Биология моря, 2020, T. 46, № 5, стр. 329-337
Разнообразие и антимикробная активность бактерий, выделенных из донных осадков Чукотского моря
Л. А. Романенко 1, *, В. В. Куриленко 1, Н. Ю. Чернышева 1, К. В. Гузев 1, В. В. Михайлов 1, 2
1 Тихоокеанский институт биоорганической химии (ТИБОХ) им. Г.Б. Елякова ДВО РАН
690022 Владивосток, Россия
2 Дальневосточный федеральный университет
690950 Владивосток, Россия
* E-mail: lro@piboc.dvo.ru
Поступила в редакцию 06.06.2019
После доработки 02.10.2019
Принята к публикации 03.10.2019
Аннотация
Из образцов донных осадков Чукотского моря выделено и исследовано 248 штаммов гетеротрофных бактерий. На основании филогенетического анализа гена 16S рРНК были идентифицированы представители 33 родов, принадлежащие типам Proteobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes и Actinobacteria. Восемь групп бактерий показали уровень сходства гена 16S рРНК не более 97–98% и могут представлять новые таксоны. Скрининг антимикробной активности выявил 40 штаммов, способных ингибировать рост двух и более индикаторных микроорганизмов. Активные штаммы представлены бактериями родов Bacillus, Paenibacillus, Terribacillus, Virgibacillus (тип Firmicutes), Streptomyces, Pseudonocardia, Nocardiopsis (Actinobacteria) и в меньшей степени грамотрицательными бактериями родов Shewanella, Psychrobacter (класс Gammaproteobacteria), Massilia (класс Betaproteobacteria), Arenibacter (тип Bacteroidetes). Обнаружение фрагментов генов поликетидсинтаз (PKS-1) и нерибосомных пептидсинтетаз (NRPS) методом ПЦР с использованием вырожденных праймеров в 23 активных штаммах свидетельствует о том, что исследуемые бактерии могут служить источниками антимикробных метаболитов поликетидной природы и/или нерибосомных пептидов.
Морские донные осадки являются природным источником биологического разнообразия, местом обитания и инкубатором для многих представителей морской биоты. Микроорганизмы донных осадков – это важный компонент морских экосистем, представляющий особый интерес для научных исследований (Lauro, Bartlett, 2008). Показано, что бактерии морской среды, в частности донных осадков, способны синтезировать разнообразные биологически активные вещества (БАВ) с антимикробными, противоопухолевыми и другими свойствами (Debbab et al., 2010; Penesyan et al., 2010; Pettit, 2011; Bhatnagar, Kim, 2012). Изучение микроорганизмов, изолированных из не исследованных ранее и малоизученных источников различных биотопов морской среды, является актуальным. Микроорганизмы донных осадков шельфа Чукотского моря исследованы фрагментарно (Yuan et al., 2014). Цель настоящей работы – изучение филогенетического разнообразия и антимикробной активности гетеротрофных бактерий, изолированных из образцов донных осадков Чукотского моря.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
Пробы донных осадков отбирали в экспедиционном рейсе НИС “Академик Опарин” в сентябре 2016 г. в российском секторе Чукотского моря на 11 станциях в координатах: № 1 (71°21.44′ N, 175° 36.70′ W; глубина 36 м), № 2 (70°59.60′ N, 177°35.8′ W; 29 м), № 2/1 (71°01.18′ N, 177°42.18′ W; 23 м), № 5 (70°50.0′ N, 179°42.0′ W; 18 м), № 6 (70°31.01′ N, 177°25.92′ W; 50 м), № 11 (71°20.0′ N, 173°04.90′ W; 50 м), № 14 (69°54.02′ N, 171°00.46′ W; 44 м), № 16 (68°11.02′ N, 169°10.83′ W; 58 м), № 17 (67°25.98′ N, 169°37.30′ W; 50 м), № 18 (67°30.99′ N, 171°21.80′ W; 48 м), № 20 (67°32.44′ N, 173°36.72′ W; 42 м).
