Fitokimyasallar ile bakteriyel biyofilm ve FtsZ inhibisyonu
Bacterial biofilm and FtsZ inhibition by phytochemicals
Yazar: THAHIYA NAUSHAD
Danışman: PROF. DR. İRFAN TÜRETGEN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı / Temel ve Endüstriyel Mikrobiyoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Biyoloji = Biology

Özet:
Biyofilmler, mikroorganizmaların yüzeylere yapıştığı ve EPS (hücre dışı polimerik maddeler) matris ile kaplandığı karmaşık topluluklardır. Mikrobiyolojik açıdan bu dayanıklı yapılar özellikle Acinetobacter baumannii ve Streptococcus pyogenes gibi kötü ün salmış patojenlerle ilişkilendirildiğinde ciddi zorluklar sunar. A. baumannii ve S. pyogenes, inatçı biyofilm oluşturma yetenekleriyle bilinirler. Bu biyofilmler, sağlık hizmetleri ve ötesinde birçok komplikasyona neden olur. Bu nedenle bu patojenlerin neden olduğu enfeksiyonların tedavisi özellikle zor olmaktadır. Biyofilm matrisi sadece onları konağın bağışıklık sisteminden korumakla kalmaz, aynı zamanda antibiyotiklerin nüfuzunu da engeller. Sonuç olarak, A. baumannii ve S. pyogenes enfeksiyonları genellikle geleneksel tedavi yaklaşımlarına karşı artan direnç göstererek halk sağlığına karşı ciddi bir tehdit oluşturur. Biyofilm oluşumunun dinamiklerini anlamak ve onları etkili bir şekilde bozmak, biyofilmle ilişkili enfeksiyonlarla mücadelede son derece önemlidir.
Bu araştırmada odak nokta Etlingera elatior'un infloresansından çıkarılan esansiyel yağın antibiyofilm özelliklerini keşfetmek olmuştur. Esansiyel yağı çıkarmak için hidrodistilasyon yöntemi kullanılmış ve daha sonra Gaz Kromatografisi-Kütle Spektrometresi (GC-MS) ile titizlikle analiz edilmiştir. Çalışmada FEO'nun (Etlingera elatior esansiyel yağı) bu zararlı patojenlere karşı antibiyofilm özelliklerinin değerlendirilmesine odaklanmıştır. FEO, düşük konsantrasyonlarda bile etkili olarak A. baumannii ve S. pyogenes biyofilmi üzerinde sırasıyla %80 ve %79.1'lik inhibisyon göstermiştir. FEO'nun etkisi sadece inhibisyonla sınırlı kalmamış aynı zamanda hücre yüzeyi hidrofobisitesini de etkileyerek her iki patojende EPS üretimini azaltmıştır. Ayrıca FEO, A. baumannii'de katalaz enzimi ve yüzey ilişkili hareketlilik gibi virülans faktörlerinin üretimini engellerken, A. baumannii ve S. pyogenes'in insan kanındaki canlı kalma oranlarını etkili bir şekilde azaltmıştır.
İlginç bir şekilde in silico analizler bileşenlerden biri olan sinamaldehit üzerine odaklanmaya teşvik etmiştir. Sinamaldehit düşük konsantrasyonlarda bile A. baumannii ve S. pyogenes biyofilmleri üzerinde %86.67 ve %81.85'lik inhibisyon oranlarıyla dikkat çekici bir antibiyofilm potansiyeli sergilemiştir. Sinamaldehit, FEO gibi hücre yüzeyi hidrofobisitesini ve EPS üretimini etkilemiş, kanda canlı kalma oranlarını azaltmış ve biyofilmle ilişkilendirilen virülans faktörlerini hafifletmiştir. RT-PCR çalışmaları, temel biyofilmle ilişkilendirilen virülans genlerinin anlamlı bir şekilde aşağı regüle edildiğini ortaya koyarak biyofilmle ilişkili enfeksiyonlarla mücadelede yaklaşımımızın potansiyelini vurgulamıştır. Çalışma ayrıca FEO ve sinamaldehitin antibakteriyel etkinliğinin, hücre bölünmesi sırasında Z-halkasının oluşumu için esansiyel olan FtsZ proteinini inhibe etme yeteneklerine dayandığını ortaya koymuştur.
