ivmМеждународный вестник ветеринарииInternational Journal of Veterinary Medicine2072-2419SpbGUVM Publishing House10.52419/issn2072-2419.2023.2.25ivm-1220Research ArticleИНФЕКЦИОННЫЕ БОЛЕЗНИINFECTIOUS DISEASESВлияние фитохимических веществ на сигнальные молекулы системы «Quorum Sensing» у бактерийThe effect of phytochemicals on the signaling molecules of the "Quorum Sensing" system in bacteriahttps://orcid.org/0000-0002-3790-2783ВласенкоЛ. В.VlasenkoL. V.

к.б.н., научный сотрудник лаборатории  селекционно-генетических исследований в животноводстве

Candidate of biological sciences, Researcher, Laboratory of Breeding and Genetic Research in Animal Husbandry

lv.efremova@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3977-4831АтландероваК. Н.AtlanderovaK. N.

к.б.н., научный сотрудник испытательного центра

Candidate of biological sciences, Researcher, Testing Centre 

https://orcid.org/0000-0002-9015-8367ДускаевГ. К.DuskaevG. K.

д.б.н., ведущий научный сотрудник отдела кормления  сельскохозяйственных животных и технологии кормов им. С.Г. Леушина

Doctor of biological sciences, Leading Researcher, Department of Feeding for Farm Animals and Feed Technology named after S.G. Leushin 

https://orcid.org/0000-0003-3086-681XШошинД. Е.ShoshinD. E.

магистр, лаборант-исследователь центра  «Нанотехнологии в сельском хозяйстве»

Master, Laboratory Researcher of the Centre for Nanotechnologies in Agriculture 

ФГБНУ Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий Российской академии наук (ФГБНУ ФНЦ БСТ РАН)РоссияFederal Research Centre of Biological Systems and Agrotechnologies of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202329062023022531Copyright © Власенко Л.В., Атландерова К.Н., Дускаев Г.К., Шошин Д.Е., 20242024Власенко Л.В., Атландерова К.Н., Дускаев Г.К., Шошин Д.Е.Vlasenko L.V., Atlanderova K.N., Duskaev G.K., Shoshin D.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vetjournal.spbguvm.ru/jour/article/view/1220

Система межклеточной коммуникации необходима бактериям для координации взаимодействий между собой и с высшими организмами. Она регулирует ряд свойств микроорганизмов, в том числе патогенность и устойчивость к антибиотикам. Поэтому изучение способов воздействия на данную систему представляется критически значимым. Особое место в подобном контексте занимают растения и их метаболиты (фитохимические вещества), обладающие способностью ингибировать систему межклеточной коммуникации в бактериальных сообществах. Исследования с использованием рубцовой жидкости крупного рогатого скота могут приблизить к пониманию способов регуляции данного процесса в рубце животных. Целью работы стала оценка возможного влияния фитохимических веществ (коричный альдегид, кверцетин, кумарин, ванилин) на сигнальные молекулы системы «Quorum sensing» бактерий (на примере рекомбинантного люминесцирующего биосенсора Escherichia coli pAL103) в присутствии рубцовой жидкости крупного рогатого скота. Установлено, что рубцовая жидкость в концентрации 12,5% не оказывала влияния на уровень свечения биосенсора. Для всех исследуемых фитохимических веществ зафиксирована способность ингибировать процесс межклеточной коммуникации (путем связывания сигнальных молекул), что выражалось в значительном снижении биолюминесценции тест-штамма E. Coli pAL103. При этом наиболее выраженное изменение уровня свечения биосенсора детектировали при совместном действии рубцовой жидкости с коричным альдегидом, меньшее – при влиянии рубцовой жидкости с кумарином, ванилином или кверцетином. Полученные результаты расширяют представления о действии фитохимических веществ, что может быть востребовано при составлении рациона крупного рогатого скота и позволит контролировать активность патогенных бактерий у животных, путем подавления системы межклеточной коммуникации.