Штаммы бактерий выделяли методом прямого посева суспензии образцов грунта в разведениях на среды Морской агар 2216 (Marine Agar 2216), R2А (R2А Agar), Триптиказо-соевый агар (Tryptic soya agar, все – BD Difco) и др., как описано ранее (Romanenko et al., 2013a). Выделенные бактерии помещены на хранение в Коллекцию морских микроорганизмов (КММ) ТИБОХ ДВО РАН.
Исследование антимикробной активности выделенных штаммов в отношении тестовых микроорганизмов Escherichia coli K-12 CL588, Enterococcus faecium CIP 104105, Staphylococcus aureus CIP 65.8T, Staphylococcus epidermidis CIP 81.55T, Bacillus subtilis CIP 52.65T, Xanthomonas sp. pv. badrii LMG 546 и Candida albicans KMM 455 проводили, как описано ранее (Romanenko et al., 2008).
Нативную ДНК выделяли при помощи Genomic DNA Purification Kit (Fermentas). Фрагмент гена 16S рРНК амплифицировали с универсальными праймерами 8F (5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3') и 1492R (5'-ACGGCTACCTTGTTACGACTT-3'), как описано в предыдущей работе (Romanenko et al., 2019). Амплификацию фрагментов генов PKS-1 и NRPS проводили с использованием олигонуклеотидных праймеров MDPQQRF/HGTGTR и A3F/A7R соответственно, как описано ранее (Santos et al., 2015). Ожидаемые длины фрагментов генов для PKS-1 и NRPS составляли соответственно 700–800 и 600–700 п.н.
Очищенные ПЦР фрагменты гена 16S рРНК секвенировали с использованием ABI PRISM 3130xl Genetic Analyzer (Applied Biosystems, США) и Big Dye v.3.1 sequencing kit (Applied Biosystems, США). Процент сходства генов 16S рРНК с гомологичными генами типовых штаммов рассчитывали с помощью Eztaxon service (Kim et al., 2012). Филогенетический анализ проводили с использованием MEGA 6 (Tamura et al., 2013). Полученные нуклеотидные последовательности генов 16S рРНК были депонированы в базе данных DDBJ/EMBL/GenBank под номерами доступа LC379505-LC379542.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Из образцов донных осадков, отобранных в Чукотском море на 11 станциях на глубине от 18 до 58 м, были выделены 248 штаммов бактерий. Бактериальные изоляты сначала группировали по морфологическим свойствам колоний, КОН-тесту, данным микроскопии и физиологическим тестам; из них более 70 штаммов были отобраны для секвенирования гена 16S рРНК. Филогенетические позиции изученных штаммов представлены в дендрограммах (рис. 1–3). На основании анализа гена 16S рРНК исследованные штаммы были отнесены к четырем типам: Proteobacteria (34%), Bacteroidetes (26%), Firmicutes (21%) и Actinobacteria (19%), среди которых протеобактерии были доминантной группой. Класс Gammaproteobacteria был представлен бактериями родов Shewanella, Psychrobacter, Pseudoalteromonas и Halomonas. Среди представителей Alphaproteobacteria были идентифицированы штаммы трех родов – Loktanella, Sphingorhabdus и Ahrensia. Класс Betaproteobacteria был представлен родами Hydrogenophaga и Massilia (рис. 1). Вторыми по численности были штаммы филума Bacteroidetes семейства Flavobacteriaceae, включая Winogradskyella, Arenibacter и Maribacter как преобладающие группы, а также Sediminicola и Aequorivita как минорные группы (рис. 2). Таксономический состав выделенных бактерий, отнесенных к типу Firmicutes, характеризовался большим разнообразием и включал представителей девяти родов: Bacillus, Sporosarcina, Paenisporosarcina, Domibacillus, Fictibacillus, Paenibacillus, Terribacillus, Oceanobacillus и Virgibacillus. Многочисленными и разнообразными по родовому составу были также штаммы Actinobacteria, представленные бактериями 10 родов: Streptomyces, Rhodococcus, Aeromicrobium, Pseudonocardia, Amycolatopsis, Salinibacterium, Agrococcus, Arthrobacter, Cellulosimicrobium и Nocardiopsis (рис. 3). Филогенетический анализ показал, что большинство исследованных штаммов имели высокий уровень сходства (99–100%) в нуклеотидных последовательностях гена 16S рРНК с ранее известными видами бактерий, выделенными из морских и/или полярных источников. В то же время необходимо отметить, что штаммы родов Massilia (класс Betaproteobacteria), Fictibacillus и Terribacillus (Firmicutes) являются наземными микроорганизмами и редко выделяются из морских источников. По меньшей мере 8 групп, представленные штаммами Ch16, Ch26, Ch30, Ch38, Ch 100, Ch158/Ch160, Ch28 и Ch215/Ch235, показали уровень сходства гена 16S рРНК не более 97–98% и могут представлять новые таксоны. Так, штамм Ch26 имел только 92% сходства гена 16S рРНК с типовым штаммом Empedobacter brevis; штамм Ch100 показал 90% сходства с Pseudonocardia ammonioxydans, образуя удаленную монофилетическую ветвь среди актинобактерий. Филогенетически близкий к Winogradskyella damuponensis (97.2% сходства гена 16S рРНК) штамм Ch38 был предложен нами как новый вид Winogradskyella profunda (см.: Romanenko et al., 2019).
