microbeПроблемы особо опасных инфекцийProblems of Particularly Dangerous Infections0370-10692658-719XRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”10.21055/0370-1069-2025-3-86-92microbe-2210Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESВнутривидовая дифференциация Yersinia pestis с использованием масс-спектрометрического анализаIntraspecific Differentiation of Yersinia pestis Using Mass Spectrometric Analysishttps://orcid.org/0000-0003-1803-4156АбдрашитоваА. С.AbdrashitovaA. S.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9576-4959БойкоА. В.BoikoA. V.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

https://orcid.org/0000-0003-3261-6128ЩербаковаН. Е.ShcherbakovaN. E.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

https://orcid.org/0000-0002-2572-8933БилькоЕ. А.Bil’koE. A.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

https://orcid.org/0009-0008-2029-0646КорешковаО. А.KoreshkovaO. A.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

https://orcid.org/0000-0003-3133-3820ЧервяковаН. С.ChervyakovaN. S.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

ФКУН «Российский научно-исследовательский противочумный институт «Микроб»РоссияRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”Russian Federation202506102025038692Copyright © Абдрашитова А.С., Бойко А.В., Щербакова Н.Е., Билько Е.А., Корешкова О.А., Червякова Н.С., 20252025Абдрашитова А.С., Бойко А.В., Щербакова Н.Е., Билько Е.А., Корешкова О.А., Червякова Н.С.Abdrashitova A.S., Boiko A.V., Shcherbakova N.E., Bil’ko E.A., Koreshkova O.A., Chervyakova N.S.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/2210

Цель исследования – оценка подходов и возможностей дифференциации штаммов возбудителя чумы основного и неосновных подвидов с использованием метода масс-спектрометрического анализа. Материалы и методы. В работе использовали 102 штамма Yersinia pestis четырех подвидов, выращенные на агаре LB, рН (7,2±0,1), при температуре плюс (28±1) °С в течение (48±1) ч. Снятие масс-спектров образцов производили в автоматическом режиме с частотой лазера 60 Гц на масс-спектрометре Microflex LT (Bruker Daltonics, Германия). Спектры анализировали в диапазоне масс 2–20 КДа. Результаты и обсуждение. Рассмотрены различные подходы к дифференциации штаммов чумного микроба по подвидам (биоварам) с использованием метода MALDI-TOF массспектрометрии. При применении визуального анализа для исследуемой выборки не удалось выбрать фрагменты протеинограммы, которые могли бы считаться специфичными сигналами для каждого подвида или биовара Y. pestis. При помощи кластерного анализа программы MALDI Biotyper отмечено формирование двух отдельных кластеров, включающих масс-спектры штаммов основного и кавказского подвидов чумного микроба. Масс-спектры штаммов Y. pestis центральноазиатского и улегейского подвидов не группируются в обособленные кластеры. При оценке информативности пиков в масс-спектрах продемонстрировано, что один и тот же пик имеет различное весовое значение для разных подвидов (биоваров). Таким образом, рассмотрена возможность применения различных подходов при анализе белковых профилей штаммов Y. pestis для их дифференциации по подвидам и/ или биоварам.

The aim of the study was to evaluate approaches and possibilities for differentiating strains of plague agent of the main and non–main subspecies using the method of mass spectrometric analysis. Materials and methods. 102 strains of Yersinia pestis of 4 subspecies were used in the current work, which were grown on LB agar pH (7.2±0.1) at a temperature of (28±1) °C for (48±1) hours. The mass spectra of the samples were taken automatically with a laser frequency of 60 Hz on a Microflex LT mass spectrometer (Bruker Daltonics, Germany). The spectra were analyzed in the mass range of 2–20 kDa. Results and discussion. Various approaches to the differentiation of plague microbe strains by subspecies (biovars) using the MALDI-TOF mass spectrometry method have been considered. When using visual analysis for the sample under study, it is not possible to select fragments of the proteinogram that could be considered specific signals for each subspecies or biovar of Y. pestis. Using the cluster analysis of the MALDI Biotyper program, the formation of two separate clusters was noted, including the mass spectra of strains of the main and Caucasian subspecies of the plague microbe. The mass spectra of Y. pestis strains of the central asiatica and ulegeica subspecies are not grouped into separate clusters. When evaluating the informative value of peaks in the mass spectra, it was demonstrated that the same peak has a different weight value for different subspecies (biovars). Thus, the possibility of using different approaches in the analysis of protein profiles of Y. pestis strains for their differentiation by subspecies and/or biovars has been examined.