The system of cell–cell communication of bacteria is necessary for bacteria to coordinate interactions between themselves and with higher organisms. It regulates a number of properties of microorganisms, including pathogenicity and resistance to antibiotics. Therefore, the study of methods of influencing this system seems to be critically important. A special place in this context is occupied by plants and their metabolites (phytochemicals), which have the ability to inhibit the system of cell–cell communication in bacterial communities. Studies using bovine ruminal fluid can lead to an understanding of how this process is regulated in the rumen. The aim of the work was to evaluate the possible effect of phytochemicals (trans-cinnamaldehyde, quercetin, coumarin, vanillin) on the signal molecules of the "Quorum sensing" system of bacteria (for example, the recombinant luminescent biosensor Escherichia coli pAL103) in the presence of ruminal fluid of cattle. It was found that the scar fluid at a concentration of 12,5 % did not affect the level of biosensor luminescence. For all studied phytochemicals, the ability to inhibit the process of cell–cell communication (by binding signal molecules) was recorded, which was expressed in a significant decrease in the bioluminescence of the E. coli pAL103 test strain. At the same time, the most pronounced change in the level of biosensor luminescence was detected under the combined action of rumen fluid with trans-cinnamaldehyde, and the smallest change was detected under the influence of ruminal fluid with coumarin, vanillin, or quercetin. The results obtained expand the understanding of the action of phytochemicals, which can be in demand when compiling the diet of cattle and will allow controlling the activity of pathogenic bacteria in animals by suppressing the system of cell–cell communication.

