Применение оптических технологий для изучения и идентификации микроорганизмов (обзор)
Cпицын А.Н.1, Уткин Д.В.1, Кузнецов О.С.1, Ерохин П.С.1, Осина Н.А.1, Кочубей В.И.2,3
1Российский научно-исследовательский противочумный институт "Микроб" Роспотребнадзора, Саратов, Россия
2Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, Саратов, Россия
3Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск, Россия
Email: rusrapi@microbe.ru
Поступила в редакцию: 16 июля 2020 г.
В окончательной редакции: 14 сентября 2020 г.
Принята к печати: 28 сентября 2020 г.
Выставление онлайн: 25 октября 2020 г.
Изучение и идентификация микроорганизмов играет важную роль в диагностике инфекционных болезней, поэтому важной и актуальной задачей является внедрение новых технологий, направленных на усовершенствование проводимых исследований. Получение количественной и качественной информации о бактериях с высокой скоростью, специфичностью, чувствительностью обнаружения, низкой себестоимостью и простотой постановки анализа представляется особенно важным. В данном обзоре рассмотрено применение современных диагностических технологий, позволяющих обеспечить исследование биологических систем с высокой степенью аналитической надежности. Технологии спектроскопии комбинационного рассеяния, ИК фурье-спектроскопии, а также поверхностного плазмонного резонанса, используемых в современных биосенсорах, зарекомендовали себя в качестве значимых и перспективных инструментов исследований. Указаны основные преимущества и недостатки применяемых методов, а также результаты их практического использования. Существенный интерес вызывают современные подходы к изучению микроорганизмов с использованием генетических белковых красителей (GFP) и с применением наноматериалов (тераностика). Ключевые слова: биосенсоры, бактерии, идентификация, спектроскопия комбинационного рассеяния, ИК фурье-спектроскопия, поверхностный плазмонный резонанс, белок GFP, тераностика.
- Тринеева О.В, Рудая М.А., Гудкова А.А., Сливкин А.И. // Вестник ВГУ. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2018. N 4.С. 187-194
- Mitsutake H., Poppi R.J., Breitkreitz M.C. // J. Braz. Chem. Soc. 2019. V. 30. N 11. P. 2244-2258. doi 10.21577/0103-5053.20190116
- Ho A.H.P., Wu S.Y., Kong S.K., Zeng S., Yong K.T. // Handbook of Photonics for Biomedical Engineering. 2017. P. 123-145. doi 10.1007/978-94-007-5052-4\_38
- Quinteiro Rodriguez M.P. // Clinical Microbiology Newsletter.2000. V. 22. N 8. P. 57-61. doi10.1016/S0196-4399(00)88850-9
- Rundle H.N. // J. Res. Nat. Bur. Std. C. 1965. V. 69. N 1. P. 5-11
- Greensteet J.E.S., Norris K.P. // Spectrochim. Acta. 1957. V. 9. N 3. P. 177-198. doi 10.1016/0371-1951(57)80131-3
- Goulden J.D.S, Sharpe M.E. // J. Gen.Microbiol. 1958. V. 19. N 1. P. 76-86. doi 10.1099/00221287-19-1-76
