis in an engineered non-auxotrophic Escherichia coli // Scientifc Reports. 2016. V. 6. N 1. P. 29745. https://doi.org/10.1038/srep29745

The authors declare that there are no conflicts of interest present.