microbeПроблемы особо опасных инфекцийProblems of Particularly Dangerous Infections0370-10692658-719XRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”10.21055/0370-1069-2023-3-147-155microbe-1867Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESОценка аналитических возможностей MALDI-TOF масс-спектрометрии при молекулярном типировании Bacillus anthracisEvaluation of the Analytical Capabilities of MALDI-TOF Mass Spectrometry in the Molecular Typing of Bacillus anthracishttps://orcid.org/0000-0001-7754-2201УльшинаД. В.Ul’shinaD. V.

Ульшина Диана Васильевна

Российская Федерация, 355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

Diana V. Ul’shina

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035, Russian Federation

stavnipchi@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9366-5647КовалевД. А.KovalevD. A.

Российская Федерация, 355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035, Russian Federation

stavnipchi@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1117-1185ЕременкоЕ. И.EremenkoE. I.

Российская Федерация, 355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035, Russian Federation

stavnipchi@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0274-898XСеменоваО. В.SemenovaO. V.

Российская Федерация, 355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035, Russian Federation

stavnipchi@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5196-784XРязановаА. Г.RyazanovaA. G.

Российская Федерация, 355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035, Russian Federation

stavnipchi@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6338-4476БобрышеваО. В.BobryshevaO. V.

Российская Федерация, 355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035, Russian Federation

stavnipchi@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7698-7361ЖировА. М.ZhirovA. M.

Российская Федерация, 355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035, Russian Federation

stavnipchi@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9362-3949КуличенкоА. Н.KulichenkoA. N.

Российская Федерация, 355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035, Russian Federation

stavnipchi@mail.ruФКУЗ «Ставропольский научно-исследовательский противочумный институт»РоссияStavropol Research Anti-Plague InstituteRussian Federation20230610202303147155Copyright © Ульшина Д.В., Ковалев Д.А., Еременко Е.И., Семенова О.В., Рязанова А.Г., Бобрышева О.В., Жиров А.М., Куличенко А.Н., 20232023Ульшина Д.В., Ковалев Д.А., Еременко Е.И., Семенова О.В., Рязанова А.Г., Бобрышева О.В., Жиров А.М., Куличенко А.Н.Ul’shina D.V., Kovalev D.A., Eremenko E.I., Semenova O.V., Ryazanova A.G., Bobrysheva O.V., Zhirov A.M., Kulichenko A.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journal.microbe.ru/jour/article/view/1867

Цель исследования – сравнить дискриминирующую способность методов сanSNP13-генотипирования и MALDI-TOF масс-спектрометрии на основании результатов исследования штаммов возбудителя сибирской язвы, принадлежащих к двум основным генетическим линиям А и В.

Материалы и методы

Материалы и методы. Исследовано 73 штамма Bacillus anthracis из коллекции микроорганизмов ФКУЗ Ставропольский противочумный институт Роспотребнадзора. Белковое профилирование проводили на масс-спектрометре Microflex, анализ данных – в среде языка статистического программирования R.

Результаты и обсуждение

Результаты и обсуждение. Экспериментально подтверждено, что предлагаемый подход для дифференциации протеотипов штаммов B. anthracis с индексом дискриминации 0,952 превышает таковой для метода canSNP-типирования и сопоставим с индексом дискриминации для метода MLVA31. Корреляция результатов кластеризации штаммов при типировании методами MALDI-TOF масс-спектрометрии и canSNP-генотипирования достигает 95 % в отношении разделения на главные генетические линии A и B. Изученные штаммы сибиреязвенного микроба, относящиеся в большинстве случаев к филогенетическим группам линии А, представляют собой более десятка белковых профилей, что может быть связано с различиями в уровне экспрессии белков у штаммов каждого canSNP-генотипа. MALDI-TOF масс-спектрометрия позволяет получить сопоставимые с генетическими тестами результаты, имеет лучшую дискриминирующую способность по сравнению с canSNP-типированием, более проста в выполнении.

The aim of the work was to compare the discriminating capacity of the canSNP13 genotyping and MALDI‑TOF mass spectrometry methods based on the results of the study of anthrax pathogen strains belonging to the two main genetic lines A and B.