рубцовая жидкостьфитохимические веществабиолюминесценцияингибиторы QSсигнальные молекулыruminal fluidphytochemicalsbioluminescenceinhibitor QSsignal moleculesИсследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 22-76-10008).The study was supported by the Russian Science Foundation (Project No. 22-76-10008).ReferencesDefoirdt, T. Quorum-Sensing Systems as Targets for Antivirulence Therapy / T. Defoirdt // Trends Microbiol. – 2018. – Vol. 26. – No. 4. – P. 313-328. Режим доступа: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29132819/Defoirdt, T. Quorum-Sensing Systems as Targets for Antivirulence Therapy / T. Defoirdt // Trends Microbiol. – 2018. – Vol. 26. – No. 4. – P. 313-328. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29132819/LaSarre, B. Exploiting Quorum Sensing To Confuse Bacterial Pathogens / B. LaSarre, M.J. Federle // Microbiol Mol Biol Rev. – 2013. – Vol. 77. – No. 1. – P. 73-111. Режим доступа: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23471618/LaSarre, B. Exploiting Quorum Sensing To Confuse Bacterial Pathogens / B. LaSarre, M.J. Federle // Microbiol Mol Biol Rev. – 2013. – Vol. 77. – No. 1. – P. 73-111. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23471618/Hayat, S. Quorum quenching: role of nanoparticles as signal jammers in Gramnegative bacteria / S. Hayat, S. Muzammil, Shabana, B. Aslam, M.H. Siddique, M. Saqalein, M.A. Nisar // Future Microbiol. – 2019. – Vol. 14. – P. 61-72. Режим доступа: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30539663/Hayat, S. Quorum quenching: role of nanoparticles as signal jammers in Gram negative bacteria / S. Hayat, S. Muzammil, Shabana, B. Aslam, M.H. Siddique, M. Saqalein, M.A. Nisar // Future Microbiol. – 2019. – Vol. 14. – P. 61-72. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30539663/Deryabin, D. Plant-Derived Inhibitors of AHL-Mediated Quorum Sensing in Bacteria: Modes of Action / D. Deryabin, A. Galadzhieva, D. Kosyan, G. Duskaev // Int J Mol Sci. – 2019. – Vol. 20. – No. 22. – P. 5588. Режим доступа: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31717364/Deryabin, D. Plant-Derived Inhibitors of AHL-Mediated Quorum Sensing in Bacteria: Modes of Action / D. Deryabin, A. Galadzhieva, D. Kosyan, G. Duskaev // Int J Mol Sci. – 2019. – Vol. 20. – No. 22. – P. 5588. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31717364/Ta, C.A.K. Mini Review of Phytochemicals and Plant Taxa with Activity as Microbial Biofilm and Quorum Sensing Inhibitors / C.A.K. Ta, J.T. Arnason // Molecules. – 2015. – Vol. 21. – No. 1. – doi: 10.3390/molecules21010029. Режим доступа: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26712734/Ta, C.A.K. Mini Review of Phytochemicals and Plant Taxa with Activity as Microbial Biofilm and Quorum Sensing Inhibitors / C.A.K. Ta, J.T. Arnason // Molecules. – 2015. – Vol. 21. – No. 1. – doi: 10.3390/molecules21010029. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26712734/Duskaev, G.K. Eucalyptus viminalis leaf extract alters the productivity and blood parameters of healthy broiler chickens / G.K. Duskaev, O.V. Kvan, Sh.G. Rakhmatullin / Vet. World. – 2020. – Vol. 13. – No. 12. – P. 2673-2680. Режим доступа: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33487986/Duskaev, G.K. Eucalyptus viminalis leaf extract alters the productivity and blood parameters of healthy broiler chickens / G.K. Duskaev, O.V. Kvan, Sh.G. Rakhmatullin / Vet. World. – 2020. – Vol. 13. – No. 12. – P. 2673-2680. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33487986/Duskaev, G.K. Assessment of (In vitro) toxicity of quorum-sensing inhibitor molecules of Quercus cortex / G.K. Duskaev, D.G. Deryabin, I.F. Karimov, D.B. Kosyan, S.V. Notova // Journal of Pharmaceutical Sciences and Research. – 2018. – Vol. 10. – No. 1. – P. 91-95. Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/322939864_Assessment_of_In_vitro_toxicity_of_quorumsensing_inhibitor_molecules_of_Quercus_cortexDuskaev, G.K. Assessment of (In vitro) toxicity of quorum-sensing inhibitor molecules of Quercus cortex / G.K. Duskaev, D.G. Deryabin, I.F. Karimov, D.B. Kosyan, S.V. Notova // Journal of Pharmaceutical Sciences and Research. – 2018. – Vol. 10. – No. 1. – P. 91-95. URL: https://www.researchgate.net/publication/322939864_Assessment_of_In_vitro_toxicity_of_quorumsensing_inhibitor_molecules_of_Quercus_cortexEdrington, T.S. Acyl-Homoserine-Lactone Autoinducer in the Gastrointesinal Tract of Feedlot Cattle and Correlation to Season, E. Coli O157:H7 Prevalence, and Diet / T.S. Edrington R. L. Farrow, V. Sperandio, D.T. Hughes, T.E. Lawrence, T.R. Callaway, R.C. Anderson, D.J. Nisbet // Curr Microbiol. – 2009. – Vol. 58. – P. 227-232. Режим доступа: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18982388/Edrington, T.S. Acyl-HomoserineLactone Autoinducer in the Gastrointesinal Tract of Feedlot Cattle and Correlation to Season, E. Coli O157:H7 Prevalence, and Diet / T.S. Edrington R. L. Farrow, V. Sperandio, D.T. Hughes, T.E. Lawrence, T.R. Callaway, R.C. Anderson, D.J. Nisbet // Curr Microbiol. – 2009. – Vol. 58. – P. 227-232. