Enterococcus faecalis’in Biyofilm Yapısında eDNA’nın Rolü ve Biyofilm Eradikasyonunda Enzim ve Antibiyotik Uygulamasının Etkinliğinin Araştırılması
Yıl: 2022 Cilt: 56 Sayı: 4 Sayfa Aralığı: 606 - 619 Metin Dili: Türkçe DOI: 10.5578/mb.20229602 İndeks Tarihi: 28-10-2022
Enterococcus faecalis’in Biyofilm Yapısında eDNA’nın Rolü ve Biyofilm Eradikasyonunda Enzim ve Antibiyotik Uygulamasının Etkinliğinin Araştırılması
Öz: Mikrobiyal yaşamın predominant formu olan biyofilm yapıları; patojen mikroorganizmaların, cansız yüzeylerin yanı sıra insan vücudunda farklı doku ve organlarda da kolonize olarak canlı kalmalarını sağla- yan bir oluşumdur. Biyofilm yapıları ile mücadelede önemli kriterlerden biri, ekzopolimerik matriksin (EPS) yapısının zayıflatılmasıdır. Enterokok biyofilmlerinde hücre dışı DNA’nın (eDNA) EPS’de çokça bulunan makromoleküllerden biri olduğu bilinmekle birlikte, biyofilm yapısındaki fonksiyonu tartışmalıdır. Biyofilm oluşturan enterokoklar antibiyotiklere daha dirençli olduğundan, tedavide antibiyotiklerin yanı sıra biyo- film yapısına etki eden ajanların kullanımı araştırılmaktadır. Bu çalışmada Enterococcus faecalis biyofilm yapılarının eradikasyonunda enzim uygulaması ile eDNA’nın hedef alınması ve antibiyotik tedavisinin üzerine olan etkisinin artırılmasının araştırılması amaçlanmıştır. Dört E.faecalis suş ve izolatının (74 ve 114 kodlu iki klinik izolat, ve iki ATCC suşu) biyofilm formlarındaki eDNA miktarı ve optimal üretim zamanı PicoGreen floresan ışımasının spektrofotometrik olarak ölçülmesiyle belirlenmiştir. Biyofilm eradikasyonu için; kanamisin, tetrasiklin, nalidiksik asit ve ampisilinin tek başlarına ve Benzonaz® ve DNaz I enzimleri ile kombine preparatlarının etkileri triptik soy agar üzerinde canlı hücre sayımı yolu ile araştırılmıştır. E.faecalis suş ve izolatlarının optimum biyofilm üretiminin 37°C’de 12. saatte gerçekleştiği tespit edilmiştir. E.faecalis 114, en güçlü biyofilm üreticisi ve biyofilm yapısında en yüksek oranda eDNA (286 98 ng/μl) içeren izolat olarak tanımlanmıştır. Test edilen antibiyotikler E.faecalis biyofilm yapılarına karşı tek başlarına anlamlı bir antibiyofilm aktivitesi göstermezken, ampisilin ve tetrasiklin ile DNaz I enzimi birlikte uygulandığında güçlü antibiyofilm aktivitesi tespit edilmiştir. Bu çalışma ile literatürde ilk defa, enterokok biyofilmlerinin eradikasyonunda DNA parçalayıcı enzim/antibiyotik kombinasyonlarının kullanımı ve bu kombinasyonla- rın eDNA’ya karşı etkinlikleri araştırılmıştır. Sonuç olarak, önemli bir nozokomiyal enfeksiyon etkeni olan E.feacalis’in biyofilm yapıları ile mücadelede antibiyotiklerin EPS yapısındaki DNA molekülünü hedef alan DNaz I enzimi ile birlikte kullanımında tedavide daha başarılı olunacağı yönünde destekleyici sonuçlar elde edilmiştir. Bu sonuçların ileri aşamada klinik çalışmalarla desteklenmesi gerekmektedir.