Materials and methods

Materials and methods. 73 Bacillus anthracis strains from the collection of microorganisms of the Stavropol Research Anti-Plague Institute of the Rospotrebnadzor were investigated. Protein profiling was carried out using a Microflex mass spectrometer, data processing – in the environment of the statistical programming language “R”.

Results and discussion

Results and discussion. It has been experimentally confirmed that the proposed approach for differentiating proteotypes of B. anthracis strains with a discrimination index of 0.952 exceeds the one for the canSNP typing method and is comparable to the discrimination index for the MLVA31 method. The correlation of the results of strain clustering during typing by MALDI-TOF mass spectrometry and canSNP genotyping reaches 95 % as regards the division into the main genetic lines A and B. The studied strains of anthrax microbe, which mostly fall under phylogenetic groups of lineage A, represent more than a dozen protein profiles, which may be due to differences in the level of protein expression in strains of each canSNP genotype. MALDI-TOF mass spectrometry makes it possible to obtain the results comparable with genetic tests, has a better discriminating capacity compared to canSNP typing, and is easier to perform.

Bacillus anthracisMALDI-TOF MSбелковое профилированиеBacillus anthracisMALDI-TOF MSprotein profilingReferencesShadomy S., El Idrissi A., Raizman E., Bruni M., Palamara E., Pittiglio C., Lubroth J. Anthrax outbreaks: a warning for improved prevention, control and heightened awareness. Empres Watch. 2016; Vol. 37. [Электронный ресурс]. URL: http://www.fao.org/3/ai6124e.pdf (дата обращения 09.11.2020).Shadomy S., El Idrissi A., Raizman E., Bruni M., Palamara E., Pittiglio C., Lubroth J. Anthrax outbreaks: a warning for improved prevention, control and heightened awareness. Empres Watch. 2016; Vol. 37. (Cited 09 Nov 2020). [Internet]. Available from: http://www.fao.org/3/a-i6124e.pdf.Попова А.Ю., Демина Ю.В., Ежлова Е.Б., Куличенко А.Н., Рязанова А.Г., Малеев В.В., Плоскирева А.А., Дятлов И.А., Тимофеев В.С., Нечепуренко Л.А., Харьков В.В. Вспышка сибирской язвы в Ямало-Ненецком автономном округе в 2016 году, эпидемиологические особенности. Проблемы особо опасных инфекций. 2016; 4:42–6. DOI: 10.21055/0370-1069-2016-4-42-46.Popova A.Yu., Demina Yu.V., Ezhlova E.B., Kulichenko A.N., Ryazanova A.G., Maleev V.V., Ploskireva A.A., Dyatlov I.A., Timofeev V.S., Nechepurenko L.A., Khar’kov V.V. [Outbreak of anthrax in the Yamalo-Nenets Autonomous District in 2016, epidemiological peculiarities]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2016; (4):42–6. DOI: 10.21055/0370-1069-2016-4-42-46.Еременко Е.И., Рязанова А.Г., Писаренко С.В., Аксенова Л.Ю., Семенова О.В., Котенева Е.А., Цыганкова О.И., Ковалев Д.А., Головинская Т.М., Чмеренко Д.К., Куличенко А .Н. Сравнительный анализ методов генетического типирования Bacillus anthracis. Генетика. 2019; 55(1):40–51. DOI: 10.1134/S0016675819010065.Eremenko E.I., Ryazanova A.G., Pisarenko S.V., Aksenova L.Yu., Semenova O.V., Koteneva E.A., Tsygankova O.I., Kovalev D.A., Golovinskaya T.M., Chmerenko D.K., Kulichenko A.N. [Comparative analysis of genotyping methods for Bacillus anthracis]. Genetika [Russian Journal of Genetics]. 