чумаYersinia pestisмасс-спектрометриябелковый профильподвидбиоварplagueYersinia pestismass spectrometryprotein profilesubspeciesbiovarReferencesПопова А.Ю., Кутырев В.В., редакторы. Атлас природных очагов чумы России и зарубежных государств. Калининград: РА Полиграфычъ; 2022. 348 с.Popova A.Yu., Kutyrev V.V., editors. [Atlas of Natural Plague Foci in Russia and Foreign Countries]. Kaliningrad; 2022. 348 p.Elbehiry A., Marzouk E., Moussa I., Anagreyyah S., AlGhamdi A., Alqarni A., Aljohani A., Hemeg H.A., Almuzaini A.M, Alzaben F., Abalkhail A., Alsubki R.A., Najdi A., Algohani N., Abead B., Gazzaz B., Abu-Okail A. Using protein fingerprinting for identifying and discriminating methicillin resistant Staphylococcus aureus isolates from inpatient and outpatient clinics. Diagnostics (Basel). 2023; 13(17):2825. DOI: 10.3390/diagnostics13172825.Elbehiry A., Marzouk E., Moussa I., Anagreyyah S., AlGhamdi A., Alqarni A., Aljohani A., Hemeg H.A., Almuzaini A.M, Alzaben F., Abalkhail A., Alsubki R.A., Najdi A., Algohani N., Abead B., Gazzaz B., Abu-Okail A. Using protein fingerprinting for identifying and discriminating methicillin resistant Staphylococcus aureus isolates from inpatient and outpatient clinics. Diagnostics (Basel). 2023; 13(17):2825. DOI: 10.3390/diagnostics13172825.Sogawa К., Watanabe M., Ishige T., Segawa S., Miyabe A., Murata S., Saito T., Sanda A., Furuhata K., Nomura F. Rapid discrimination between methicillin-sensitive and methicillin-resistant Staphylococcus aureus using MALDI-TOF mass spectrometry. Biocontrol Sci. 2017; 22(3):163–9. DOI: 10.4265/bio.22.163.Sogawa К., Watanabe M., Ishige T., Segawa S., Miyabe A., Murata S., Saito T., Sanda A., Furuhata K., Nomura F. Rapid discrimination between methicillin-sensitive and methicillin-resistant Staphylococcus aureus using MALDI-TOF mass spectrometry. Biocontrol Sci. 2017; 22(3):163–9. DOI: 10.4265/bio.22.163.Liu X., Su T., Hsu Y.S., Yu H., Yang H.S., Jiang L., Zhao Z. Rapid identification and discrimination of methicillin-resistant Staphylococcus aureus strains via matrix-assisted laser desorption/ ionization time-of-flight mass spectrometry. Rapid Commun. Mass Spectrom. 2021; 35(2):8972. DOI: 10.1002/rcm.8972.Liu X., Su T., Hsu Y.S., Yu H., Yang H.S., Jiang L., Zhao Z. Rapid identification and discrimination of methicillin-resistant Staphylococcus aureus strains via matrix-assisted laser desorption/ ionization time-of-flight mass spectrometry. Rapid Commun. Mass Spectrom. 2021; 35(2):8972. DOI: 10.1002/rcm.8972.Wang J., Xia C., Wu Y., Tian X., Zhang K., Wang Z. Rapid detection of carbapenem-resistant Klebsiella pneumonia using machine learning and MALDI-TOF MS platform. Infect. Drug Resist. 2022; 15:3703–10. DOI: 10.2147/IDR.S367209.Wang J., Xia C., Wu Y., Tian X., Zhang K., Wang Z. Rapid detection of carbapenem-resistant Klebsiella pneumonia using machine learning and MALDI-TOF MS platform. Infect. Drug Resist. 2022; 15:3703–10. DOI: 10.2147/IDR.S367209.Спицын А.Н., Уткин Д.В., Куклев В.Е., Портенко С.А., Германчук В.Г., Осина Н.А. Применение MALDI масс- спектрометрии в диагностике особо опасных инфекционных болезней: современное состояние и перспективы. Проблемы особо опасных инфекций. 