Оценка аналитических возможностей MALDI-TOF масс-спектрометрии при молекулярном типировании Bacillus anthracis

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. 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. 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.

1. 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. [Электронный ресурс]. URL: http://www.fao.org/3/ai6124e.pdf (дата обращения 09.11.2020).

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.