Скрининг антимикробной активности выявил 40 штаммов, которые были активны в отношении двух и более тест-культур. Большинство выделенных штаммов ингибировали рост B. subtilis, S. aureus, E. faecium, Xanthomonas sp. pv. badrii и C. albicans. Активность в отношении S. epidermidis и E. coli была незначительной. Активные штаммы были представлены грамположительными бактериями родов Bacillus, Paenibacillus, Terribacillus, Virgibacillus (тип Firmicutes), Streptomyces, Pseudonocardia, Cellulosimicrobium, Nocardiopsis (Actinobacteria) и в меньшей степени грамотрицательными бактериями Shewanella, Psychrobacter, Pseudoalteromonas (класс Gammaproteobacteria), Massilia (класс Betaproteobacteria) и Arenibacter (тип Bacteroidetes). Наиболее активные штаммы (табл. 1) были исследованы на наличие генов синтеза вторичных метаболитов: поликетидсинтаз (PKS-1) и нерибосомных пептидсинтетаз (NRPS) методом ПЦР с использованием вырожденных праймеров. Фрагменты гена NRPS были обнаружены в 10 штаммах следующих родов: Shewanella (Ch7, Ch18, Ch58), Loktanella (Ch44), Aeromicrobium (Ch48), Virgibacillus (Ch61), Cellulosimicrobium (Ch75), Streptomyces (Ch85) и Paenibacillus (Ch162, Ch186) (рис. 4). Фрагменты гена PKS-1 присутствовали в 16 штаммах родов Shewanella (Ch3), Arenibacter (Ch39, Ch216, Ch223, Ch235), Loktanella (Ch44), Massilia (Ch150), Virgibacillus (Ch61), Terribacillus (Ch64), Bacillus (Ch111), Streptomyces (Ch124), Oceanobacillus (Ch177), Amycolatopsis (Ch158, Ch160), Paenibacillus (Ch162) и Nocardiopsis (Ch243) (рис. 5).
Таблица 1.
