Исследование воздействия ампициллина на морфологические и механические свойства клеток Escherichia coli и Bacillus cereus с использованием метода атомно-силовой микроскопии

Исследование воздействия ампициллина на морфологические и механические свойства клеток Escherichia coli и Bacillus cereus с использованием метода атомно-силовой микроскопии

Д. Г ДЕРЯБИН, А. С. ВАСИЛЬЧЕНКО, А. Н. НИКИЯН

Оренбургский государственный университет

Investigation of Ampicillin Effect on Morphological and Mechanical Properties of Escherichia coli and Bacillus cereus Cells with Atomic Force Microscopy

D. G. DERYABIN, A. S. VASILCHENKO, A. N. NIKIYAN Orenburg State University, Orenburg

Методом атомно-силовой микроскопии изучено влияние суббактериостатических концентраций ампициллина на морфологические и механические свойства клеток грамотрицательного (Escherichia coli K12 TG1) и грамположительного (Bacillus cereus IP5832) микроорганизмов. Показана выраженная гетерогенность бактериальных популяций по характеру реагирования на воздействие антибиотика. Общим моментом являлось увеличение размера клеток, что может быть обусловлено действием внутреннего осмотического давления на снизившую свою прочность клеточную стенку. Помимо этого в популяции E.coli обнаружены аномально удлинённые клетки с признаками нарушения септирования, а также происходящие от них структуры, утратившие жидкую фракцию цитоплазматического содержимого. В свою очередь у B.cereus действие внутреннего осмотического давления преимущественно вело к увеличению поперечного сечения клетки, изменяя её форму от палочки к сфере, что сопровождалось выраженным нарушением структурированности поверхности с освобождением фрагментов пептидогликана в окружающую среду. В качестве причины наблюдаемых особенностей реагирования E.coli K12 TG1 и B.cereus IP5832 на воздействие ампициллина названы различия в строении их клеточных стенок, в том числе обусловленные особенностями синтеза и трёхмерной организации пептидогликана.

Ключевые слова: ампициллин, Escherichia coli, Bacillus cereus, атомно-силовая микроскопия, морфологические и механические характеристики бактериальной клетки.

The effect of subbacteriostatic concentrations of ampicillin on morphological and mechanical properties of gramnegative and grampositive cells of Escherichia coli K12 TG1 and Bacillus cereus IP 5832 respectively was studied with atomic force microscopy. Significant heterogeneity of the bacterial populations was shown by the character of the response to the antibiotic effect. The common feature was increase of the cell size likely due to the effect of the inner osmotic pressure on the lowered cell wall strength. In the E.coli population there were besides observed anomalous elongated cells with signs of septation disorder, as well as their structurs, lacking the cytoplasmic liquid fraction. In the B.cereus the inner osmotic pressure mainly enlarged the cell cross section, changing the cell shape from rod to sphere, that was accompanied by significant impairment of the surface structure with liberation of the peptidoglycane fragments to the medium. The particular features of the E.coli K12 TG1 and B.cereus IP 5832 respond to the ampicillin effect were attributed to the differences in the structure of their cell wall, also due to specific properties of the peptidoglycane synthesis and three-dimensional organization.

Key words: ampicillin. Escherichia coli, Bacillius cereus, atomic force microscopy bacterial, cell morphological and mechanical characteristics.

Введение

термальные клетки-мишени [1]. В качестве одного из подобный методов в настоящее время рассматривается атомно-силовая микроскопия (АСМ), разработанная Г. Биннигом и К. Гербе-ром в 1986 г. и основанная на оценке взаимодействия упругого зонда (кантилевера) с поверхностью исследуемого образца [2]. По сравнению с растровой электронной микроскопией АСМ имеет ряд значимых преимуществ, заключающихся в более высоком разрешении, возможнос-

Совершенствование традиционных и создание новых препаратов с антимикробной активностью требует использования широкого арсенала методов, позволяющих комплексно оценивать механизмы и последствия их воздействия на бак-

© Коллектив авторов, 2011

E-mail: dgderyabin@yandex.ru

ти получения представлений об истинных трёхмерных характеристиках объекта, нетребовательности к созданию вакуума и нанесению на образец металлического покрытия [3]. Последнее обстоятельство определило уникальную возможность использования АСМ для изучения морфологических и механических свойств клеток про- и эукариотов из живого состояния.

