Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd2731510.32607/actanaturae.27315Research ArticlesЭкспериментальные статьиResearch ArticleStreptomyces phaeochromogenes BV-204, K-1115А Anthraquinone-Producing Strain: A New Protein Biosynthesis InhibitorStreptomyces phaeochromogenes БВ-204 – штамм-продуцент антрахинона К-1115А, нового ингибитора биосинтеза белкаBelikA. R.БеликА. Р.
Russian Federation
metrim@gmail.comZakalyukinaYu. V.ЗакалюкинаЮ. В.
Russian Federation
juline@mail.ruAlferovaV. A.АлфероваВ. А.
Russian Federation
metrim@gmail.comBuyuklyanY. A.БуюклянЮ. А.
Russian Federation
metrim@gmail.comOstermanI. A.ОстерманИ. А.
Russian Federation
metrim@gmail.comBiryukovM. V.БирюковМ. В.
Russian Federation
metrim@gmail.comSirius University of Science and TechnologyНаучно-технологический университет «Сириус»Lomonosov Moscow State UniversityМосковский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваShemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic ChemistryИнститут биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАНSkolkovo Institute of Science and TechnologyСколковский институт науки и технологий1005202416130390211202324012024Copyright ©; 2024, Belik A.R., Zakalyukina Y.V., Alferova V.A., Buyuklyan Y.A., Osterman I.A., Biryukov M.V.Copyright ©; 2024, Белик А.Р., Закалюкина Ю.В., Алферова В.А., Буюклян Ю.А., Остерман И.А., Бирюков М.В.2024Belik A.R., Zakalyukina Y.V., Alferova V.A., Buyuklyan Y.A., Osterman I.A., Biryukov M.V.Белик А.Р., Закалюкина Ю.В., Алферова В.А., Буюклян Ю.А., Остерман И.А., Бирюков М.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/27315

In the search for new antibiotics, it is a common occurrence that already known molecules are “rediscovered” while new promising ones remain unnoticed. A possible solution to this problem may be the so-called “target-oriented” search, using special reporter microorganisms that combine increased antibiotic sensitivity with the ability to identify a molecule’s damaging effect. The use of such test organisms makes it possible to discover new promising properties even in known metabolites. In this study, we used a high-throughput screening method based on the pDualrep2 dual reporter system, which combines high sensitivity through the use of modified strains of test organisms and makes it possible to easily and accurately identify the interaction mechanisms of a substance and a bacterial cell at the initial stages of screening. This reporter system is unknown in Russia and is significantly superior to its global analogues. In the system, translation inhibition induces the expression of the fluorescent protein Katushka2s, while DNA damage is induced by TurboRFP. Using pDualrep2, we have isolated and described BV-204, an S. phaeochromogenes strain producing K-1115A, the biologically active substance that we have previously described. In our study, K-1115A for the first time has demonstrated antibiotic activity and an ability to inhibit bacterial translation, which was confirmed in vitro in a cell-free translation system for FLuc mRNA. K-1115A’s antibacterial activity was tested and confirmed for S. aureus (MRSA) and B. subtilis, its cytotoxicity measured against that for the HEK293 cell line. Its therapeutic index amounted to 2 and 8, respectively. The obtained results open up prospects for further study of K-1115A; so, this can be regarded as the basis for the production of semi-synthetic derivatives with improved therapeutic properties to be manufactured in dosage forms.