2014; (3):77–82. DOI: 10.21055/0370-1069-2014-3-77-82.Spitsyn A.N., Utkin D.V., Kuklev V.E., Portenko S.A., Germanchuk V.G., Osina N.A. [Application of MALDI mass-spectrometry for diagnostics of particularly dangerous infectious diseases: current state of affairs and prospects]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2014; (3):77–82. DOI: 10.21055/0370-1069-2014-3-77-82.Спицын А.Н., Уткин Д.В., Щербакова Н.Е., Портенко С.А., Абдрашитова А.С., Касьян И.А., Германчук В.Г., Куклев В.Е. MALDI-TOF масс-спектрометрический анализ штаммов возбудителя чумы. Проблемы особо опасных инфекций. 2016; (2):91–4. DOI: 10.21055/0370-1069-2016-2-91-94.Spitsyn A.N., Utkin D.V., Shcherbakova N.E., Portenko S.A., Abdrashitova A.S., Kas’yan I.A., Germanchuk V.G., Kuklev V.E. [MALDI-TOF mass-spectrometry analysis of plague agent strains]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2016; (2):91–4. DOI: 10.21055/0370-1069-2016-2-91-94.Афанасьев M.B., Миронова Л.В., Басов Е.А., Остяк А.С., Куликалова Е.С., Урбанович Л.Я., Балахонов С.В. MALDI-TOF масс-спектрометрический анализ в ускоренной идентификации микроорганизмов рода Vibrio. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2014; (3):22–29.Afanasev M.V., Mironova L.V., Basov E.A., Оstyak A.S., Kulikalova E.S., Urbanovich L.Ya., Balahonov S.V. [MALDITOF mass-spectrometric analysis in the accelerated identification of the Vibrio genus microorganisms]. Molekulyarnaya Genetika, Mikrobiologiya i Virusologiya [Molecular Genetics, Microbiology and Virology]. 2014; (3):22–9.Телесманич Н.Р., Чайка С.О., Чайка И.А., Гончаренко Е.В., Ломов Ю.М. Масс-спектрометрический анализ MALDITOF в идентификации и типировании штаммов холерных вибрионов. Клиническая лабораторная диагностика. 2016; 61(6):375–9. DOI: 10.18821/0869-2084-2016-61-6-375-379.Telesmanitch N.R., Chaika S.O., Chaika I.A., Goncharenko E.V., Lomov Yu.M. [The mass-spectrometric analysis of MALDI-TOF in identification and typing of cholera vibrio strains]. Klinicheskaya Laboratornaya Diagnostika [Clinical Laboratory Diagnostics]. 2016; 61(6):375–9. DOI: 10.18821/0869-2084-2016-61-6-375-379.Балахонов С.В., Миронова Л.В., Афанасьев М.В., Куликалова Е.С., Остяк А.С. MALDI-ToF масс-спектрометрическое определение видовой принадлежности патогенов в совершенствовании эпидемиологического надзора за опасными инфекционными болезнями. Бактериология. 2016; 1(1):88–94. DOI: 10.20953/2500-1027-2016-1-88-94.Balakhonov S.V., Mironova L.V., Afanas’ev M.V., Kulikalova E.S., Ostyak A.S. [MALDI-ToF mass-spectrometric detection of pathogen specific belonging in improvement of epidemiological surveillance for dangerous infectious diseases]. Bakteriologiya [Baсteriology]. 2016; 1(1):88–94. DOI: 10.20953/2500-1027-2016-1-88-94.Ульшина Д.В., Ковалев Д.А., Бобрышева О.В., Пономаренко Д.Г., Русанова Д.В., Ковалева Н.И., Куличенко А.Н. Применение времяпролетной масс-спектрометрии для диагностики бруцеллеза и межвидовой дифференциации штаммов Brucella spp. Инфекционные болезни: новости, мнения, обучение. 2018; 7(4):15–24. DOI: 10.24411/2305-3496-2018-14002.Ulshina D.V., Kovalev D.A., Bobrisheva O.V., Ponomarenko D.G., Rusanova D.V., Kovaleva N.I., Kulichenko A.N. [The use of time-of-flight mass spectrometry for diagnosis of brucellosis and interspecific differentiation of strains of Brucella spp.]. Infektsionnye Bolezni: Novosti, Mneniya, Obuchenie [Infectious Diseases: News, Opinions, Training]. 2018; 7(4):15–24. DOI: 10.24411/2305-3496-2018-14002.Котенева Е.А., Котенев Е.