Сказанное объясняет высокую востребованность АСМ для визуализации последствий воздействия различных препаратов на модельные микроорганизмы [4, 5]. При этом в ряде подобных работ в качестве «препарата сравнения» используется антибиотик ампициллин, по отношению к которому оцениваются эффекты вновь создаваемых веществ и соединений [6, 7]. Кроме того, самостоятельное значение имеет и детализация механизмов биологической активности самого ампициллина, по-прежнему занимающего заметное место в арсенале современной антибио-тикотерапии [8].

В этой связи целью настоящей работы явилось экспериментальное изучение воздействия ампициллина на морфологические и механические свойства клеток модельных грамотрицатель-ного (Escherichia coli) и грамположительного (Bacillus cereus) микроорганизмов, реализованное с использованием метода атомно-силовой микроскопии.

Материал и методы

При проведении работы использованы музейные штаммы Escherichia coli K12 TG1 и Bacillus cereus IP 5832. В зависимости от этапа эксперимента культивирование данных микроорганизмов проводилось на LB-агаре или LB-бульоне («Sigma-Aldrich», США) при 37°С.

При определении суббактериостатических концентраций ампициллина (ОАО «Биохимик», Россия) его навески в количестве 5 мг растворяли в 5 мл LB-бульона, из которого готовили серии двукратных разведений с содержанием антибиотика от 1 мг/мл до 20 пг/мл. В качестве контроля использовали идентичную среду культивирования без действующего агента. Исходные культуры E.coli K12 TG1 и B.cereus IP 5832 выращенные в течение 18—24 ч на LB-агаре суспендировали до оптической плотности 0,5 ед. при 620 нм. Полученной суспензией в объёме 5 мкл инокулировали 2,5 мл LB-бульона с различным содержанием ампициллина, инкубировали в течение 18—24 часов, после чего оценивали наличие роста визуально, а также по поглощению при 620 нм. Определённые подобным образом суббактериостатические концентраций ампициллина составили для E.coli K12 TG1 7,8 мкг/мл, а для B.cereus IP 5832 0,1 нг/мл.

Выращенные в присутствии ампициллина (опыт) и в его отсутствии (контроль) микроорганизмы отмывали центрифугированием при 4000 об/мин в дистиллированной воде, после чего в объёме 10 мкл наносили на свежий скол слюды и высушивали в течение 24 ч при относительной влажности 95% и температуре 20—22°С в соответствии с ранее предложенной процедурой [9]. Полученные образцы исследовали методом атомно-силовой микроскопии в контактном режиме с использованием мульти-ми-кроскопа SMM-2000 (ЗАО «КПД», Россия). В процессе сканирования использовались кантилеверы MSCT-AUNM («Park Scientific Instruments», США) с жесткостью балки 0,01 Н/м и ра-

диусом кривизны иглы порядка 15—20 нм. Количественный морфометрический анализ полученных изображений проводили с использованием штатного программного обеспечения микроскопа. Исследование упругих свойств бактериальных клеток проводили путём анализа силовых кривых, описывающих зависимость изгиба балки кантилевера от расстояния между иглой зонда и поверхностью исследуемого образца. На данной основе рассчитывали величину силы, необходимую для деформации образца на заданную величину и характеризующую упругость объекта [10, 11].

Полученные результаты обработаны методами вариационной статистики с использованием модульной программы «Attestat», работающей в среде MS Excel.