Важной проблемой при поиске новых антибиотиков является «переоткрытие», то есть обнаружение уже известных молекул и тот факт, что на их фоне могут теряться новые молекулы с перспективными механизмами действия. Возможным решением этой проблемы может быть так называемый мишень-ориентированный поиск с использованием специальных репортерных микроорганизмов, сочетающих повышенную антибиотикочувствительность со способностью демонстрировать характер повреждающего действия изучаемых молекул. Использование подобных тест-организмов позволяет обнаружить новые интересные свойства даже у известных метаболитов. В данном исследовании использован метод высокопроизводительного скрининга на основе двойной репортерной системы pDualrep2, высокая чувствительность которой, обусловленная использованием модифицированных штаммов тест-организмов, сочетается с возможностью легко и точно выявлять механизмы взаимодействия вещества с бактериальной клеткой на первичных этапах скрининга. Эта репортерная система не имеет аналогов в России и существенно превосходит мировые аналоги. Ингибирование трансляции индуцирует экспрессию флуоресцентного белка Katushka2s, а повреждение ДНК – TurboRFP. При помощи pDualrep2 нами выделен и описан штамм Streptomyces phaeochromogenes БВ-204, продуцент описанного ранее биологически активного вещества К-1115А, антибиотическая активность которого и способность ингибировать бактериальную трансляцию впервые были продемонстрированы в нашей работе. Этот эффект подтвержден нами в in vitro системе бесклеточной трансляции мРНК FLuc. Антибактериальная активность вещества К-1115А проверена и подтверждена на клетках S. aureus (MRSA) и B. subtilis, а также сопоставлена с цитотоксичностью на клеточной линии HEK293. Определен терапевтический индекс данного соединения, составивший 2 и 8 соответственно. Полученные результаты и описанные нами новые свойства К-1115А открывают перспективы его дальнейшего изучения и позволяют рассматривать данное соединение как основу для получения полусинтетических производных с улучшенными терапевтическими свойствами и разработки в дальнейшем лекарственных форм.

actinomycetesK-1115Aantibioticsreporter system pDualrep2inhibition of protein biosynthesisin vitro translationcitizen scienceактиномицетыК-1115Аантибиотикирепортерная система pDualrep2ингибирование биосинтеза белкаin vitro трансляция«гражданская наука»Министерство науки и высшего образования Российской ФедерацииMinistry of Science and Higher Education of the Russian Federation075-10-2021-093Abdel-Razek A.S., El-Naggar M.E., Allam A., Morsy O.M., Othman S.I. // Processes. 2020. V. 8. № 4. P. 470.Newman D.J., Cragg G.M. // J. Nat. Prod. 2020. V. 83. № 3. P. 770–803.Dai J., Han R., Xu Y., Li N., Wang J., Dan W. // Bioorganic Chem. 2020. V. 101. P. 103922.Wright G.D. // Chem. Biol. 2012. V. 19. № 1. P. 3–10.Zhu Y., Huang W.E., Yang Q. // Infect. Drug Resist. 2022. V. Volume 15. P. 735–746.Zhu Y., Huang W.E., Yang Q. // Infect. Drug Resist. 2022. V. 15. P. 735–746.Alferova V.A., Maviza T.P., Biryukov M.V., Zakalyukina Y.V., Lukianov D.A., Skvortsov D.A., Vasilyeva L.A., Tashlitsky V.N., Polshakov V.I., Sergiev P.V., et al. // Biochimie. 2022. V. 192. P. 63–71.Mahajan G.B. // Front. Biosci. 