Штамм | Филогенетически близкий вид | Сходство, % |
Зона ингибирования роста, мм | Фрагменты гена | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Bacillus subtilis | Staphylococcus aureus | Staphylococcus epidermidis | Enterococ-cus faecium | Escherichia coli | Xanthomonas sp. pv. badrii | Candida albicans | NRPS | PKS-I | |||
Ch3 | Shewanella livingstonensis | 98 | 12 | 14 | 14 | W* | 12 | – | – | – | + |
Ch7 | Shewanella vesiculosa | 98 | 12 | 15 | 15 | 15 | 12 | – | – | + | – |
Ch18 | Shewanella vesiculosa | 98 | 20 | 15 | – | W | – | 15 | 18 | + | – |
Ch39 | Arenibacter latericius | 98 | – | – | – | 12 | – | – | 14 | – | + |
Ch44 | Loktanella salsilacus | 98 | W | 12 | 12 | – | – | – | – | + | + |
Ch48 | Aeromicrobium ginsengisoli | 98 | W | 12 | – | W | – | – | – | + | – |
Ch58 | Shewanella arctica | 99 | 15 | 15 | – | 12 | – | W | 20 | + | – |
Ch61 | Virgibacillus jeotgali | 97 | 12 | 12 | – | 12 | – | – | 12 | + | + |
Ch64 | Terribacillus goriensis | 96 | W | W | – | 20 | – | – | 12 | – | + |
Ch75 | Cellulosimicrobium marinum | 97 | 15 | 30 | – | 20 | – | – | 12 | + | – |
Ch85 | Streptomyces chumphonensis | 98 | 28 | 32 | W | 35 | – | 20 | 30 | + | – |
Ch111 | Bacillus simplex | 99 | – | W | – | – | – | W | 15 | – | + |
Ch124 | Streptomyces coelicoflavus | 99 | 20 | 32 | 15 | 22 | – | 13 | 16 | – | + |
Ch150 | Massilia timonae | 99 | 15 | 28 | – | W | – | – | W | – | + |
Ch158 | Amycolatopsis marina | 97 | 22 | – | – | 14 | – | – | 12 | – | + |
Ch160 | Amycolatopsis marina | 97 | 14 | 12 | – | – | – | 12 | 12 | – | + |
Ch162 | Paenibacillus tundrae | 99 | W | – | – | 20 | – | 15 | 12 | + | + |
Ch177 | Oceanobacillus polygoni | 99 | – | W | – | 14 | – | 15 | – | – | + |
Ch186 | Paenibacillus tundrae | 99 | W | – | – | W | – | – | 12 | + | + |
Ch216 | Arenibacter hampyeongensis | 98 | W | 15 | W | 12 | – | – | 20 | – | + |
Ch223 | Arenibacter hampyeongensis | 98 | – | W | – | 15 | – | – | 12 | – | + |
Ch235 | Arenibacter hampyeongensis | 98 | – | – | – | W | W | 12 | 15 | – | + |
Ch243 | Nocardiopsis dassonvillei | 99 | 14 | 32 | – | 15 | – | 12 | 15 | – | + |
ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные результаты по таксономическому составу бактерий донных осадков Чукотского моря согласуются с результатами исследований микроорганизмов донных осадков, полученных при использовании молекулярных методов на основе ПЦР-амплификации и создании библиотек клонов генов 16S рРНК и/или культуральных методов анализа (Li et al., 2009; Kouridaki et al., 2010). Показано, что Gammaproteobacteria и грамположительные бактерии с высоким содержанием Г + Ц были доминантными группами в микробных сообществах донных осадков двух заливов Японского моря (Urakawa et al., 1999). В исследовании Сюй с соавторами (Xu et al., 2008) Gammaproteobacteria (22.8%) и Alphaproteobacteria (16.5%) преобладали среди бактерий донных осадков северо-восточной части Тихого океана. При изучении бактерий донных осадков Японского моря были обнаружены Proteobacteria (38%), Firmicutes (27%), Actinobacteria (21%) и Bacteroidetes (14%) (Romanenko et al., 2013a). Следует отметить, что бактерии семейства Flavobacteriaceae, представители которого широко распространены в морской среде, часто выделяются из образцов донных осадков (Alonso et al., 2007).