Anahtar Kelime: The Role of eDNA in Biofilm Structure of Enterococcus faecalis and Investigation of the Efficiency of Enzyme and Antibiotic Application in Biofilm Eradication
Öz: Biofilm structures, which are the predominant form of microbial life, are a formation that allows pat- hogenic microorganisms to remain alive by colonizing in different tissues and organs in the human body, as well as on inanimate surfaces. One of the important criteria in the fight against biofilm structures is the weakening of the exopolymeric matrix (EPS). Although it is known that extracellular DNA (eDNA) is one of the most abundant macromolecules in EPS in enterococcal biofilms, its function in biofilm structure is controversial. Since biofilm-forming enterococci are more resistant to antibiotics, the use of antibiotics together with agents that will damage the biofilm structure is being investigated. In this study, it was aimed to target eDNA with enzyme application for the eradication of Enterococcus faecalis biofilm structures and to investigate the increase of the effectiveness of antibiotic therapy on it. The amount of eDNA and optimal production time in biofilm structures of four different strains and isolates of E.faecalis (two clinical isolates coded 74 and 114, and two control strains coded ATCC 29212 and ATCC OG1RF) were determined by spectrophotometric measurement of PicoGreen fluorescence. For the eradication of biofilm; the effects of kanamycin, tetracycline, nalidixic acid, and ampicillin alone and in combination with Benzonase® and DNase I enzymes were investigated by viable cell count on Tryptic Soy Agar. It was determined that optimum biofilm production of E.faecalis strains and isolates occurred at 37°C for 12 hours. E.faecalis 114 isolate was identified as the strongest biofilm producer among the tested bacteria and the isolate containing the highest amount of eDNA (286 98 ng/μl) in the biofilm structure. While the tested antibiotics did not show significant antibiofilm activity against E.faecalis biofilm structures alone, strong antibiofilm activity was detected when ampicillin and tetracycline were applied together with DNase I enzyme. In this study, the use of DNA-degrading enzyme/antibiotic combinations in the eradication of enterococcal biofilms and the effectiveness of these combinations against eDNA were investigated for the first time in the literature. As a result, supportive results were obtained that the use of antibiotics together with the DNase I enzyme targeting the DNA molecule in the EPS structure will be more successful in the fight against the biofilm structures of E.faecalis, which is an important cause of nosocomial infection. These results need to be supported by further clinical studies.
Anahtar Kelime: Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Bibliyografik
- 1. Høiby N. A personal history of research on microbial biofilms and biofilm infections. Pathog Dis 2014; 70. https://doi.org/10.1111/2049-632X.12165
- 2. Davey ME, O’toole GA. Microbial biofilms: From ecology to molecular genetics. Microbiol Mol Biol Rev 2000; 64(4): 847-67. https://doi.org/10.1128/MMBR.64.4.847-867.2000
- 3. Steinberger RE, Holden PA. Extracellular DNA in single- and multiple-species unsaturated biofilms. Appl Environ Microbiol 2005; 71(9): 5404-10. https://doi.org/10.1128/AEM.71.9.5404-5410.2005
- 4. Chiang WC, Nilsson M, Jensen PØ, Høiby N, Nielsen TE, Givskov M, et al. Extracellular DNA shields against aminoglycosides in Pseudomonas aeruginosa biofilms. Antimicrob Agents Chemother 2013; 57(5): 2352-61. https://doi.org/10.1128/AAC.00001-13
- 5. Dunny GM, Hancock LE, Shankar N. Enterococcal Biofilm Structure and Role in Colonization and Disease. 2014 Feb 14. In: Gilmore MS, Clewell DB, Ike Y, Shankar N, eds. Enterococci: From Commensals to Leading Causes of Drug Resistant Infection [Internet]. Boston: Massachusetts Eye and Ear Infirmary; 2014-.