2012. V. E4. № 1. P. 240–253.Sousa J.A.D.J., Olivares F.L. // Chem. Biol. Technol. Agric. 2016. V. 3. № 1. P. 24.Tian X., Zhang Z., Yang T., Chen M., Li J., Chen F., Yang J., Li W., Zhang B., Zhang Z., et al. // Front. Microbiol. 2016. V. 7. № 5. P.17-18.Tian X., Zhang Z., Yang T., Chen M., Li J., Chen F., Yang J., Li W., Zhang B., Zhang Z., et al. // Front. Microbiol. 2016. V. 7. № 5. P. 17–18.Osterman I.A., Komarova E.S., Shiryaev D.I., Korniltsev I.A., Khven I.M., Lukyanov D.A., Tashlitsky V.N., Serebryakova M.V., Efremenkova O.V., Ivanenkov Y.A., et al. // Antimicrob. Agents Chemother. 2016. V. 60. № 12. P. 7481–7489.Volynkina I.A., Zakalyukina Y.V., Alferova V.A., Belik A.R., Yagoda D.K., Nikandrova A.A., Buyuklyan Y.A., Udalov A.V., Golovin E.V., Kryakvin M.A., et al. // Antibiotics. 2022. V. 11. № 9. P. 1198.ISO. https://www.iso.org/standard/65223.html. (Accessed November 1, 2023).ISO. https://www.iso.org/standard/65223.html. (Accessed November 1, 2023)Baranova A.A., Chistov A.A., Tyurin A.P., Prokhorenko I.A., Korshun V.A., Biryukov M.V., Alferova V.A., Zakalyukina Y.V. // Microorganisms. 2020. V. 8. № 12. P. 1948.Gause G.F., Preobrazhenskaya T.P., Terekhova L.P., Maksimova T.S. Guide for Determination of Actinomycetes: Genera Streptomyces, Streptoverticillium, and Chainia. 1st ed. M.: Nauka, 1983. P. 84–89.Shirling E.B., Gottlieb D. // Int. J. Syst. Bacteriol. 1966. V. 16. № 3. P. 313–340.Zakalyukina Y.V., Osterman I.A., Wolf J., Neumann-Schaal M., Nouioui I., Biryukov M.V. // Antonie Van Leeuwenhoek. 2023. V. 116. № 6. P. 597–598.Williams S.T., Goodfellow M., Alderson G., Wellington E.M.H., Sneath P.H.A., Sackin M.J. // Microbiology. 1983. V. 129. № 6. P. 1743–1813.Zakalyukina Y.V., Birykov M.V., Lukianov D.A., Shiriaev D.I., Komarova E.S., Skvortsov D.A., Kostyukevich Y., Tashlitsky V.N., Polshakov V.I., Nikolaev E., et al. // Biochimie. 2019. V. 160. P. 93–99.Zakalyukina Yu.V., Biryukov M.V., Golichenkov M.V., Netrusov A.I. // Mosc. Univ. Biol. Sci. Bull. 2017. V. 72. № 1. P. 13–19.Prjibelski A., Antipov D., Meleshko D., Lapidus A., Korobeynikov A. // Curr. Protoc. Bioinforma. 2020. V. 70. № 1. P. e102.Brettin T., Davis J.J., Disz T., Edwards R.A., Gerdes S., Olsen G.J., Olson R., Overbeek R., Parrello B., Pusch G.D., et al. // Sci. Rep. 2015. V. 5. № 1. P. 8365.Ondov B.D., Treangen T.J., Melsted P., Mallonee A.B., Bergman N.H., Koren S., Phillippy A.M. // Genome Biol. 2016. V. 17. № 1. P. 132.Lefort V., Desper R., Gascuel O. // Mol. Biol. Evol. 2015. V. 32. № 10. P. 2798–2800.Zakalyukina Y.V., Pavlov N.A., Lukianov D.A., Marina V.I., Belozerova O.A., Tashlitsky V.N., Guglya E.B., Osterman I.A., Biryukov M.V. // Insects. 2022. V. 13. № 11. P. 1042.Kohlbacher O., Reinert K., Gröpl C., Lange E., Pfeifer N., Schulz-Trieglaff O., Sturm M. // Bioinformatics. 2007. V. 23. № 2. P. e191–e197.Wang M., Carver J.J., Phelan V.V., Sanchez L.M., Garg N., Peng Y., Nguyen D.D., Watrous J., Kapono C.A., Luzzatto-Knaan T., et al. // Nat. Biotechnol. 2016. V. 34. № 8. P. 828–837.van Santen J.A., Poynton E.F., Iskakova D., McMann E., Alsup T.A., Clark T.N., Fergusson C.H., Fewer D.P., Hughes A.H., McCadden C.A., et al. // Nucleic Acids Res. 2022. V. 50. № D1. P. D1317–D1323.Van Santen J.A., Jacob G., Singh A.L., Aniebok V., Balunas M.J., Bunsko D., Neto F.C., Castaño-Espriu L., Chang C., Clark T.N., et al. // ACS Cent. Sci. 2019. V. 5. № 11. P. 1824–1833.Segeritz C.