В процессе скрининга было выявлено 40 штаммов с антимикробной активностью, большинство из них относятся к типам Firmicutes (Bacillus, Paenibacillus, Terribacillus, Virgibacillus) и Actinobacteria (Streptomyces, Pseudonocardia, Cellulosimicrobium, Nocardiopsis). Штаммы Proteobacteria и Bacteroidetes были менее активны. Анализ литературных данных и собственные исследования показывают, что многие представители родов Bacillus, Paenibacillus, Streptomyces и Nocardiopsis являются штаммами-антагонистами и служат продуцентами БАВ с антимикробными свойствами (Bull, Stach, 2007; Romanenko et al., 2013б). Юань с соавторами (Yuan et al., 2014) изучали родовой состав и активность штаммов Actinobacteria, изолированных из образцов донных осадков Чукотского моря (Канадский бассейн) в летний период 2010 г. Среди выделенных актинобактерий были идентифицированы штаммы 14 родов, в том числе Arsenicicoccus, Citricoccus, Kocuria и Saccharopolyspora, а также редко обнаруживаемый в морской среде род Microlunatus; антимикробную активность показали штаммы Streptomyces, Nocardiopsis и Microlunatus (Yuan et al., 2014). В нашем исследовании мы не обнаружили штаммов из пяти указанных выше родов актинобактерий, но штаммы Streptomyces и Nocardiopsis были также наиболее активными и ингибировали рост наибольшего числа индикаторных микроорганизмов. Активными были штаммы Amycolatopsis и Cellulosimicrobium, но показали ограниченный спектр антимикробной активности. Сведения об антимикробной активности бактерий родов Shewanella и Psychrobacter очень ограничены и отсутствуют для штаммов Arenibacter (тип Bacteroidetes). Мы не обнаружили данных по антимикробной активности бактерий Shewanella, выделенных из морских донных осадков, а также об активности шеванелл, входящих в кластер S. vesiculosa/S. frigidimarina. Показано, что штаммы Shewanella с антимикробной активностью присутствуют в микробных сообществах, ассоциированных с морскими беспозвоночными, где представлены видами S. baltica и S. putrefaciens (см.: Heindl et al., 2010; Pham et al., 2016).
Многие биологически активные метаболиты морских бактерий относятся к двум разнообразным классам соединений: поликетиды (ПК) и нерибосомные пептиды (НРП), которые конструируются с помощью мультимодулярных ферментов поликетидсинтаз (PKS) и нерибосомных пептидсинтетаз (NRPS) (см.: Williams, 2013). Показано, что бактерии из морских источников синтезируют около 70% НРП, которые обладают антимикробным, противовирусным, цитостатическим, противомалярийным или противопаразитарным действием, а также используются как стимуляторы роста животных и природные инсектициды (Agrawal et al., 2017). Анализ литературных данных свидетельствует о том, что метод ПЦР-скрининга генов PKS и NRPS используется для исследования потенциальной способности микроорганизмов различных таксономических групп синтезировать ПК и НРП. ПЦР-скрининг показал наличие генов PKS-1 и/или NRPS в 23 активных штаммах, что подтверждает возможность исследуемых штаммов синтезировать вещества поликетидной природы и нерибосомные пептиды. Для дальнейшего исследования планируется выделение метаболитов, продуцируемых активными штаммами, установление их химической структуры и изучение биологической активности.
Настоящее исследование вносит вклад в изучение биоразнообразия и антимикробной активности культивируемых микроорганизмов донных осадков Чукотского моря. Проведенное исследование показывает, что донные осадки Чукотского моря могут служить источником выделения новых таксонов морских бактерий и штаммов-продуцентов антимикробных веществ.
Список литературы
Agrawal S., Acharya D., Adholeya A. et al. Nonribosomal Peptides from Marine Microbes and Their Antimicrobial and Anticancer Potential // Front. Pharmacol. 2017. V. 8. P. 828. https://doi.org/10.3389/fphar.2017.00828
Alonso C., Warnecke F., Amann R., Pernthaler J. High local and global diversity of flavobacteria in marine plankton // Environ. Microbiol. 2007. V. 9. № 5. P. 1253–1266.
Bhatnagar I., Kim S.K. Pharmacologically prospective antibiotic agents and their sources: A marine microbial perspective // Environ. Toxicol. Pharmacol. 2012. V. 34. № 3. P. 631–643.
Bull A.T., Stach J.E.M. Marine actinobacteria: new opportunities for natural product search and discovery // Trends in Microbiology. 2007. V. 15. № 11. P. 491–499.
Debbab A., Aly A.H., Lin W.H., Proksch P. Bioactive Compounds from Marine Bacteria and Fungi // Microb. Biotech. 2010. V. 3. № 5. P. 544–563.
Heindl H., Wiese J., Thiel V., Imhoff J.F. Phylogenetic diversity and antimicrobial activities of bryozoan-associated bacteria isolated from Mediterranean and Baltic Sea habitats // Syst. Apll. Microbiol. 2010. V. 33. № 2. P. 94–104.