Результаты и обсуждение

Использование атомно-силовой микроскопии позволило представить каждый из исследуемых объектов в виде трёхмерных сканов, содержащих информацию о длине, ширине и высоте бактериальных клеток, на основании чего дополнительно были рассчитаны площадь их сечения, а также объём подобных объектов. Помимо этого с высоким разрешением был оценен показатель шероховатости (профиль) поверхности бактериальных клеток, а также их упруго-механические свойства.

При АСМ интактных клеток E.coli K12 TG1 (рис. 1, а) последние обнаруживались как палочковидные объекты с закругленными концами, размерные характеристики которых составляли 2,46±0,34 мкм по длине, 1,24+0,27 мкм по ширине и 0,20+0,03 мкм по высоте. Соответственно рассчитанные на этой основе величины площади сечения и объёма бактериальных клеток равнялись 0,20+0,07 мкм2 и 0,48+0,16 мкм3. На некоторых сканах были визуализированы отходящие от поверхности клеток ворсинки и одиночные пери-трихиально расположенные жгутики. Измеренный профиль бактериальной поверхности (рис. 1, б) позволил зафиксировать величины шероховатости интактных клеток E.coli K12 TG1 на уровне 2,26+0,59 нм, а измененные величины их упругости характеризовались величиной 2,74+1,79 МПа, примерно соответствующей таковой, ранее установленной для клеток других грамотрица-тельных микроорганизмов [6].

В свою очередь интактные клетки B.cereus IP 5832 визуализировались как расположенные цепочками палочки с «обрубленными» концами (рис. 1, в), при морфометрическом анализе имеющие длину 4,40+0,94 мкм, ширину 1,53+0,39 мкм и высоту 0,47+0,06 мкм. Соответственно рассчитанные на этой основе величины площади их сечения и объёма равнялись 0,57+0,17 мкм2 и 2,50+0,86 мкм3. У единичных клеток обнаруживались по 1—2 полярно расположенных жгутика. Сканирование бактериальной поверхности (рис. 1, г) показало значения шероховатости, равные 2,71+0,75 нм, а исследование механических свойств клеток оценивало их упругость величи-

Рис. 1. Фазовые АСМ-изображения (а, в) и профили поверхностей (б, г) интактных клеток E.coli K12 TG1 (а, б) и B.cereus IP 5832 (в, г).

ной 2,54±0,78 МПа. В целом, по сравнению с E.coliK12 TGI, клетки B.cereus IP 5832 могли быть охарактеризованы как значительно более крупные объекты, имеющие несколько большую шероховатость, но меньшую упругость поверхности при механическом воздействии. При этом в основе выявленных различий лежит принадлежность B.cereus IP 5832 к отделу Firmicutes, классу Bacilli, порядку Bacilliales с характерным для грамполо-жительных эубактерий строением поверхностных клеточных структур, а также родовые, видовые и штаммовые особенности исследуемого микроорганизма.

Результаты исследования морфологических и механических свойств клеток E.coli K12 TG1, выросших в присутствии суббактериостатической концентрации ампициллина, констатировали выраженную гетерогенность бактериальной по-

пуляции по характеру её реагирования на подобное воздействие (рис. 2, а). Так, 92,04±4,3% клеток (в таблице обозначены как объекты 1-го типа) в значительной степени сохраняли свою морфологию по сравнению с интактными микроорганизмами, оказываясь несколько более тонкими (1,00±0,34 мкм; р<0,01), но удлинёнными до 3,40±0,72 мкм (р<0,01) образованиями, одновременно несколько увеличивающими свой объём до 0,54±0,23 мкм3. При этом возможной причиной подобных изменений могло являться «растягивающее» действие внутреннего осмотического давления на снизившую свою ригидность клеточную стенку. Этим же может объясняться и более низкая остаточная упругость инкубированных в контакте с ампициллином клеток Е.соИ К12 Т01, в данном случае характеризуемая величиной 2,03±1,54 МПа. В то же время шерховатость по-

Рис. 2. Фазовые АСМ-изображения (а—г) и профили поверхностей (д, е) клеток E.coli K12 TG1 (а, б, д) и B.cereus IP 5832 (в, г, е), инкубированных в контакте с суббактериостатическими концентрациями ампициллина.