-P., Vallier L. In: Basic Science Methods for Clinical Researchers. // Elsevier. Academic Press. 2017. P. 151–172Segeritz C.-P., Vallier L. // Basic Science Methods for Clinical Researchers. Elsevier. Academic Press, 2017. P. 151–172.Nouioui I., Carro L., García-López M., Meier-Kolthoff J.P., Woyke T., Kyrpides N.C., Pukall R., Klenk H.-P., Goodfellow M., Göker M. // Front. Microbiol. 2018. V. 9. P. 2007.Goto M., Masegi M.-A., Yamauchi T., Chiba K.-I., Kuboi Y., Harada K., Naruse N. // J. Antibiot. (Tokyo). 1998. V. 51. № 6. P. 539–544.Oja T., Palmu K., Lehmussola H., Leppäranta O., Hännikäinen K., Niemi J., Mäntsälä P., Metsä-Ketelä M. // Chem. Biol. 2008. V. 15. № 10. P. 1046–1057.Naruse N., Goto M., Watanabe Y., Terasawa T., Dobashi K. // J. Antibiot. (Tokyo). 1998. V. 51. № 6. P. 545–552.Ritacco F.V., Eveleigh D.E. // J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2008. V. 35. № 9. P. 931–945.Graziani E.I., Ritacco F.V., Bernan V.S., Telliez J.-B. // J. Nat. Prod. 2005. V. 68. № 8. P. 1262–1265.Bycroft B.W., Higton A.A., Roberts A.D. // Dictionary of antibiotics and related substances. // London ; New York. 1988. P.944.Bycroft B.W., Higton A.A., Roberts A.D. Dictionary of antibiotics and related substances. London; New York. 1988. P. 944.Van Pée K.-H., Lingens F. // FEBS Lett. 1984. V. 173. № 1. P. 5–8.van Pée K.-H., Lingens F. // FEBS Lett. 1984. V. 173. № 1. P. 5–8.Söhngen C., Podstawka A., Bunk B., Gleim D., Vetcininova A., Reimer L.C., Ebeling C., Pendarovski C., Overmann J. // Nucleic Acids Res. 2016. V. 44. № D1. P. D581–D585.Schwyn B., Neilands J.B. // Anal. Biochem. 1987. V. 160. № 1. P. 47–56.Poumale H.M.P., Ngadjui B.T., Helmke E., Laatscha H. // Z. Für Naturforschung B. 2006. V. 61. № 11. P. 1450–1454.Song Z.-M., Zhang J.-L., Zhou K., Yue L.-M., Zhang Y., Wang C.-Y., Wang K.-L., Xu Y. // Front. Microbiol. 2021. V. 12. P. 709826.Sagurna L., Heinrich S., Kaufmann L.-S., Rückert-Reed C., Busche T., Wolf A., Eickhoff J., Klebl B., Kalinowski J., Bandow J.E. // Antibiot. Basel Switz. 2023. V. 12. № 7. P. 1116.Tian W., Wang C., Li D., Hou H. // Future Med. Chem. 2020. P. fmc-2019-0322.Pavlova J.A., Khairullina Z.Z., Tereshchenkov A.G., Nazarov P.A., Lukianov D.A., Volynkina I.A., Skvortsov D.A., Makarov G.I., Abad E., Murayama S.Y., et al. // Antibiotics. 2021. V. 10. № 5. P. 489.Liu Y., Zhong Y., Tian W., Lan F., Kang J., Pang H., Hou H., Li D. // Anticancer. Drugs. 2019. V. 30. № 10. P. 1038–1047.Hitosugi T., Zhou L., Elf S., Fan J., Kang H.-B., Seo J.H., Shan C., Dai Q., Zhang L., Xie J., et al. // Cancer Cell. 2012. V. 22. № 5. P. 585–600.Wang D., Wang S., Liu Q., Wang M., Wang C., Yang H. // Oncol. Rep. 2013. V. 29. № 6. P. 2341–2347.Stanojković T., Marković V., Matić I.Z., Mladenović M.P., Petrović N., Krivokuća A., Petković M., Joksović M.D. // Bioorg. Med. Chem. Lett. 2018. V. 28. № 15. P. 2593–2598.Ijaz T., Tran P., Ruparelia K.C., Teesdale-Spittle P.H., Orr S., Patterson L.H. // Bioorg. Med. Chem. Lett. 2001. V. 11. № 3. P. 351–353.