Sonuçlar biyofilm ilişkili zorluklarıyla bilinen A. baumannii ve S. pyogenes'e karşı FEO'nun güçlü antibiyofilm ve antibakteriyel özelliklerini desteklemektedir. Bu bulgular gelecekteki biyofilm odaklı terapötik stratejilerin geliştirilmesi için umut vericidir. Dahası, bu özellikler sinamaldehit varlığı ile yakından ilişkilidir. Düşük konsantrasyonlarda bile sinamaldehitin varlığı, biyofilm yapsını bozarak gelişmiş tedavi seçenekleri için bir potansiyeli işaret etmektedir.

Abstract:
Biofilms are complex communities of microorganisms attached to surfaces and encased in a matrix of extracellular polymeric substances (EPS). In the realm of microbiology, these resilient structures present significant challenges, particularly when associated with notorious pathogens such as Acinetobacter baumannii and Streptococcus pyogenes. A. baumannii and S. pyogenes are notorious for their biofilm-forming capabilities. These biofilms create numerous complications in healthcare settings and beyond, making infections caused by these pathogens particularly challenging to treat. The protective biofilm matrix not only shields them from the host's immune system but also impedes the penetration of antibiotics. As a result, A. baumannii and S. pyogenes infections often exhibit increased resistance to conventional therapeutic approaches, posing a significant threat to public health. Understanding the dynamics of biofilm formation and finding effective ways to disrupt them is of paramount importance in combating biofilm-related infections.
In this research, we centered our focus on exploring the antibiofilm properties of the essential oil extracted from the inflorescence of Etlingera elatior, an ethnobotanically significant plant. The hydrodistillation method was employed to extract the essential oil, which was then meticulously analyzed through Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS). Our work delved into the evaluation of FEO's (Etlingera elatior essential oil) antibiofilm properties against these formidable pathogens. FEO demonstrated concentration-dependent antibiofilm effects, with impressive inhibition rates of 80% and 79.1% for A. baumannii and S. pyogenes biofilms, respectively, at relatively low concentrations. Importantly, FEO's influence extended beyond mere inhibition; it also affected cell surface hydrophobicity and reduced EPS production in both pathogens. Furthermore, FEO effectively lowered the survival rates of A. baumannii and S. pyogenes in human blood, while also hampering the production of virulence factors such as catalase and surface-associated motility in A. baumannii.
Intriguingly, in silico analysis singled out cinnamaldehyde for further investigation. Cinnamaldehyde exhibited remarkable antibiofilm potential, with inhibition rates of 86.67% for A. baumannii and 81.85% for S. pyogenes biofilms, all at extremely low concentrations. Cinnamaldehyde, like FEO, influenced cell surface hydrophobicity and EPS production, reducing survival rates and mitigating biofilm-associated virulence factors. RT-PCR studies revealed significant downregulations of key biofilm-associated virulence genes, underscoring the potential of our approach in combating biofilm-related infections. The study also uncovered that the antibacterial efficacy of both FEO and cinnamaldehyde was rooted in their ability to inhibit the FtsZ protein, essential for the formation of the Z-ring during cell division.
In conclusion, our research showcases the potent antibiofilm and antibacterial properties of FEO against A. baumannii and S. pyogenes, two pathogens known for their biofilm-related challenges. These findings are promising for future applications in the development of biofilm-targeted therapeutic strategies. Moreover, these properties are closely linked to the presence of cinnamaldehyde. Hence the presence of cinnamaldehyde even at low concentrations, underscores its significance in this research, pointing to potential avenues for biofilm disruption and enhanced treatment options.