- Jackson M., Mantsch H. // Infrared Spectroscopy of Biomolecules. / Ed. by Mantsch H.H. and Chapman D. N.Y.: Wiley-Liss., 1996. P. 311-340
- Riddle J.W., Kabler P.W., Kenner B.A., Bordner R.H., Rockwood S.W., Stevenson H.J.R. // J. Bacteriol. 1956. V. 72. N 5. P. 593-603
- Maquelin K., Kirschner C., Choo-Smith L.-P., Van den Braak N., Endtz H.Ph., Naumann D., Puppels G.J. // J. Microbiol. Methods. 2002. V. 51. P. 255-271. doi 10.1016/S0167-7012(02)00127-6
- Naumann D., Fijala V., Labischinski H., Giesbrecht P. // J. Mol. Struct. 1988. V. 174. P. 165-170. doi10.1016/0022-2860(88)80152-2
- Gomez M.A., Perez M.A.B., Gil F.J.M., Diez A.D., Rodriquez J.F.M., Rodriquez P.G., Domingo A.O., Torres A.R. // J. Microbiol. Methods. 2003. V. 55. P. 121-131. doi 10.1016/S0167-012(03)00120-9
- Kanki P., Grimes D.J. Infectious Diseases: Selected Entries from the Encyclopedia of Sustainability Science and Technology. 2012. 506 p
- Lipkus A.H., Chittur K.K., Vesper S.J., Robinson J.B., Pierce G.E. // J. Ind. Microbiol. 1990. V. 6. N 1. P. 71-75. doi 10.1007/bf01576179
- Curk M.C., Peledan F., Hubert J.C. // FEMS Microbiol. Lett. 1994. V. 123. N 3. P. 241-248. doi 10.1111/j.1574-6968.1994.tb07231.x
- Siebert F. // Methods in Enzymology. 1995. V. 246. P. 501-526. doi 10.1016/0076-6879(95)46022-5
- Jackson M., Sowa M.G., Mantsch H.H. // Biophys. Chem. 1997. V. 68. N 1-3. P. 109-125. doi 10.1016/s0301-4622(97)80555-8
- Diem M., Boydston-White S., Chiriboga L. // Appl. Sepctrosc. 1999. V. 53. N 4. P. 148-161. doi 10.1366/0003702991946712
- Wenning M., Seiler H., Scherer S. // Appl. Environ. Microbiol. 2002. V. 68. N 10. P. 4717-4721. doi 10.1128/AEM.68.10.4717-4721.2002
- Ausili A., Sanchez M., Gomez-Fernandez J.C. // Biomedical Spectroscopy and Imaging. 2015. V. 4. N 2. P. 159-170. doi 10.3233/BSI-150104
- Hu J., Boch P.W. // J. Anal. Test. 2017. V. 1. N 1. P. 1-29. doi 10.1007/s41664-017-0002-z
- Lasch P., Stammler M., Zhang M., Baranska M., Bosch A., Majzner K. // Anal. Chem. 2018. V. 90. N 15. doi 10.1021/acs.analchem.8b01024
- Duygu D., Baykal T., Acikgoz, Yildiz K. // G.U.J. Sci. 2009. V. 22. N 3. P. 117-121
- Sousa C., Silva L., Grosso F., Nemec A., Lopes J., Peixe L. // Eur. J. Clin. Microbiol. Infect. Dis. 2014. V.33. N 8. P. 1345-1353. doi 10.1007/s10096-014-2078-y
- Bosch A., Minan A., Vescina C., Degrossi J., Gatti B., Montanaro P., Messina M., Franco M., Vay C., Schmitt J., Naumann D., Yantorno O. // J. Clin . Microbiol. 2008. V. 46. N 8. P. 2535-2546. doi 10.1128/JCM.02267-07
- Kuhm A.E., Suter D., Felleisen R., Rau J. // Appl. Environ. Microbiol. 2009. V. 75. N 18. P. 5809-5813. doi 10.1128/AEM.00206-09
- San-Blas E., Cubillan N., Guerra M., Portillo E., Esteves I. // Spectrochim. Acta. A. Mol. Biomol. Spectrosc. 2012. V. 93. P. 58-62. doi 10.1016/j.saa.2012.03.006
- Dawson S.E., Gibreel T., Nicolaou N., AlRabiah H., Xu Y., Goodacre R., Upton M. // Eur. J. Clin. Microbiol. Infect. Dis. 2014. V. 33. N 6. P. 983-988. doi 10.1007/s10096-013-2036-0