- 6. Tendolkar PM, Baghdayan AS, Gilmore MS, Shankar N. Enterococcal surface protein, Esp, enhances biofilm formation by Enterococcus faecalis. Infect Immun 2004; 72(10): 6032-9. https://doi.org/10.1128/ IAI.72.10.6032-6039.2004
- 7. O’Toole GA, Kolter R. Initiation of biofilm formation in Pseudomonas fluorescens WCS365 proceeds via multiple, convergent signalling pathways: A genetic analysis. Mol Microbiol 1998; 28(3): 449-61. https:// doi.org/10.1046/j.1365-2958.1998.00797.x
- 8. Tsikrikonis G, Maniatis AN, Labrou M, Ntokou E, Michail G, Daponte A, et al. Differences in biofilm formation and virulence factors between clinical and fecal enterococcal isolates of human and animal origin. Microb Pathog 2012; 52(6): 336-43. https://doi.org/10.1016/j.micpath.2012.03.003
- 9. Shields RC, Mokhtar N, Ford M, Hall MJ, Burgess JG, ElBadawey MR, et al. Efficacy of a marine bacterial nuclease against biofilm forming microorganisms isolated from chronic rhinosinusitis. PLoS One 2013; 8:e55339. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0055339
- 10. Tang L, Schramm A, Neu TR, Revsbech NP, Meyer RL. Extracellular DNA in adhesion and biofilm formation of four environmental isolates: A quantitative study. FEMS Microbiol Ecol 2013; 86(3): 394-403. https://doi. org/10.1111/1574-6941.12168
- 11. Halkman AK, Ayhan K. Mikroorganizma sayımı. Gıda mikrobiyolojisi ve uygulamaları. 2000.
- 12. Ihaka RR. Past and future history. Proc 30th Symp Interface 1998; 392-6.
- 13. Gilmore MS, Clewell DB. The enterococci: Pathogenesis molecular biology and antibiotic resistance. ASM (American Society for Microbiology) Press 2002. https://doi.org/10.1128/9781555817923
- 14. Fisher K, Phillips C. The ecology, epidemiology and virulence of Enterococcus. Microbiology 2009; 155(Pt 6): 1749-57. https://doi.org/10.1099/mic.0.026385-0
- 15. Leclercq R, Bismuth R, Duval J. New high-content disks for determination of high-level aminoglycoside resistance in clinical isolates of Enterococcus faecalis. Eur J Clin Microbiol Infect Dis 1992; 11(4): 356-60. https://doi.org/10.1007/BF01962078
- 16. Whitchurch CB, Tolker-Nielsen T, Ragas PC, Mattick JS. Extracellular DNA required for bacterial biofilm formation. Science 2002; 295(5559): 1487. https://doi.org/10.1126/science.295.5559.1487
- 17. Barnes AM, Ballering KS, Leibman RS, Wells CL, Dunny GM. Enterococcus faecalis produces abundant extracellular structures containing DNA in the absence of cell lysis during early biofilm formation. MBio 2012; 3(4): e00193-12 https://doi.org/10.1128/mBio.00193-12
- 18. Molin S, Tolker-Nielsen T. Gene transfer occurs with enhanced efficiency in biofilms and induces enhanced stabilisation of the biofilm structure. Curr Opin Biotechnol 2003; 14(3): 255-61. https://doi.org/10.1016/ S0958-1669(03)00036-3
- 19. Thomas VC, Hiromasa Y, Harms N, Thurlow L, Tomich J, Hancock LE. A fratricidal mechanism is responsible for eDNA release and contributes to biofilm development of Enterococcus faecalis. Mol Microbiol 2009; 72(4): 1022-36. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.2009.06703.x
