Een gevoelige visuele methode voor de detectie van waterstofsulfide producerende bacteriën
Summary
Hier presenteren we een protocol om waterstofsulfide producerende bacteriën te detecteren met een aangepast protocol dat wordt gebruikt voor bismutsulfide (BS) precipitatie. De belangrijkste voordelen van deze methode zijn dat deze gemakkelijk te evalueren is en geen gespecialiseerde apparatuur vereist.
Abstract
Waterstofsulfide (H2S) is een giftig gas geproduceerd door bacteriën in de proteolyse van zwavelhoudende aminozuren en eiwitten dat een belangrijke rol speelt in de menselijke gezondheid. De H2S-productietest is een van de belangrijke bacteriële biochemische identificatietests. De traditionele methoden zijn niet alleen vervelend en tijdrovend, maar ook vatbaar voor remming van bacteriegroei als gevolg van het toxische effect van zware metaalzouten in zwavelhoudend medium, wat vaak tot negatieve resultaten leidt. Hier hebben we een eenvoudige en gevoelige methode ontwikkeld om H2S in bacteriën te detecteren. Deze methode is een aangepaste versie van bismutsulfide (BS) precipitatie die 96-well transparante microtiterplaten gebruikt. Bacteriecultuur werd gecombineerd met bismutoplossing die L-cysteïne bevatte en gedurende 20 minuten gekweekt, aan het einde waarvan een zwart neerslag werd waargenomen. De visuele detectiegrens voor H 2 S was0,2mM. Op basis van de visuele kleurverandering kan de eenvoudige, hoge doorvoer en snelle detectie van H2S-producerende bacteriën worden bereikt. Samenvattend kan deze methode worden gebruikt om H2S-productie in bacteriën te identificeren.
Introduction
Waterstofsulfide producerende bacteriën kunnen zwavelhoudende aminozuren en eiwitten gebruiken om waterstofsulfide (H2S) te produceren. De productie van H2S komt meestal voor in gramnegatieve Enterobacteriaceae-familiebacteriën en ook in leden van Citrobacter spp., Proteus spp., Edwardsiella spp. en Shewanella spp.1. Deze bacteriën hebben het vermogen om sulfaat te reduceren tot waterstofsulfide (H2S) om energie te verkrijgen. Waterstofsulfide is betrokken bij de ontwikkeling van bacteriële resistentie tegen geneesmiddelen. H2 S beschermt bacteriën tegen de toxiciteit van reactieve zuurstofsoorten (ROS), waardoor het antibacteriële effect van antibiotica wordt tegengewerkt 2,3. H2S heeft ook een belangrijk fysiologisch effect bij het handhaven van homeostase. Op suprafysiologische niveaus is aangetoond dat H2S zeer giftig is voor het lichaam. In het menselijk lichaam heeft H2S een andere rol als een gassignaleringsmolecuul dat betrokken is bij een verscheidenheid aan fysiologische en pathologische processen. H2S kan de systolische functie van het hart reguleren en speelt een belangrijke fysiologische rol bij het ontspannen van bloedvaten, het remmen van vasculaire remodellering en het beschermen van het myocardium 4,5. H2S speelt ook een belangrijke rol bij het reguleren van het zenuwstelsel en het spijsverteringskanaal 6,7. Het is gebleken dat bacteriën bij blootstelling aan bacteriedodende antibiotica dodelijke reactieve zuurstofsoorten (ROS) produceren die leiden tot celdood 8,9,10,11.
Als een veel voorkomende biochemische test in microbiologische laboratoriumcursussen, is de waterstofsulfidetest een belangrijk experiment in de identificatie van bacteriën, met name bacteriën van de familie Enterobacteriaceae. Op dit moment wordt de waterstofsulfidetest meestal uitgevoerd op een groot aantal zwavelhoudende aminozuren en loodacetaatmedium dat is ingeënt met de te testen bacteriën. Na een incubatieperiode (2-3 dagen) worden de resultaten beoordeeld door te observeren of het kweekmedium of de papierstrook voor loodacetaat zwart is geworden vanwege de productie van loodacetaat11. Deze traditionele methoden zijn echter niet alleen vervelend en tijdrovend, maar ook vatbaar voor remming van bacteriegroei als gevolg van het toxische effect van zware metaalzouten in zwavelhoudend medium, wat vaak tot negatieve resultaten leidt. Er is een op bismut gebaseerde methode vastgesteld voor de detectie van H2S12,13. H2S kan reageren met bismut en vormt zwarte bismutsulfideprecipitatie. Om een hervorming voor deze biochemische test uit te voeren, moet een eenvoudige en snelle methode zonder bijwerkingen op de bacteriegroei worden vastgesteld. Hier hebben we een eenvoudige methode opgezet voor de detectie van waterstofsulfideproducerende bacteriën gekweekt in een in vitro omgeving met bismutsulfide als substraat in een 96-well microtiterplaatformaat.