- Sousa C., Silva L., Grosso F., Lopes J., Peixe L. // J. Photochem. Photobiol. B. 2014. V. 133. N 5. P. 108-114. doi 10.1016/j.jphotobiol.2014.02.015
- Martak D., Valot B., Sauget M., Cholley P., Thouverez M., Bertrand X., Hocquet D. // Front. Microbiol. 2019. V. 10. P. 1-9. doi 10.3389/fmicb.2019.01440
- Vogt S., Loffler K., Dinkelacker A.G., Bader B., Autenrieth I.B., Peter S., Liese J. // Front. Microbiol. 2019. V. 10. P. 1-11. doi 10.3389/fmicb.2019.02582
- Zarnowiec P., Mizera A., Chrapek M., Urbaniak M., Kaca W. // Innate Immunity. 2016. V. 22. N 5. P. 325-335. doi 10.1177/1753425916647470
- Boudaud N., Coton M., Coton E., Pineau S., Travert J., Amiel C. // J. Appl. Microbiol. 2010. V. 109. N 1. P. 166-179. doi 10.1111/j.1365-2672.2009.04643.x
- Lefier D., Hirst D., Holt C., Williams A.G. // FEMS Microbiology Lett. 1997. V. 147. N 1. P. 45-50. Doi 10.1111/j.1574-6968.1997.tb10218.x
- Rebuffo C.A., Schmitt J., Wenning M., von Stetten F., Scherer S. // Appl. Environ. Microbiol. 2006. V. 72. N 2. P. 994-1000. Doi 10.1128/AEM.72.2.994-1000.2006
- Rebuffo-Scheer C.A., Schmitt J., Scherer S. // Appl. Environ. Microbiol. 2007. V. 73. N 3. P. 1036-1040. Doi 10.1128/AEM.02004-06
- Lin S.F., Schraft H., Griffiths M.W. // J. Food. Prot. 1998. V. 61. N 7. P. 921-923. doi 10.4315/0362-028X-61.7.921
- Beattie S.H., Holt C., Hirst D., Williams A.G. // FEMS Microbiol. Lett. 1998. V. 164. N 1. P. 201-206. Doi 10.1111/j.1574-6968.1998.tb13086.x
- Branquinho R., Sousa C., Osorio H., Meirinhos-Soares L., Lopes J., Carrico J.A., Busse H.J., Abdulmawjood A., Klein G., Kampfer P., Pintado M.E., Peixe L.V. // Int. J. Syst. Evol. Micr. 2014. V. 64. P. 3867-3876. doi10.1099/ijs.0.067850-0
- Рой А.А., Курдиш И.К., Остапюк С.Н., Савельев Ю.В. // Микробиол. журн. 2017. Т. 19. N 4. С. 12-20
- Tareb R., Bernardeau M., Amiel C., Vernoux J.P. // FEMS Microbiology Letters. 2017. V. 364. N 2. P. 1-8. doi 10.1093/femsle/fnw298
- Helm D., Labischinski H., Shallechn G., Naumann D. // J. Gen. Microbiol. 1991. V. 137. N 1. P. 69-79. Doi 10.1099/00221287-137-1-69
- Schabauer L., Wenning M., Huber I., Ehling-Schulz M. // BMC Vet. Res. 2014. V. 10. N 1. P. 1-11. Doi 10.1186/1746-6148-10-156
- Gurbanov R., Yildiz F. // J. Food Health Sci. 2017. V. 3. N 3. P. 117-131. doi 10.3153/JFHS17015
- Vaz M., Meirinhos-Soares L., Sousa C.C., Ramirez M., Melo-Cristino J., Lopes J.A. // J. Microbiol. Methods. 2013. V. 93. N 2. P. 102-107. doi 10.1016/j.mimet.2013.02.008
- Grunert T., Wenning M., Sol Barbagelata M., Fricker M., Sordelli D.O., Buzzola F.R., Ehling-Schulz M. // J. Clin. Microbiol. 2013. V. 51. N 7. P. 2261-2266. doi 10.1128/JCM.00581-13