Kim O.S., Cho Y.J., Lee K. et al. Introducing EzTaxon-e: a prokaryotic 16S rRNA Gene sequence database with phylotypes that represent uncultured species // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2012. V. 62. P. 716–721.
Kouridaki I., Polymenakou P.N., Tselepides A. et al. Phylogenetic diversity of sediment bacteria from the deep Northeastern Pacific Ocean: a comparison with the deep Eastern Mediterranean Sea // Int. Microbiol. 2010. V. 13. № 3. P. 143–150.
Lauro F.M., Bartlett D.H. Prokaryotic lifestyles in deep sea habitats // Extremophiles. 2008. V. 12. P. 15–25.
Li H., Yu Y., Luo W. et al. Bacterial diversity in surface sediments from the Pacific Arctic Ocean // Extremophiles. 2009. V. 13. № 2. P. 233–246.
Penesyan A., Kjelleberg S., Egan S. Development of novel drugs from marine surface associated microorganisms // Mar. Drugs. 2010. V. 8. P. № 3. 438–459.
Pettit R.K. Culturability and secondary metabolite diversity of extreme microbes: expanding contribution of deep sea and deep-sea vent microbes to natural product discovery // Mar. Biotechnol. 2011. V. 13. P. 1–11.
Pham T.M., Wiese J., Wenzel-Storjohann A., Imhoff J.F. Diversity and antimicrobial potential of bacterial isolates associated with the soft coral Alcyonium digitatum from the Baltic Sea // ResearchGate, in Antonie van Leeuwenhoek. 2016. V. 109. № 1. P. 105–119.
Romanenko L.A., Uchino M., Kalinovskaya N.I., Mikhailov V.V. Isolation, phylogenetic analysis and screening of marine mollusc-associated bacteria for antimicrobial, hemolytic and surface activities // Microbiol. Res. 2008. V. 163. № 6. P. 633–644.
Romanenko L.A., Tanaka N., Kalinovskaya N.I., Mikhailov V.V. Antimicrobial potential of deep surface sediment associated bacteria from the Sea of Japan // WJMB. 2013a. V. 29. P. 1169–1177.
Romanenko L.A., Tanaka N., Svetashev V.I., Kalinovskaya N.I. Paenibacillus profundus sp. nov., a deep sediment bacterium that produces isocumarin and peptide antibiotics // Arch. Microbiol. 2013b. V. 195. P. 247–254.
Romanenko L.A., Kurilenko V.V., Guzev K.V. et al. Winogradskyella profunda sp. nov. isolated from the Chukchi Sea bottom sediments // Arch. Microbiol. 2019. V. 201. № 1. P. 45–50.
Santos O.C.S., Soares A.R., Machado F.L.S. et al. Investigation of biotechnological potential of sponge-associated bacteria collected in Brazilian coast // Lett. Appl. Microbiol. 2015. V. 60. № 2. P. 140–147.
Tamura K., Stecher G., Peterson D. et al. MEGA6: Molecular Evolutionary Genetics Analysis Version 6.0 // Mol. Biol. Evol. 2013. V. 30. № 12. P. 2725–2729.
Urakawa H., Kita-Tsukamoto K., Ohwada K. Microbial diversity in marine sediments from Sagami Bay and Tokyo Bay, Japan, as determined by 16S rRNA gene analysis // Microbiology. 1999. V. 145. P. 3305–3315.
Williams G. Engineering polyketide synthases and nonribosomal peptide synthetases // Curr. Opin. Struct. Biol. 2013. V. 23. № 4. P. 603–612.
Xu H., Wu M., Wang X. et al. Bacterial diversity in deep-sea sediment from northeastern Pacific Ocean // Acta Ecologica Sinica. 2008. V. 28. № 2. P. 479–485.
Yuan M., Yu Y., Li H.R. et al. Phylogenetic diversity and biological activity of Actinobacteria isolated from the Chukchi shelf marine sediments in the Arctic Ocean // Mar. Drugs. 2014. V. 12. № 3. P. 1281–1297.
Дополнительные материалы отсутствуют.