- 20. Badel S, Laroche C, Gardarin C, Bernardi T, Michaud P. New method showing the influence of matrix components in Leuconostoc mesenteroides biofilm formation. Appl Biochem Biotechnol 2008; 151(2-3): 364-70. https://doi.org/10.1007/s12010-008-8199-y
- 21. Allesen-Holm M, Barken KB, Yang L, Klausen M, Webb JS, Kjelleberg S, et al. A characterization of DNA release in Pseudomonas aeruginosa cultures and biofilms. Mol Microbiol 2006; 59(4): 1114-28. https://doi. org/10.1111/j.1365-2958.2005.05008.x
- 22. Dominiak DM, Nielsen JL, Nielsen PH. Extracellular DNA is abundant and important for microcolony strength in mixed microbial biofilms. Environ Microbiol 2011; 13(3): 710-21. https://doi.org/10.1111/ j.1462-2920.2010.02375.x
- 23. Petersen FC, Tao L, Scheie AA. DNA binding-uptake system: A link between cell-to-cell communication and biofilm formation. J Bacteriol 2005; 187(13): 4392-400. https://doi.org/10.1128/JB.187.13.4392- 4400.2005
- 24. Suzuki H, Daimon M, Awano T, Umekage S, Tanaka T, Kikuchi Y. Characterization of extracellular DNA production and flocculation of the marine photosynthetic bacterium Rhodovulum sulfidophilum. Appl Microbiol Biotechnol 2009; 84(2): 349-56. https://doi.org/10.1007/s00253-009-2031-7
- 25. Zhao X, Zhao F, Wang J, Zhong N. Biofilm formation and control strategies of foodborne pathogens: Food safety perspectives. RSC Adv 2017; 7: 36670-83. https://doi.org/10.1039/C7RA02497E
- 26. Sena-Vélez M, Redondo C, Graham JH, Cubero J. Presence of extracellular DNA during biofilm formation by Xanthomonas citri subsp. citri strains with different host range. PLoS One 2016; 11: e0156695. https://doi. org/10.1371/journal.pone.0156695
- 27. Bernardi S, Anderson A, Macchiarelli G, Hellwig E, Cieplik F, Vach K, et al. Subinhibitory antibiotic concentrations enhance biofilm formation of clinical Enterococcus faecalis isolates. Antibiotics 2021; 10(7): 874. https://doi.org/10.3390/antibiotics10070874
- 28. Hoffman LR, D’Argenio DA, MacCoss MJ, Zhang Z, Jones RA, Miller SI. Aminoglycoside antibiotics induce bacterial biofilm formation. Nature 2005; 436(7054): 1171-5. https://doi.org/10.1038/nature03912
- 29. Guzman Prieto AM, van Schaik W, Rogers MR, Coque TM, Baquero F, Corander J, et al. Global emergence and dissemination of enterococci as nosocomial pathogens: Attack of the clones? Front Microbiol 2016; 7: 788. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.00788
- 30. Lewis K. Multidrug tolerance of biofilms and persister cells. Curr Top Microbiol Immunol 2008; 322: 107-31. https://doi.org/10.1007/978-3-540-75418-3_6
| APA | Güneş B, akcelik N (2022). Enterococcus faecalis’in Biyofilm Yapısında eDNA’nın Rolü ve Biyofilm Eradikasyonunda Enzim ve Antibiyotik Uygulamasının Etkinliğinin Araştırılması. , 606 - 619. 10.5578/mb.20229602 |
| Chicago | Güneş Burak,akcelik Nefise Enterococcus faecalis’in Biyofilm Yapısında eDNA’nın Rolü ve Biyofilm Eradikasyonunda Enzim ve Antibiyotik Uygulamasının Etkinliğinin Araştırılması. (2022): 606 - 619. 10.5578/mb.20229602 |
