Characterization of ß-lactamase genes in clinical isolates and determination of the inhibitory effects of Algerian seaweeds extracts on recombinant ß-lactamases GES-22 and OXA-1
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Setif 1 University - Ferhat ABBAS , Faculty of Nature and Life Sciences
Abstract
The main aim of this study was to characterize the type and the prevalence of β-lactamases coding genes in community and nosocomial Algerian Gram negative bacterial isolates, as well as to investigate the inhibitory effects of methanolic extracts of seven seaweeds Of Algerian coast [Ulva intestinalis, Codium tomentosum, Bryopsis pulmosa, Sargassum vulgare, Dictyota dichtoma, Halopteris scoparia, and Cystoseira compressa] against GES-22 and OXA-1 β-lactamases variants. The results showed that isolates harboring at least, one β-lactamase coding gene (blaTEM, blaSHV, blaCTX-M1-M2, blaGES, blaPER-2, blaNDM, bla blaOXA-M (23,24,51,58)); neither blaKPC nor blaVIM, blaIMP gene was detected. The conserved regions of class-I and II integron gene cassettes were determined alone and together in these isolates. The TPC varied among the seven seaweeds species, ranging between 0.93 ± 0.65 and 3.22 ± 0.91 mg GAEs/g DW. TPC in the MEs of green seaweed species were found to be nearly two times greater than that in brown seaweeds. However, vitamin E contents of brown seaweed MEs were higher than those of green seaweeds. Furthermore, qualitative analysis showed the existance of common compounds in the MEs including α-linolenic acid (C18:3 ω3), linoleic acid (C18:2 ω6), oleic acid (C18:1 ω9), and arachidonic acid (C20:4 ω6). Moreover, U. intestinalis and D. dichtoma contain baicalein (C15H10O5) and curcumin (C21H20O6). B. pulmosa contains baicalein and daidzein (C15H10O4); C. tomentosum contains quercetin (C15H10O7) and C. compressa contains (S) naringenin (C15H12O5). Values of IC50 of MEs determined by linear computerized regression analysis after logit/log transformation, are ranged from 13.01 ± 0.46 μg/mL (D. dichtoma) to 41.24 ± 0.23 μg/mL (C. compressa) and from 13.22 ± 0.96 μg/mL (B. pulmosa) to 62.39 ± 1.96 μg/mL (C. compressa) with GES-22 and OXA-1, respectively. ME of D.dichtoma exhibited significant inhibitory effect on GES-22 more than classical β-lactam inhibitors, clavulanate, sulbactam and tazobactam (IC50 = 68.38 ± 0.17 μg/mL, 52.68 ± 0.64 μg/mL, and 29.94 ± 0.01 μg/mL, respectively). OXA-1 was not inhibited by sulbactam and clavulanate and was moderately inhibited by tazobactam (IC50 =243.03± 4.53 μg/mL). However, ME of B. pulmosa exhibited significant inhibitory effect on OXA-1 (IC50 =13.22 ± 0.96 μg/mL). Data from the same tests categorizing all MEs as mixed inhibitors of OXA-1 and GES-22, except B. pulmosa and C. compressa wich inhibit GES-22 with competitive and non-competitive manner, respectively. Docking studies indicated that the potency of inhibition is probably due to the formation of hydrogen bonds and hydrophobic interactions between ligands (compounds identified in MEs of seaweeds and other natural compounds) and active amino-acids site of both Serine and metallo-β-Lactamases. All compounds identified in the MEs of seaweeds have shown libdock score and CDOCKER interaction energy higher than the classical inhibitors clavulanate and sulbactam towards 15 ß-lactamases. Hesperidin, dihydromyrecitin and curcumin can be suggested as good ligands on the basis of libdock score and CDOCKER interaction energy.