Protocol
Representative Results
Discussion
De waterstofsulfideproductietest is een van de conventionele fenotypische tests voor de identificatie en differentiatie van bacteriestammen. Veel bacteriesoorten kunnen waterstofsulfide produceren in hun natuurlijke omgeving, zoals waterwater. Deze bacteriesoorten omvatten Salmonella sp., Citrobacter sp., Proteus sp., Pseudomonas sp., sommige stammen van Klebsiella sp., Escherichia coli en sommige soorten anaerobe Clostridia15,16<sup…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd ondersteund door de Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions (PAPD) en het Teaching Reform Research Project van de China Pharmaceutical University (2019XJYB18).
Materials
| Bismuth (III)chloride | Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd | 7787-60-2 | |
| EDTA | Nanjing Chemical Reagent Co., Ltd | 60-00-4 | |
| Enterococcus faecalis | ATCC | 19433 | |
| Fusobacterium nucleatum | ATCC | 25586 | |
| Klebsiella pneumoniae | ATCC | 43816 | |
| L-cysteine | Amresco | 52-90-4 | |
| Proteus vuigaris | CMCC | 49027 | |
| Salmonella paratyphi A | CMCC | 50001 | |
| Salmonella paratyphi B | CMCC | 50094 | |
| Staphylococcus aureus | ATCC | 25923 | |
| Triethanolamine-HCl | Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd. | 637-39-8 |
References
- Thompson, L. S. The group of hydrogen sulphide producing bacteria. Journal of Medical Research. 42 (184), 383-389 (1921).
- Ono, K., et al. Cysteine hydropersulfide inactivates β-lactam antibiotics with formation of ring-opened carbothioic s-acids in bacteria. ACS Chemical Biology. 16 (4), 731-739 (2021).
- Mironov, A., et al. Mechanism of H2S-mediated protection against oxidative stress in Escherichia coli. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (23), 6022-6027 (2017).
- Shen, Y., Shen, Z., Luo, S., Guo, W., Zhu, Y. The cardioprotective effects of hydrogen sulfide in heart diseases: From molecular mechanisms to therapeutic potential. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2015, 925167 (2015).
- Salloum, F. N. Hydrogen sulfide and cardioprotection-mechanistic insights and clinical translatability. Pharmacology & Therapeutics. 152, 11-17 (2015).
- Wallace, J. L., Wang, R. Hydrogen sulfide-based therapeutics: Exploiting a unique but ubiquitous gasotransmitter. Nature Reviews. Drug Discovery. 14 (5), 329-345 (2015).
- Wu, D., et al. Role of hydrogen sulfide in ischemia-reperfusion injury. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. , 186908 (2015).
- Truong, D. H., Eghbal, M. A., Hindmarsh, W., Roth, S. H., O’Brien, P. J. Molecular mechanisms of hydrogen sulfide toxicity. Drug Metabolism Reviews. 38 (4), 733-744 (2006).
- Shatalin, K., et al. Inhibitors of bacterial H2S biogenesis targeting antibiotic resistance and tolerance. Science. 372 (6547), 1169-1175 (2021).
- Frávega, J., et al. Salmonella Typhimurium exhibits fluoroquinolone resistance mediated by the accumulation of the antioxidant molecule H2S in a CysK-dependent manner. The Journal of Antimicrobial Chemotherapy. 71 (12), 3409-3415 (2016).
- Luhachack, L., Nudler, E. Bacterial gasotransmitters: An innate defense against antibiotics. Current Opinion in Microbiology. 21, 13-17 (2014).
- Yoshida, A., et al. Hydrogen sulfide production from cysteine and homocysteine by periodontal and oral bacteria. Journal of Periodontology. 80 (11), 1845-1851 (2009).
- Basic, A., Blomqvist, S., Carlén, A., Dahlén, G. Estimation of bacterial hydrogen sulfide production in vitro. Journal of Oral Microbiology. 7, 28166 (2015).
- Rosolina, S. M., Carpenter, T. S., Xue, Z. L. Bismuth-based, disposable sensor for the detection of hydrogen sulfide gas. Analytical Chemistry. 88 (3), 1553-1558 (2016).
- Barton, L. L., Fauque, G. D. Biochemistry, physiology and biotechnology of sulfate-reducing bacteria. Advances in Applied Microbiology. 68, 41-98 (2009).
- Shatalin, K., Shatalina, E., Mironov, A., Nudler, E. H2S: A universal defense against antibiotics in bacteria. Science. 334 (6058), 986-990 (2011).
- Schnabel, B., Caplin, J. L., Cooper, I. R. Modification of the H2S test to screen for the detection of sulphur- and sulphate-reducing bacteria of faecal origin in water. Water Supply. 21 (1), 59-79 (2021).
- Netzer, R., Ribičić, D., Aas, M., Cavé, L., Dhawan, T. Absolute quantification of priority bacteria in aquaculture using digital PCR. Journal of Microbiological Methods. 183, 106171 (2021).