2019; 55(1):40–51. DOI: 10.1134/S0016675819010065.Thierry S., Tourterel C., Le Flèche P., Derzelle S., Dekhil N., Mendy C., Colaneri C., Vergnaud G., Madani N. Genotyping of French Bacillus anthracis strains based on 31-loci multi locus VNTR analysis: epidemiology, marker evaluation, and update of the internet genotype database. PLoS One. 2014; 9(6):e95131. DOI: 10.1371/journal.pone.0095131.Thierry S., Tourterel C., Le Flèche P., Derzelle S., Dekhil N., Mendy C., Colaneri C., Vergnaud G., Madani N. Genotyping of French Bacillus anthracis strains based on 31-loci multi locus VNTR analysis: epidemiology, marker evaluation, and update of the internet genotype database. PLoS One. 2014; 9(6):e95131. DOI: 10.1371/journal.pone.0095131.Lasch P., Jacob D., Grunow R., Schwecke T., Doellinger J. Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight (MALDITOF) mass spectrometry (MS) for the identification of highly pathogenic bacteria. TrAC – Trends Anal. Chem. 2016; 85(Pt. 1):103–11. DOI: 10.1016/j.trac.2016.04.013.Lasch P., Jacob D., Grunow R., Schwecke T., Doellinger J. Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight (MALDITOF) mass spectrometry (MS) for the identification of highly pathogenic bacteria. TrAC – Trends Anal. Chem. 2016; 85(Pt. 1):103–11. DOI: 10.1016/j.trac.2016.04.013.Teramoto K., Okubo T., Yamada Y., Sekiya S., Iwamoto S., Tanaka K. Classification of Cutibacterium acnes at phylotype level by MALDI-MS proteotyping. Proc. Jpn Acad., Ser. B. Phys. Biol. Sci. 2019; 95(10):612–23. DOI: 10.2183/pjab.95.042.Teramoto K., Okubo T., Yamada Y., Sekiya S., Iwamoto S., Tanaka K. Classification of Cutibacterium acnes at phylotype level by MALDI-MS proteotyping. Proc. Jpn Acad., Ser. B. Phys. Biol. Sci. 2019; 95(10):612–23. DOI: 10.2183/pjab.95.042.Афанасьев М.В., Кравец Е.В., Такайшвили В.Е., Дугаржапова З.Ф., Балахонов С.В. Молекулярно-генетическая характеристика штаммов Bacillus anthracis, циркулирующих на территории Сибири и Дальнего Востока. В кн.: Актуальные проблемы эпидемиологии и профилактической медицины: Материалы VI Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов Роспотребнадзора (22–24 октября 2014 г., Ставрополь). Ставрополь: Экспо-Медиа; 2014. С. 53–4.Afanas’ev M.V., Kravets E.V., Takaishvili V.E., Dugarzhapova Z.F., Balakhonov S.V. [Molecular-genetic characteristics of Bacillus anthracis strains circulating in Siberia and the Far East]. In: [Topical Issues of Epidemiology and Preventive Medicine: Proceedings of the VI All-Russian Scientific and Practical Conference of Young Scientists and Specialists of the Rospotrebnadzor (22–24 Oct. 2014, Stavropol)]. Stavropol: Expo-Media; 2014. P. 53–4.Wei J., Zhang H., Zhang H., Zhang E., Zhang B., Zhao F., Xiao D. Novel strategy for rapidly and safely distinguishing Bacillus anthracis and Bacillus cereus by use of peptide mass fingerprints based on matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry. J. Clin. Microbiol. 2020; 59(1):e02358-20. DOI: 10.1128/JCM.02358-20.Wei J., Zhang H., Zhang H., Zhang E., Zhang B., Zhao F., Xiao D. Novel strategy for rapidly and safely distinguishing Bacillus anthracis and Bacillus cereus by use of peptide mass fingerprints based on matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry. J. Clin. Microbiol. 2020; 59(1):e02358-20. DOI: 10.1128/JCM.02358-20.Takahashi N., Nagai S., Fujita A., Ido Y., Kato K., Saito A., Moriya Y., Tomimatsu Y., Kaneta N., Tsujimoto Y., Tamura H. Discrimination of psychrotolerant Bacillus cereus group based on MALDI-TOF MS analysis of ribosomal subunit proteins. Food Microbiol. 2020; 91:103542. DOI: 10.1016/j.fm.2020.103542.Takahashi N., Nagai S., Fujita A., Ido Y., Kato K., Saito A., Moriya Y., Tomimatsu Y., Kaneta N., Tsujimoto Y., Tamura H. Discrimination of psychrotolerant Bacillus cereus group based on MALDI-TOF MS analysis of ribosomal subunit proteins. Food Microbiol. 