Description
Le but principal de cette étude était de déterminer le type et la prévalence des gènes codants pour les β-lactamases dans des isolats bactériens Gram négatif algériens communautaires et nosocomiaux, ainsi que de rechercher les effets inhibiteurs d'extraits méthanoliques (EMs)de sept algues de la cote algérienne [Ulva intestinalis, Codium tomentosum, Bryopsis pulmosa, Sargassum vulgare, Dictyota dichtoma, Halopteris scoparia et Cystoseira compressa] sur deux variants de β-lactamases, GES-22 et OXA-1. Les résultats ont montré que les isolats contenant au moins un gène codant pour la β-lactamase (blaTEM, blaSHV, blaCTX-M1-M2, blaGES, blaPER-2, blaNDM, bla blaOXA-M (23,24,51,58)); ne portent ni le gène blaKPC ni le gène blaIMP ni le gène blaVIM . Les régions conservées des cassettes de gènes des intégrons de classe I et II ont été déterminées seules et ensemble dans ces isolats. Le contenu en polyphénols totaux des sept espèces d'algues variait entre 0,93 ± 0,65 et 3,22 ± 0,91 mg GAEs/g poids sec. Ceux des EMs des algues vertes étaient presque deux fois plus élevés que ceux des algues brunes. Cependant, les teneurs en vitamine E de EMs des algues brunes étaient plus élevées que celles de MEs des algues vertes. En outre, une analyse qualitative a montré l’existence de composés communs aux MEs des sept algues, incluant l’acide α-linolénique (C18: 3 3), l’acide linoléique (C18: 2 ω6), l’acide oléique (C18: 1 ω9) et l’acide arachidonique (C20: 4). ω6). De plus, U. intestinalis et D. dichtoma contiennent de la baicaleine (C15H10O5) et de la curcumine (C21H20O6). C. tomentosum contient de la quercetine (C15H10O7) et C. compressa contient de la (S) naringenine (C15H12O5). Les valeurs de IC50 des ME déterminées par analyse de régression linéaire informatisée après transformation logit / log, variaient de 13,01 ± 0,46 μg/mL (D. dichtoma) à 41,24 ± 0,23 μg/mL (C. compressa) et de 13,22 ± 0,96 μg/mL. (B. pulmosa) à 62,39 ± 1,96 μg/mL (C. compressa) avec GES-22 et OXA-1, respectivement. L’EM de Dichtoma a montré un effet inhibiteur plus significatif sur GES-22 que les inhibiteurs β-lactames classiques, le clavulanate, le sulbactam et le tazobactam (IC50 = 68,38 ± 0,17 μg/mL, 52,68 ± 0,64 μg/mL et 29,94 ± 0,01 μg/mL, respectivement). Le sulbactam et l’acide clavulanique n'ont pas inhibé l'OXA-1, mais le tazobactam l'a inhibé modérément (IC50 = 243,03 ± 4,53 μg/mL). Cependant, l'EM de B. pulmosa a montré un effet inhibiteur significatif sur OXA-1 (IC50 = 13,22 ± 0,96 μg/mL). Des données des memes tests classaient tous les EMs comme inhibiteurs non compétitifs d'OXA-1 et de GES-22, à l'exception de l’EM de B. pulmosa et de C. compressa, qui inhibent GES-22 de manière compétitive et non compétitive, respectivement. Des études d'amarrage ont montré que la puissance de l'inhibition est probablement due à des liaisons hydrogène et aux interactions hydrophobes entre les ligands (composés identifiés dans les EMs d'algues et d'autres composés naturels) et les acides aminés du site actif des sérine et des métallo-β-lactamases. Tous les composés identifiés dans les EMs d'algues ont montré un score de libdock et une énergie d'interaction CDOCKER supérieurs à ceux du clavulanate et du sulbactam pour les 15 β-lactamases. L’hespéridine, la dihydromyrécitine et la curcumine peuvent être suggérées comme de bons ligands sur la base de leur score de libdock et de l'énergie d'interaction CDOCKER.