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18982388/Каримов, И.Ф. Влияние растительных веществ на сигнальные молекулы quorum sensing (исследование in vitro) / И.Ф. Каримов, Г.К. Дускаев, Г.И. Левахин // Животноводство и кормопроизводство. – 2018. – Т. 101. – С. 7-14. Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanierastitelnyh-veschestv-na-signalnye-molekuly-quorum-sensing-issledovanie-in-vitroKarimov, I.F. Effect of plant matter on quorum sensing signal molecules (in vitro studies) / I.F. Karimov, G.K. Duskaev, G.I. Levakhin // Animal Husbandry and Fodder Production. – 2018. – Vol. 101. – P. 7-14. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-rastitelnyh-veschestv-na-signalnyemolekuly-quorum-sensing-issledovanie-invitroAli, S.M. Antimicrobial activities of Eugenol and Cinnamaldehyde against the human gastric pathogen Helicobacter pylori / S.M. Ali, A.A. Khan, I. Ahmed, M. Musaddiq, K.S. Ahmed, H. Polasa, L.V. Rao, C.M. Habibullah, L.A. Sechi, N. Ahmed // Ann Clin Microbiol Antimicrob. – 2005. – Vol. 4. – P. 20. Режим доступа: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/16371157/Ali, S.M. Antimicrobial activities of Eugenol and Cinnamaldehyde against the human gastric pathogen Helicobacter pylori / S.M. Ali, A.A. Khan, I. Ahmed, M. Musaddiq, K.S. Ahmed, H. Polasa, L.V. Rao, C.M. Habibullah, L.A. Sechi, N. Ahmed // Ann Clin Microbiol Antimicrob. – 2005. – Vol. 4. – P. 20. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/16371157/Chang, C-Y. Non-antibiotic quorum sensing inhibitors acting against N-acyl homoserine lactone synthase as druggable target / C-Y. Chang, T. Krishnan, H. Wang, Y. Chen, W-F. Yin, Y-M. Chong, L.Y. Tan, T.M. Chong, K-G. Chan // Sci Rep. – 2014. – Vol. 4. – P. 7245. Режим доступа: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25430794/Chang, C-Y. Non-antibiotic quorum sensing inhibitors acting against N-acyl homoserine lactone synthase as druggable target / C-Y. Chang, T. Krishnan, H. Wang, Y. Chen, W-F. Yin, Y-M. Chong, L.Y. Tan, T.M. Chong, K-G. Chan // Sci Rep. – 2014. – Vol. 4. – P. 7245. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25430794/Ahmed, S.A.K.S. Natural quorum sensing inhibitors effectively downregulate gene expression of Pseudomonas aeruginosa virulence factors / S.A.K.S. Ahmed, M. Rudden, T.J. Smyth, J.S.G. Dooley, R. Marchant, I.M. Banat // Appl Microbiol Biotechnol. – 2019. – Vol. 103. – No. 8. – P. 3521-3535. Режим доступа: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30852658/Ahmed, S.A.K.S. Natural quorum sensing inhibitors effectively downregulate gene expression of Pseudomonas aeruginosa virulence factors / S.A.K.S. Ahmed, M. Rudden, T.J. Smyth, J.S.G. Dooley, R. Marchant, I.M. Banat // Appl Microbiol Biotechnol. – 2019. – Vol. 103. – No. 8. – P. 3521-3535. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30852658/Gutiérrez-Barranquero, J.A. Deciphering the role of coumarin as a novel quorum sensing inhibitor suppressing virulence phenotypes in bacterial pathogens / J.A. GutiérrezBarranquero, F.J. Reen, R.R. McCarthy, F. O’Gara // Appl. Microbiol. Biotechnol. – 2015. – Vol. 99. – P. 3303-3316. Режим доступа: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25672848/Gutiérrez-Barranquero, J.A. Deciphering the role of coumarin as a novel quorum sensing inhibitor suppressing virulence phenotypes in bacterial pathogens / J.A. Gutiérrez-Barranquero, F.J. Reen, R.R. McCarthy, F. O’Gara // Appl. Microbiol. Biotechnol. – 2015. – Vol. 99. – P. 3303-3316. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25672848/D'Almeida, R.E. Comparison of seven structurally related coumarins on the inhibition of Quorum sensing of Pseudomonas aeruginosa and Chromobacterium violaceum / R.E. D'Almeida, R.D.I. Molina, C.M. Viola, M.C. Luciardi, C.N. Peñalver, A. Bardón, M.E. Arena // Bioorg Chem. – 2017. – Vol. 73. – P. 37-42. Режим доступа: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28599132/D'Almeida, R.E. Comparison of seven structurally related coumarins on the inhibition of Quorum sensing of Pseudomonas aeruginosa and Chromobacterium violaceum / R.E. D'Almeida, R.D.I. Molina, C.M. Viola, M.C. Luciardi, C.N. Peñalver, A. Bardón, M.E. Arena // Bioorg Chem. – 2017. – Vol. 73. – P. 37-42. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28599132/

The authors declare that there are no conflicts of interest present.