- Kirschner C., Maquelin K., Pina P., Ngo T.N.A., Choo-Smith L.P., Sockalingum G.D., Sandt C., Ami D., Orsini F., Doglia S.M., Allouch P., Mainfait M., Puppels G.J., Naumann D. // J. Clin. Microbiol. 2001. V. 39. N 5. P. 1763-1770. doi 10.1128/JCM.39.5.1763-1770.2001
- Lamprell H., Mazerolles G., Kodjo A., Chamba JF., Noel Y., Beuvier E. // Int. J. Food. Microbiol. 2006. V. 108. N 1. P. 125-129. doi 10.1016/j.ijfoodmicro.2005.10.015
- Levasseur-Garcia C., Couderc C., Tormo H. // J. Near Infrared Spectroscopy. 2017. V. 25. N 4. P. 231-241. doi 10.1177/0967033517719383
- Плешакова Е.В. // Поволжский экологический журнал. 2010. N 4. C. 374-382
- Nagib S., Rau J., Sammra O., Lammler C., Schlez K., Zschock M., Prenger-Berninghoff E., Klein G., Abdulmawjood A. // PLoS ONE. 2014. V. 9. N 8. P. 1-5. Doi 10.1371/journal.pone.0104654
- Sandt C., Madoulet C., Kohler A., Allouch P., De Champs C., Manfait M., Sockalingum G.D. // J. Appl. Microbiol. 2006. V. 101. N 4. P. 785-797. Doi 10.1111/j.1365-2672.2006.02969.x
- Yu C., Irudayaraj J. // Biopolymers. 2005. V. 77. N 6. P. 368-377. Doi 10.1002/bip.20247
- Al-Holy M.A., Lin M., Alhaj O.A., Abu-Goush M.H. // J. Food Sci. 2015. V. 80. N 2. P. 1-6. doi 10.1111/1750-3841.12768
- Whittaker P., Mossoba MM., Al-Khaldi S., Fry F.S., Dunkel V.C., Tall B.D., Yurawecz M.P. // J. Microbiol. Methods. 2003. V. 55. N 3. P. 709-716. doi 10.1016/j.mimet.2003.07.005
- Lee J., Ahn M.S., Lee Y.L., Jie E.Y., Kim S.G., Kim S.W. // J. Appl. Microbiol. 2019. V. 126. N 3. P. 864-871. doi 10.1111/jam.14171
- Fanaei M., Emtiazi G. // Progress in Biological Sciences. 2017. V. 7. N 1. P. 1-9. Doi 10.22059/PBS.2018.206895.1217
- Singh R.C.V. // 2002. Phys. Perspect. V. 4. P. 399-420. doi 10.1007/s000160200002
- Rostron P., Gaber S., Gaber D. // Intern. J. Engineering and Technical Research (IJETR). 2016. V. 6. N 1. P. 50-64
- Хлебцов Н.Г., Дыкман Л.А., Хлебцов Б.Н., Ханадеев В.А., Панфилова Е.В. // Вестник РФФИ. 2014. В. 84. N 4. С. 18-33
- Андрюков Б.Г., Карпенко А.А., Матосова Е.В., Ляпун И.Н. // Журнал СТМ. 2019. Т. 11. N 4. С. 161-174. doi 10.17691/stm2019.11.4.19
- Кукушкин В.И., Гришина Я.В., Егоров С.В., Соловьев В.В., Кукушкин И.В. // Письма в ЖЭТФ. 2016. Т. 103. Вып. 8. С. 572-577. doi 10.7868/S0370274X16080038
- Yang D., Zhou H., Dina N.E., Haisch C. // R. Soc. open sci. 2018. V. 5. N 9. P. 1-11. doi 10.1098/rsos.180955
- Замалеева А.И., Кахраман М., Чулха М., Фахруллин Р.Ф. // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. 2009. Т. 151. Кн. 1. С. 82-89
- Li R., Dhankhar D., Chen J., Krishnamoorthy A., Cesario T.C., Rentzepis P.M. // IEEE. Access. 2019. V. 7. P. 23549-23559. doi 10.1109/ACCESS.2019.2899006
- Novelli-Rousseau A., Espagnon I., Filiputti D., Gal O., Douet A., Mallard F., Josso Q. // Scientific reports. 2018. V. 8. N 1. P. 14-12. doi 10.1038/s41598-018-22392-9
- DeJong C.S., Wang D.I., Polyakov A., Rogacs A., Simske S.J., Shkolnikov V. // ChemRxiv. Preprint. 2017. V. 2. N 27. P. 8431-8435. doi 10.1002/slct.201701669
