Спектроскопия комбинационного рассеяния света в исследованиях процессов инактивации бактериальных микроорганизмов

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.

1. Coates 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.x

2. Cheesman 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_17

3. Aminov 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.x

4. Njimoh 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/10.1155/2015/547156

5. Kothari 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/2012/271

6. Chiode 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.2022.102788

7. Sarker 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.2022.134157

8. Ozkan 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.2021.132036

9. Kajszczak 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/nu12113398

10. Perova 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/s11094-014-1105-8

11. Balouiri 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.2015.11.005

12. Jung 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.5.003238

13. Macias 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/c5tc02779a

14. Barbillon 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/nano10061200

15. Khoury 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/jp8054747

16. Tcibulnikova 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/abce9e

17. Zyubin 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/ab7be5

18. Зюбин 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/10.17586/2226-1494-2022-22-5-824-831

19. Durovich 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.2018.088

20. 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.

21. 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/srep34359

22. Moritz 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.01565-10

23. Li 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.2019.2899006

24. Gu 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/10.1186/1475-2859-11-30

25. Gu 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