| MLA | Güneş Burak,akcelik Nefise Enterococcus faecalis’in Biyofilm Yapısında eDNA’nın Rolü ve Biyofilm Eradikasyonunda Enzim ve Antibiyotik Uygulamasının Etkinliğinin Araştırılması. , 2022, ss.606 - 619. 10.5578/mb.20229602 |
| AMA | Güneş B,akcelik N Enterococcus faecalis’in Biyofilm Yapısında eDNA’nın Rolü ve Biyofilm Eradikasyonunda Enzim ve Antibiyotik Uygulamasının Etkinliğinin Araştırılması. . 2022; 606 - 619. 10.5578/mb.20229602 |
| Vancouver | Güneş B,akcelik N Enterococcus faecalis’in Biyofilm Yapısında eDNA’nın Rolü ve Biyofilm Eradikasyonunda Enzim ve Antibiyotik Uygulamasının Etkinliğinin Araştırılması. . 2022; 606 - 619. 10.5578/mb.20229602 |
| IEEE | Güneş B,akcelik N "Enterococcus faecalis’in Biyofilm Yapısında eDNA’nın Rolü ve Biyofilm Eradikasyonunda Enzim ve Antibiyotik Uygulamasının Etkinliğinin Araştırılması." , ss.606 - 619, 2022. 10.5578/mb.20229602 |
| ISNAD | Güneş, Burak - akcelik, Nefise. "Enterococcus faecalis’in Biyofilm Yapısında eDNA’nın Rolü ve Biyofilm Eradikasyonunda Enzim ve Antibiyotik Uygulamasının Etkinliğinin Araştırılması". (2022), 606-619. https://doi.org/10.5578/mb.20229602 |
| APA | Güneş B, akcelik N (2022). Enterococcus faecalis’in Biyofilm Yapısında eDNA’nın Rolü ve Biyofilm Eradikasyonunda Enzim ve Antibiyotik Uygulamasının Etkinliğinin Araştırılması. Mikrobiyoloji Bülteni, 56(4), 606 - 619. 10.5578/mb.20229602 |
| Chicago | Güneş Burak,akcelik Nefise Enterococcus faecalis’in Biyofilm Yapısında eDNA’nın Rolü ve Biyofilm Eradikasyonunda Enzim ve Antibiyotik Uygulamasının Etkinliğinin Araştırılması. Mikrobiyoloji Bülteni 56, no.4 (2022): 606 - 619. 10.5578/mb.20229602 |
| MLA | Güneş Burak,akcelik Nefise Enterococcus faecalis’in Biyofilm Yapısında eDNA’nın Rolü ve Biyofilm Eradikasyonunda Enzim ve Antibiyotik Uygulamasının Etkinliğinin Araştırılması. Mikrobiyoloji Bülteni, vol.56, no.4, 2022, ss.606 - 619. 10.5578/mb.20229602 |
| AMA | Güneş B,akcelik N Enterococcus faecalis’in Biyofilm Yapısında eDNA’nın Rolü ve Biyofilm Eradikasyonunda Enzim ve Antibiyotik Uygulamasının Etkinliğinin Araştırılması. Mikrobiyoloji Bülteni. 2022; 56(4): 606 - 619. 10.5578/mb.20229602 |
| Vancouver | Güneş B,akcelik N Enterococcus faecalis’in Biyofilm Yapısında eDNA’nın Rolü ve Biyofilm Eradikasyonunda Enzim ve Antibiyotik Uygulamasının Etkinliğinin Araştırılması. Mikrobiyoloji Bülteni. 2022; 56(4): 606 - 619. 10.5578/mb.20229602 |
| IEEE | Güneş B,akcelik N "Enterococcus faecalis’in Biyofilm Yapısında eDNA’nın Rolü ve Biyofilm Eradikasyonunda Enzim ve Antibiyotik Uygulamasının Etkinliğinin Araştırılması." Mikrobiyoloji Bülteni, 56, ss.606 - 619, 2022. 10.5578/mb.20229602 |
| ISNAD | Güneş, Burak - akcelik, Nefise. "Enterococcus faecalis’in Biyofilm Yapısında eDNA’nın Rolü ve Biyofilm Eradikasyonunda Enzim ve Antibiyotik Uygulamasının Etkinliğinin Araştırılması". Mikrobiyoloji Bülteni 56/4 (2022), 606-619. https://doi.org/10.5578/mb.20229602 |
