Микробиологический контроль качества сточной воды методом видовой идентификации микроорганизмов с применением MALDI-TOF MS

Введение. Одной из главных задач оказания медицинской помощи при инфекционных заболеваниях является быстрое установление инфекционного агента. Не менее значима задача своевременного принятия профилактических мер в целях предотвращения кишечных инфекций, распространяющихся водным путём. Поэтому ускоренные методы идентификации микроорганизмов позволяют в краткие сроки установить степень микробного загрязнения воды, в том числе сточной, и, следовательно, их потенциальную опасность для водных объектов и здоровья человека.

Цель работы — оценить эффективность применения метода матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации времяпролётной масс-спектрометрии, Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization (MALDI-TOF MS), для идентификации бактерий при проведении микробиологического контроля качества сточной воды.

Материалы и методы. В рамках работы проводили бактериологический посев образцов сточной воды на этапе очистки с Курьяновской станции аэрации для определения индикаторных показателей в соответствии с МУ 2.1.5.800-99 «Организация госсанэпиднадзора за обеззараживанием сточных вод» и МУК 4.2.1884-04 «Санитарно-микробиологический и санитарно-паразитологический анализ воды поверхностных водных объектов», выделенные микроорганизмы идентифицировали с помощью MALDI-TOF MS и проводили секвенирование гена 16S рРНК.

Результаты. Были исследованы и идентифицированы 5 штаммов музейных эталонных культур и 22 выделенных из проб сточных вод бактериальных изолята, выращенных на селективных средах (агар Эндо, энтерококк-агар и хромогенных средах), методом MALDI-TOF MS. Правильность видовой идентификации была подтверждена секвенированием специфических участков гена 16S рРНК.

Ограничения исследования. Для бактерий рода Salmonella методом MALDI-TOF MS удалось достоверно идентифицировать только род.

Заключение. В рутинной практике микробиологических исследований идентификация микроорганизмов основана на определении их культуральных, тинкториальных свойств, а также биохимической активности, определение которых требует больших финансовых и временных затрат. Применение метода MALDI-TOF MS позволяет существенно сократить время идентификации микроорганизмов и делает её возможной уже при появлении видимого роста микроорганизмов.

Участие авторов:
Стрелецкий А.В., Сухина М.А., Водянова М.А., Загайнова А.В. — концепция и дизайн исследования, статистическая обработка, написание текста, редактирование;
Автономова А.В. — статистическая обработка, написание текста, редактирование;
Екатеринчева Е.С., Толкачева Л.Р., Грицюк О.В., Новожилов К.А. — сбор и обработка материала, выполнение экспериментальной работы, статистическая обработка, написание текста, редактирование.
Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование. Исследование проведено в рамках НИР «Разработка унифицированных методов, включающих отбор проб, для осуществления определения микробиологического и паразитологического загрязнения сточных вод» (шифр «Сточные воды») № 145.001.21.6 от 12.11.2021 г.

Поступила: 15.03.2022 / Принята к печати: 21.04.2022 / Опубликована: 31.05.2022

1. Buszewski B., Rogowska A., Pomastowski P., Złoch M., Railean-Plugaru V. Identification of microorganisms by modern analytical techniques. J. AOAC Int. 2017; 100(6): 1607-23. https://doi.org/10.5740/jaoacint.17-0207

2. Domon B., Aebersold R. Mass spectrometry and protein analysis. Science. 2006; 312(5771): 212-7. https://doi.org/10.1126/science.1124619

3. Douthwaite S., Kirpekar F. Identifying modifications in RNA by MALDI mass spectrometry. Methods Enzymol. 2007; 425: 3-20. https://doi.org/10.1016/s0076-6879(07)25001-3

4. Harvey D.J. Analysis of carbohydrates and glycoconjugates by Matrix-assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry: an update for 2015-2016. Mass Spectrom. Rev. 2021; 40(4): 408-565. https://doi.org/10.1002/mas.21651

5. Radionova A., Filippov I., Derrick P.J. In pursuit of resolution in time-of-flight mass spectrometry: A historical perspective. Mass Spectrom. Rev. 2016; 35(6): 738-57. https://doi.org/10.1002/mas.21470

6. Fenn J.B., Mann M., Meng C.K., Wong S.F., Whitehouse C.M. Electrospray ionization for mass spectrometry of large biomolecules. Science. 1989; 246(4926): 64-71. https://doi.org/10.1126/science.2675315

7. De Carolis E., Vella A., Vaccaro L., Torelli R., Posteraro P., Ricciardi W., et al. Development and validation of an in-house database for matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry-based yeast identification using a fast protein extraction procedure. J. Clin. Microbiol. 2014; 52(5): 1453-8. https://doi.org/10.1128/jcm.03355-13

8. Tanaka K., Waki H., Ido Y., Akita S., Yoshida Y., Yoshida T., Matsuo T. Protein and polymer analyses up to m/z 100 000 by laser ionization time-of-flight mass spectrometry. Rapid Commun. Mass Spectrom. 1988; (8): 151-3.

9. Karas M., Bachmann D., Hillenkamp F. Influence of the wavelength in high-irradiance ultraviolet laser desorption mass spectrometry of organic molecules. Anal. Chem. 1985; 57(14): 2935-9.

10. Fenselau C., Demirev P.A. Characterization of intact microorganisms by MALDI mass spectrometry. Mass Spectrom. Rev. 2001; 20(4): 157-71. https://doi.org/10.1002/mas.10004

11. Vaidyanathan S., Winder C.L., Wade S.C., Kell D.B., Goodacre R. Sample preparation in matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry of whole bacterial cells and the detection of high mass (>20 kDa) proteins. Rapid Commun. Mass Spectrom. 2002; 16(13): 1276-86. https://doi.org/10.1002/rcm.713

12. Giebel R., Worden C., Rust S.M., Kleinheinz G.T., Robbins M., Sandrin T.R. Microbial fingerprinting using matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) applications and challenges. Adv. Appl. Microbiol. 2010; 71: 149-84. https://doi.org/10.1016/s0065-2164(10)71006-6

13. Croxatto A., Prod’hom G., Greub G. Applications of MALDI-TOF mass spectrometry in clinical diagnostic microbiology. FEMS Microbiol. Rev. 2012; 36(2): 380-407. https://doi.org/10.1111/j.1574-6976.2011.00298.x

14. Hrabák J., Chudácková E., Walková R. Matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight (maldi-tof) mass spectrometry for detection of antibiotic resistance mechanisms: from research to routine diagnosis. Clin. Microbiol. Rev. 2013; 26(1): 103-14. https://doi.org/10.1128/cmr.00058-12

15. Huang A.M., Newton D., Kunapuli A., Gandhi T.N., Washer L.L., Isip J., et al. Impact of rapid organism identification via matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight combined with antimicrobial stewardship team intervention in adult patients with bacteremia and candidemia. Clin. Infect. Dis. 2013; 57(9): 1237-45. https://doi.org/10.1093/cid/cit498

16. Kiehntopf M., Schmerler D., Brunkhorst F.M., Winkler R., Ludewig K., Osterloh D., et al. Mass spectrometry-based protein patterns in the diagnosis of sepsis / systemic inflammatory response syndrome. Shock. 2011; 36(6): 560-9. https://doi.org/10.1097/shk.0b013e318237ea7c

17. van Belkum A., Welker M., Erhard M., Chatellier S. Biomedical mass spectrometry in today’s and tomorrow’s clinical microbiology laboratory. J. Clin. Microbiol. 2012; 50(5): 1513-7. https://doi.org/10.1128/jcm.00420-12