- Colnita A., Dina N.E., Leopold N., Vodnar D.C., Bogdan D., Porav S.A., David L. // Nanomaterials. 2017. V. 7. N 9. P. 1-16. doi 10.3390/nano7090248
- Ren Y., Ji Y., Teng L., Zhang H. // Microb. Cell Fact. 2017. V. 16. N 1. P. 14-10. Doi 10.1186/s12934-017-0849-8
- Akanny E., Bonhomme A., Commun C., Doleans-Jordheim A., Farre C., Bessueille F., Bourgeois S., Bordes C. // J. Raman. Spectrosc. 2020. V. 51. N 4. P. 619-629. doi 10.1002/jrs.5827
- Александров М.Т., Маргарян Э.Г. // Стоматология. 2018. N 1. C. 27-32. doi 10.17116/stomat201897127-32
- Munchberg U., Rosch P., Bauer M., Popp J. // Anal. Bioanal. Chem. 2014. V. 406. N 13. P. 3041-3050. doi 10.1007/s00216-014-7747-2
- Lussier F., Thibault V., Charron B., Wallace G.Q., Masson J.F. // TrAC Trends in Anal. Chem. 2020. V. 124. doi 10.1016/j.trac.2019.115796
- Qu K., Guo F., Liu X., Lin Y., Zou Q. // Front. Microbiol. 2019. V. 10. N 827. P. 1-10. doi 10.3389/fmicb.2019.00827
- Ho C.S., Jean N., Hogan C.A., Blackmon L., Jeffrey S.S., Holodniy M., Banaei N., Saleh A.A.E., Ermon S., Dionne J. // Nat. Commun. 2019. V. 10. N 1. doi 10.1038/s41467-019-12898-9
- Wood R.W. // Philos. Mag. Ser. 6. 1902. V. 4. N 21. P. 396-402. doi 10.1080/14786440209462857
- Otto A. // Z. Physik. 1968. V. 216. P. 398-410. doi 10.1007/BF01391532
- Kretschmann E., Raether H. // Zeitschrift fur Naturforschung. Section A. Physical Sciences. 1968. V. 23. N 12. P. 2135-2136. Doi 10.1515/zna-1968-1247
- Liedberg B., Nylander C., Lundstrom I. // Sensors and Actuators. 1983. V. 4. P. 299-304. doi 10.1016/0250-6874(83)85036-7
- Сотников Д.В., Жердев А.В., Дзантиев Б.Б. // Успехи биологической химиии. 2015. Т. 55. С. 391-420
- [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.xantec.com/technotes/optics.php
- Eser E., Ekiz O.O., Celik H., Sulek S., Dana A., Ekiz H.O. // Int. J. Biosci. Biochem. Bioinform. 2015. V. 5. N 6. P. 329-335. doi 10.17706/ijbbb.2015.5.6.329-335
- Masdor N.A., Altintas Z., Tothill I.E. // Chemosensors. 2017. V. 5. N 2. doi 10.3390/chemosensors5020016
- Nguyen H.H., Yi S.Y., Woubit A., Kim M. // Appl. Sci. Converg. Technol. 2016. V. 25. N 3. P. 61-65. doi 10.5757/ASCT.2016.25.3.61
- Lukose J., Shetty V., Ballal M., Chidangil S., Sinha R.K. // Laser Physics Letters. 2018. V. 15. N 7. doi10.1088/1612-202X/aabed8
- Mukhtar W.M. // AIP Conference Proceedings. 2020. V. 2203. N 1. doi 10.1063/1.5142094
- Tokel O., Yildiz U.H., Inci F., Durmus N.G., Ekiz O.O., Turker B., Cetin C., Rao S., Sridhar K., Natarajan N., Shafiee H., Dana A., Demirci U. // Scientific Reports. 2015. V. 5. N 1. doi 10.1038/srep09152
- Li Y., Zhu L., Zhang H., Liu W., Ge J., Wu J., Wang P. // Sens. And Act. B: Chemical. 2018. V. 259. N 15. P. 492-497. Doi 10.1016/j.snb.2017.12.042
- Saberi F., Kamali M., Taheri R.A., Ramandi M.F., Bagdeli S., Mirnejad R. // J. Braz. Chem. Soc. 2016. V. 27. N 11. P. 1960-1965. Doi 10.5935/0103-5053.20160085