добных объектов существенно не отличалась от контрольных величин, что связано с зависимостью этого параметра от свойств наружной мембраны исследуемого грамотрицательного микроорганизма, не имеющей молекулярных мишеней для воздействия ампициллина.

На этом фоне до 7,96+4,3% визуализированных объектов было представлено аномально удлиненными образованиями с признаками нарушения септирования (в таблице обозначены как объекты 2-го типа). В данном случае при относительной неизменности ширины и высоты, их длина (18,52+8,66 мкм) и объём (3,88+2,18 мкм3) в 6,7—7,7 раз превышали таковые у интактных клеток (^<0,01). Природа же зарегистрированных изменений может быть обусловлена высоким сродством ампициллина к пенициллинсвязыва-ющему белку (англ. — РВР) 3 типа, контролирующему процесс формирования межклеточных перегородок при делении [12].

Наконец, ещё одним проявлением гетерогенности популяции Е.еоН К12 Т01 по её чувствительности к воздействию ампициллина явились обнаруживаемые на единичных сканах клеточные структуры с признаками утраты жидкой фракции цитоплазматического содержимого (рис. 2, б; в таблице обозначены как объекты 3-го типа). Последние визуализировались как заполнен-

ные гранулярным материалом уплощённые образования, по своей высоте (0,08+0,03 мкм; /><0,01) и площади сечения (0,09+0,03 мкм2; ^<0,01) более чем в два раза уступающие сохранившим свою целостность бактериальным клеткам. Их дополнительными особенностями также являлись значительно более высокие показатели шероховатости (13,32+4,85 нм; ^<0,01), а также характеризуемая модулем Юнга жесткость (6,66+5,11 МПа; /><0,01). В целом проведённый морфометрический анализ позволял предполагать утрату жизнеспособности подобных образований, а их значительная длина свидетельствовала в пользу их происхождении от описанных выше аномально удлинённых клеток, имеющих выраженное нарушение процесса септирования.

Не менее выраженной при культивировании в контакте с суббактериостатической концентрацией ампициллина оказывалась и гетерогенность популяции В.еегеш 1Р 5832. При этом клетки, находящиеся в одной микроколонии могли быть представлены как частично сохранившими свою морфологию удлинёнными палочковыми формами, так и существенно изменившими её клетками, форма которых стремилась к шаровидной (рис. 2, в; в таблице обозначены как объекты 1-го типа). При этом у последних зарегистрировано достоверное

Морфологические и механические характеристики клеток E.coli М2 TG1 и B.cereus № 5832 до и после воздействия суббактериостатических концентраций ампициллина

Штамм Исследуемые Морфологические характеристики Механические

группы*** длина ширина высота площадь объём шерохо- характеристики

(мкм) (мкм ) (мкм) сечения (мкм2) (мкм3) ватость модуль

Е.соИ К 12 Т01 Контроль 2,46+0,34 1,24+0,27 0,20+0,03 0,20+0,07 0,48+0,16 2,26+0,59 2,74+1,79

Объекты 1 типа 3,40+0,72 ** 1,00+0,34 ** 0,20+0,02 0,16+0,06 ** 0,54+0,23 2,06+0,56 2,03+1,54

Объекты 2 типа 18,52+8,66** 1,30+0,19 0,21+0,03 0,21+0,05 3,88+2,18** 2,25+0,40 3,50+2,18

Объекты 3 типа 11,87+8,01** 1,42+0,20** 0,08+0,03** 0,09+0,03** 1,07+0,83** 13,32+4,85** 6,66+5,11**