2020; 91:103542. DOI: 10.1016/j.fm.2020.103542.Gibb S., Strimmer K. Mass spectrometry analysis using MALDIquant. In: Datta S., Mertens B., editors. Statistical Analysis of Proteomics, Metabolomics, and Lipidomics Data Using Mass Spectrometry. Springer International Publishing; 2017. P. 101–24. DOI: 10.1007/978-3-319-45809-0_6.Gibb S., Strimmer K. Mass spectrometry analysis using MALDIquant. In: Datta S., Mertens B., editors. Statistical Analysis of Proteomics, Metabolomics, and Lipidomics Data Using Mass Spectrometry. Springer International Publishing; 2017. P. 101–24. DOI: 10.1007/978-3-319-45809-0_6.Ульшина Д.В., Еременко Е.И., Ковалев Д.А., Рязанова А.Г., Кузнецова И.В., Аксенова Л.Ю., Семенова О.В., Бобрышева О.В., Сирица Ю.В., Куличенко А.Н. Выявление особенностей масс-спектров белковых экстрактов споровой и вегетативной форм возбудителя сибирской язвы методом времяпролетной масс-спектрометрии. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2018; 6:66–72. DOI: 10.36233/0372-9311-2018-6-66-72.Ulshina D.V., Eremenko E.I., Kovalev D.A., Ryazanova A.G., Kuznetsova I.V., Aksenova L.Yu., Semenova O.V., Bobrysheva O.V., Siritsa Yu.V., Kulichenko A.N. [Study of the mass-spectra’ features of spores and vegetative forms of Bacillus anthracis using time of flight mass-spectrometry]. Zhurnal Mikrobiologii, Epidemiologii i Immunobiologii [Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology]. 2018; (6):66–72. DOI: 10.36233/0372-9311-2018-6-66-72.Van Ert M.N., Easterday W.R., Huynh L.Y., Okinaka R.T., Hugh-Jones M.E., Ravel J., Zanecki S.R., Pearson T., Simonson T.S., U’Ren J.M., Kachur S.M., Leadem-Dougherty R.R., Rhoton S.D., Zinser G., Farlow J., Coker P.R., Smith K.L., Wang B., Kenefic L.J., Fraser-Liggett C.M., Wagner D.M., Keim P. Global genetic population structure of Bacillus anthracis. PLoS One. 2007; 2(5):e461. DOI: 10.1371/journal.pone.0000461.Van Ert M.N., Easterday W.R., Huynh L.Y., Okinaka R.T., Hugh-Jones M.E., Ravel J., Zanecki S.R., Pearson T., Simonson T.S., U’Ren J.M., Kachur S.M., Leadem-Dougherty R.R., Rhoton S.D., Zinser G., Farlow J., Coker P.R., Smith K.L., Wang B., Kenefic L.J., Fraser-Liggett C.M., Wagner D.M., Keim P. Global genetic population structure of Bacillus anthracis. PLoS One. 2007; 2(5):e461. DOI: 10.1371/journal.pone.0000461.Hunter P.R., Gaston M.A. Numerical index of the discriminatory ability of typing systems: an application of Simpson’s index of diversity. J. Clin. Microbiol. 1988; 26(11):2465–6. DOI: 10.1128/jcm.26.11.2465-2466.1988.Hunter P.R., Gaston M.A. Numerical index of the discriminatory ability of typing systems: an application of Simpson’s index of diversity. J. Clin. Microbiol. 1988; 26(11):2465–6. DOI: 10.1128/jcm.26.11.2465-2466.1988.Dybwad M., van der Laaken A.L., Blatny J.M., Paauw A. Rapid identification of Bacillus anthracis spores in suspicious powder samples by using matrix-assisted laser desorption ionizationtime of flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS). Appl. Environ. Microbiol. 2013; 79(17):5372–83. DOI: 10.1128/AEM.01724-13.Dybwad M., van der Laaken A.L., Blatny J.M., Paauw A. Rapid identification of Bacillus anthracis spores in suspicious powder samples by using matrix-assisted laser desorption ionizationtime of flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS). Appl. Environ. Microbiol. 2013; 79(17):5372–83. DOI: 10.1128/AEM.01724-13.

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