- Arcas A.S., Dutra F.S., Allil R.C.S.B., Werneck M.M. // Biotech, Biomaterials and Biomedical: TechConnect Briefs. 2017. V. 3. P. 231-234
- Arcas A.S., Dutra F.S., Allil R.C.S.B., Werneck M.M. // Sensors (Basel). 2018. V. 18. N 2. Doi 10.3390/s18020648
- [Электронный ресурс] Режим доступа: https: //studbooks.net/1820790/matematika\_himiya\_fizika/ zelenyy\_fluorestsiruyuschiy\_belok
- Binet R., Pettengill E.A., Hoffmann M., Hammack T.S., Monday S.R. // Food Microbiol. 2018. V. 76. P. 553-563. doi 10.1016/j.fm.2017.10.014
- Mihalcescu I., Gateau M.V.M, Chelli B., Pinel C., Ravanat J.L. // Physical Biology, Institute of Physics: Hybrid Open Access. 2015. V. 12. N 6. doi 10.1088/1478-3975/12/6/066016
- Feilmeier D.J., Iseminger G., Schroeder D., Webber H., Phillips G.J. // J. Bacteriol. 2000. V. 182. N 14. P. 4068-4076. doi 10.1128/jb.182.14.4068-4076.2000
- Куклева Л.М., Тучков И.В., Оглодин Е.Г., Девдариани З.Л., Морозов О.А., Кузнецов О.С., Германчук Е.Г., Ерошенко Г.А. // Проблемы особо опасных инфекций. 2019. N 4. С. 61-66. doi 10.21055/0370-1069-2019-4-61-66
- Деев С.М., Лебеденко Е.Н. // Биоорганическая химия. 2015. Т. 41. N 5. C. 539-552. doi10.7868/S013234231505005X
- Mei L., Zhu S., Yin W., Chen C., Nie G., Gu Z., Zhao Y. // Theranostics. 2020. V. 10. N 2. P. 757-781. doi 10.7150/thno.39701
- Zavaleta C., Ho D., Chung E.J. // SLAS Technol. 2018. V. 23. N 3. P. 281-293. doi 10.1177/2472630317738699
- Khlebtsov N., Bogatyrev V., Dykman L., Khlebtsov B., Staroverov S., Shirokov A., Matora L., Khanadeev V., Pylaev T., Tsyganova N., Terentyuk G. // Theranostics. 2013. V. 3. N 3. P. 167-180. doi 10.7150/thno.5716
- Bucharskaya A. , Maslyakova G., Terentyuk G., Yakunin A., Avetisyan Y., Bibikova O. , Tuchina E. , Khlebtsov B., Khlebtsov N., Tuchin V. // Int. J. Mol. Sci. 2016. V. 17. N 8. P. 1-26. doi 10.3390/ijms17081295
- Khlebtsov B.N., Tuchina E.S., Khanadeev V.A., Panfilova E.V., Petrov P.O., Tuchin V.V., Khlebtsov N.G. // J. Biophotonics. 2013. V. 6. N 4. P. 338-351. doi 10.1002/jbio.201200079
- Тучина Е.С., Тучин В.В., Хлебцов Б.Н., Хлебцов Н.Г. // Квантовая электроника. 2011. Т. 41. N 4. С. 354-359
- Khlebtsov B., Tuchina E., Tuchin V., Khlebtsov N. // RSC Advances. 2015. V. 5. P. 61639-61649. doi 10.1039/C5RA11713E
- Wang H., Ouyang W., Zhang X., Xue J., Lou X., Fan R., Zhao X., Shan L., Jiang T. // J. Mater. Chem. B. 2019. V. 7. P. 4630-4637. doi 10.1039/C9TB00845D
- Lin F., Bao Y.W., Wu F.G. // C. 2019. V. 5. N 33. P. 1-21. doi 10.3390/c5020033
- Ong S.Y., van Harmelen R.JJ., Norouzi N., Offens F., Venema I.M., Najafi M.B.H., Schirhagl R. // Nanoscale. 2018. V. 10. P. 17117-17124. doi 10.1039/C8NR05183F
Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.
Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.