Б.сегеш 1Р 5832 Контроль 4,40+0,94 1,53+0,39 0,47+0,06 0,57+0,17 2,50+0,86 2,71+0,75 2,21+1,58

Объекты 1 типа 2,59+0,59** 3,04+0,72** 0,88+0,18** 2,14+0,82** 5,55+2,72** 8,72+2,66** 5,45+3,27**

Объекты 2 типа 3,54+0,80** 2,32+0,61** 0,37+0,09** 0,68+0,30 2,40+1,45* 11,37+3,54** 0,23+0,09**

Примечание. * - р<0,05 (критерий Уилкоксона ); ** - р<0,01 (критерий Уилкоксона); *** - пояснения в тексте.

уменьшение длины (до 2,59+0,59 мкм; р<0,01) при одновременном увеличении ширины и высоты до 3,04+0,72 мкм и 0,88+0,18 мкм соответственно (^<0,01). Названные причины обусловили и выраженное увеличение величин площади сечения, а также объёма подобных клеток, составляющего 5,55+2,72 мкм3 (^<0,01) и более чем в два раза превышающего таковой у интактных клеток. При этом вновь в качестве возможной причины подобных изменений могло быть названо растяжение изменившей свою ригидность клеточной стенки под действием внутреннего осмотического давления.

С другой стороны, в противоположность эффектам, зарегистрированным при исследовании эффектов ампициллина на клетки Е.соН К12 Т01, воздействие на Б.сегеш 1Р 5832 вело к существенному изменению показателя шероховатости поверхности, объясняемой экспонированием на ней основной мишени для действия антибиотика. Соответственно обусловленное воздействием ампициллина нарушение трёхмерной пространственной структуры пептидогликана результирова-лось в более чем трёхкратном увеличении шероховатости (до 8,72+2,66 нм; р<0,01) клеток В.сегет 1Р 5832, инкубированных в контакте с ампициллином.

На тех же сканах до 45,37+22,6% клеток (в таблице обозначены как объекты 2-го типа) визуализировались как уплощённые до 0,37+0,09 мкм (р<0,01) образования с характеризуемой модулем Юнга упругостью 0,23+0,09 МПа, что позволяло оценивать их как клетки, утратившие значительную часть внутриклеточного содержимого. При этом дополнительными особенностями подобных объектов являлась еще более выраженная (до 11,37+3,54 нм; р<0,01) шероховатость поверхности, сопровождающаяся расположением вокруг них гранулярных структур размером 261,2+139,0 нм, предположительно представляющих собой фрагменты пептидогликана, освобождённые во внешнюю среду при нарушении целостности клеточной стенки (рис. 2, г).

Заключение

Таким образом, использование атомно-сило-вой микроскопии позволило детально охарактеризовать гетерогенность популяции Е.соН К12 Т01 и В.сегет 1Р 5832 после контакта с суббактериоста-тической концентрацией антибиотика ампициллина, оценить спектр изменений морфологических и механических свойств клеток, а также констатировать гибель некоторых из них при подобном воздействии. Наиболее общим изменением, характерным для обоих использованных микроорганизмов, оказывалось увеличение размера клеток после контакта с ампициллином, предположительно обусловленного действием внутреннего осмотического давления на снизившую свою прочность клеточную стенку. Так, у Е.соН К12 Т01 подобный эффект преимущественно проявлялся через элонгацию клеток, в своих крайних проявлениях приводящем к формированию аномально удлинённых объектов с признаками нарушения сеп-тирования. В свою очередь у В.сегет 1Р 5832 действие внутреннего осмотического давления преимущественно вело к увеличению поперечного сечения клетки, изменяя её форму от палочки к сфере. Кроме того, обусловленная действием антибиотика выраженная дезорганизация поверхностных клеточных структур данного микроорганизма сопровождалась освобождением фрагментов пептидогликана в окружающую среду. При этом вероятной причиной особенностей реагирования Е.соН К12 Т01 и В.сегет 1Р5832 на воздействие ампициллина являются различия в строении их клеточных стенок, в том числе обусловленные особенностями синтеза и трёхмерной организации пептидогликана.