С., Калинин А.В., Царева Н.С., Кот Л.А., Жаринова Н.В., Зайцев А.А., Печковский Г.А. Протеомное профилирование штаммов Yersinia pestis, циркулирующих на территории природных очагов чумы Северного Кавказа и Закавказья. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунологии. 2019; (4):18–25. DOI: 10.36233/0372-9311-2019-4-18-25.Koteneva E.A., Kotenev E.S., Kalinin A.V., Tsareva N.S., Cot L.A., Zharinova N.V., Zaitsev A.A., Pechkovsky G.A. [Proteomic profiling of Yersinia pestis strains circulating in the area of natural plague foci of North Caucasus and Transcaucasia]. Zhurnal Mikrobiologii, Epidemiologiii Immunobiologii [Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology]. 2019; (4):18–25. DOI: 10.36233/0372-9311-2019-4-18-25.Сынгеева А.К., Остяк А.С., Куликалова Е.С., Мазепа А.В., Наумова К.В., Балахонов С.В. Эффективность применения MALDI ToF масс-спектрометрии при идентификации штаммов Francisella tularensis. Проблемы особо опасных инфекций. 2022; (3):145–50. DOI: 10.21055/0370-1069-2022-3-145-150.Syngeeva A.K., Ostyak A.S., Kulikalova E.S., Mazepa A.V., Naumova K.V., Balakhonov S.V. [The effectiveness of MALDI ToF mass spectrometry in identification of Francisella tularensis strains]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2022; (3):145–50. DOI: 10.21055/0370-1069-2022-3-145-150.Бойко А.А., Бойко А.В. Программа для количественной оценки информативности двоичных (качественных) свойств (признаков), используемых при дифференциации классов объектов и расчета диагностических коэффициентов. Свидетельство о регистрации № 2019619234, опубл. 15.07.2019. Бюл. № 7.Boiko A.A., Boiko A.V. [A program for quantifying the informativeness of binary (qualitative) properties (signs) used in differentiating classes of objects and calculating diagnostic coefficients]. Registration number (certificate): 2019619234, published on 15 Jule 2019. Bul. No. 7.Lasch P., Drevinek M., Nattermann H., Grunow R., Stämmler M., Dieckmann R., Schwecke T., Naumann D. Characterization of Yersinia using MALDI-TOF mass spectrometry and chemometrics. Anal. Chem. 2010; 82(20):8464–75. DOI: 10.1021/ac101036s.Lasch P., Drevinek M., Nattermann H., Grunow R., Stämmler M., Dieckmann R., Schwecke T., Naumann D. Characterization of Yersinia using MALDI-TOF mass spectrometry and chemometrics. Anal. Chem. 2010; 82(20):8464–75. DOI: 10.1021/ac101036s.Feng B., Shi L., Zhang H., Shi H., Ding C., Wang P., Yu S. Effective discrimination of Yersinia pestis and Yersinia pseudotuberculosis by MALDI-TOF MS using multivariate analysis. Talanta. 2021; 234:122640. DOI: 10.1016/j.talanta.2021.122640.Feng B., Shi L., Zhang H., Shi H., Ding C., Wang P., Yu S. Effective discrimination of Yersinia pestis and Yersinia pseudotuberculosis by MALDI-TOF MS using multivariate analysis. Talanta. 2021; 234:122640. DOI: 10.1016/j.talanta.2021.122640.UniProt. [Электронный ресурс]. URL: https://www.uniprot.org (дата обращения 21.10.2024).UniProt. (Cited 21 Oct 2024). [Internet]. Available from: https://www.uniprot.org.Афонин П.Н., Афонин Д.Н. Cтатистический анализ с применением современных программных средств: учеб. пособие. СПб.: ИЦ «Интермедия»; 2017. 100 c.Afonin P.N., Afonin D.N. [Statistical Analysis Using Modern Software Tools. A Study Guide]. St. Petersburg: IC “Intermedia”; 2017. 100 p.

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