Полученные результаты позволяют по-новому оценить последствия воздействия антибиотика ампициллина на клетки модельных грамотрицательных и грамположительных микроорганизмов, связав их с ранее охарактеризованными механизмами его биологической активности и известными молекулярными мишенями. С другой стороны, для дальнейшей

оценки методом ACM известных и вновь синтезируемых соединений, направленных на нарушение синтеза пептидогликана, проведённые исследования позволяют рекомендовать грампо-ложительные микроорганизмы, экспонирующие данный биополимер непосредственно на своей поверхности. В свою очередь грамотрицательные микроорганизмы представляются модельными объектами, адекватными для использования ACM при оценке биологической активности

ЛИТЕРАТУРА

1. Finberg R. V., Moellering R. C, Tally F. P. The Importance ofbacterici-dal drugs: future directions in infectious disease. Clin Infect Dis 2004; 39: 1314-1320.

2. Binnig G, Quate C. F, Gerber Ch. Atomic force microscope. Phys Rev Lett 1986; 6: 59: 930-933.

3. Dufrêne Y. F. Atomic force microscopy, a powerful tool in microbiology. J Bacteriol 2002; 184: 19: 5205-5213.

4. Camesano T. A., Natan M. J., Logan B. E. Observation of changes in bacterial cell morphology using tapping mode atomic force microscopy. Langmuir 2000; 16: 4563-4572.

5. Олюнина Л. H, Мацкова Ю. А., Гончарова Т. А., Гущина Ю. Ю. Оценка терморезистентности Azotobacter chrococcum методом атомно-силовой микроскопии. Приклад биохим микробиол 2009; 45: 1: 45-50.

6. Perry C. C., Weatherly M., Beale T., Randriamahefa A. Atomic force microscopy study of the antimicrobial activity of aqueous garlic versus ampicillin against Escherichia coli and Staphylococcus aureus. J Sci Food Agric 2009; 89: 958-964.

мембраноповреждающих факторов. Наконец, сама атомно-силовая микроскопия, являющаяся принципиально новым методом визуализации микрообъектов с нанометровым разрешением, может быть охарактеризована как информативный подход, позволяющий при минимальном дополнительном воздействии на анализируемый образец получать уникальную информацию о последствиях воздействия антибактериальных факторов на модельные микроорганизмы.

7. Yang L, Wang K, Tan W. et al. Atomic force microscopy study of different effects of natural and semisynthetic /в-lactam on the cell envelope of Escherichia coli. Anal Chem 2006; 78: 7341—7345.

8. Рачина С. А., Козлов P. С., Шаль E. П. и др. Анализ антибактериальной терапии госпитализированных пациентов с внебольничной пневмонией в различных регионах: уроки многоцентрового фар-макоэпидемиологического исследования. Клин микробиол антимикроб химиотер 2009; 11: 1: 66—78.

9. Nikiyan A., Vasilchenko A., Deryabin D. Humidity-dependent bacterial cells functional morphometry investigations using atomic force microscope. Intern J Microbiol 2010; Article ID 704170, doi:10.1155/2010/704170.

10. Голутвин И. А., Насикан И. С., Игнатюк Т. E. Новые подходы к исследованию вирусов при помощи сканирующей зондовой микроскопии. Биофизика. 2004; 49: 6: 1105—1111.

11. Salerno M., Bykov /.Tutorial: mapping adhesion forces and calculating elasticity in contact-mode AFM. Microscopy and Analysis 2006; 20: S5—S8.

12. Spratt B. G. Distinct penicillin binding proteins involved in the division, elongation, and shape of Escherichia coli K12. Proc Nat Acad Sci USA 1975; 72: 8: 2999—3003.